电力系统雷击远程在线拍摄系统

江安烽，傅正财，顾承昱，颜楠楠，陈 坚，阮浩浩

（1.上海交通大学 电气工程系 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200030；2.上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；3.上海电力公司检修公司，上海 200120）

0 引言

国内外运行经验表明雷击是输配电线路安全稳定运行面临的主要风险，开展输配电线路雷击事故调研对进一步降低雷击风险是至关重要的[1-2]。图像信息是输配电线路事故调研的重要方式，日本最先采用传统胶片照相机拍摄输配电线路雷击[2]，随后南非采用摄像机[3]、美国采用单反相机[4-5]记录配电线路雷击。近年来，日本的拍摄技术发展最快，已将静态相机、摄像机、高速摄影仪成功应用于输配电线路雷击拍摄[6-11]。目前，国外进行了大量输配电线路雷击拍摄研究而国内研究较少，主要是中国电科院、气象科学研究院采用摄像机、高速摄影仪观测人工引雷、雷击地面、建筑物的过程[12-13]。

以往研究最深入、应用最多的拍摄装置是日本的传统胶片照相机，但其不能进行在线拍摄，无法与今后智能电网的在线监测系统结合，且传统胶片照相机已退出主流市场，更新维护存在问题，与摄像机相比可能漏拍。高速摄像机花费巨大，拍摄分辨率很低，只适用于雷电上、下行先导起始和传播的观测。普通摄像机比传统胶片照相机拍摄效果好，但以往的系统存在体积大、能耗高、不能远程控制的问题。

本文研发的基于光电触发有预录功能的全天候电力系统雷击远程在线拍摄系统，实现了电力系统雷击的视频采集和远程无线传输。已有4套该系统在线运行于上海电网2条10 kV和1条35 kV配电线路，通过一个雷季的运行，获得了上百段云闪和20段雷击配电线路附近地面的视频，并将20段雷击线路附近的地闪数据与线路运行统计数据、雷电定位系统数据进行对比研究。

1 雷击远程在线拍摄系统原理

电力系统雷击远程在线拍摄系统主要由雷击在线拍摄装置终端系统和监控中心系统组成，系统原理如图1所示。

图1 电力系统雷击远程在线拍摄系统原理图Fig.1 Schematic diagram of online remote lightning stroke shooting system for power system

雷击在线拍摄装置终端系统可安装在输配电线路杆塔或建筑物上，开机后始终处于拍摄状态的摄像机将摄得的模拟视频信号输入到视频采集模块，视频采集模块将模拟视频图像压缩转换为数字视频图像后传送到中央处理模块。当探测视野范围内发生雷闪时，光探测器发送触发信号给中央处理模块，中央处理模块收到触发信号后截取触发时刻前后数秒的数字视频图像作为雷击图像存储到闪存数据存储模块中，同时通过无线通信模块将数字视频图像信息通过3G网络发送到远程监控中心系统，客户终端可以通过Internet访问FTP服务器上的雷击统计数据库，并通过专用软件逐帧分析获得的视频。通过电源控制器控制太阳能电池板和蓄电池的输出电压，作为终端系统的电源。

2 雷击在线拍摄系统设计与实现

2.1 雷击光触发器

设计的雷击光触发器由光接收器和光电信号检测电路组成。已有研究表明雷电光信号的可探测波长主要集中在300～1 000 nm，因此光接收器选用OTRON公司的OSD50-HT型光电二极管，其光谱响应范围为400～1100 nm，峰值响应波长为900 nm，感光面积为50 mm2，响应时间为18 ns。

当发生雷击时，雷击光触发器接收到由雷电光探测信号和背景光干扰信号组成的光信号。与持续时间数百毫秒的雷电光信号相比，主要由日光、路灯、汽车车灯产生的背景光持续时间为数分钟，可以看作变化缓慢的环境光，在电路中表现为直流分量。以往研究表明，雷电光信号的频谱能量主要集中在1～5 kHz范围内。由于背景光噪声信号变化非常缓慢，可看作高斯限带白噪声，其频谱能量分布主要集中在300Hz以下。因此可根据雷击光辐射与背景光频率特性的差异消除噪声干扰以获取有用信号。

设计的光电信号检测电路如图2所示，其由前置光电转换电路、高通滤波放大电路和脉冲展宽电路三部分组成，图中4个运算放大器都接成电压跟随器的形式，起到缓冲隔离作用。其中，前置光电转换电路用于将微弱的光电二极管雷电光生电流进行前置放大并转换为电压信号。高通滤波放大电路用于去除混杂在雷电光信号中的低频背景光噪声信号并且降低电路噪声信号的影响，设置高通滤波器-3 dB带宽的截止频率f为1.64 kHz，提取出雷电光信号后再将其送入脉冲展宽电路。脉冲展宽电路用于将雷电光脉冲信号展宽以满足雷电拍摄设备的触发要求。

2.2 摄像视频模块

系统选用SONY 1／3 SUPER HAD CCD传感器，其水平分辨率为540线；感光面积宽4.8mm，高3.6mm；内置定焦镜头8 mm；直流工作电源12 V。摄像机以录像的模式记录雷击发生前后数秒的视频，避免了触发时间误差导致的漏拍。

图2 雷击光触发器的光电信号检测电路Fig.2 Photoelectric signal detection circuit of lightning optical trigger

2.3 远程通信控制模块

系统通信记录单元选用的视频终端处理器型号为TL-MR9004，支持6～36 V电压输入，采用标准H.264压缩算法，可提供3G无线通信并支持SD卡存储。为实现雷击在线拍摄系统的远程人工控制、调试及低功耗开启关闭等功能，设计了远程控制通信开关电路并编制了相应算法，其工作的主要流程见图3。

图3 远程通信控制模块工作流程图Fig.3 Flowchart of remote communication control module

2.4 自供电源模块

自供电源模块采用40 W的太阳能电池板对12 V、40 A·h的蓄电池供电，在缺少阳光的情况下，蓄电池可供系统连续工作2 d。

2.5 系统测试

为了验证系统对空气间隙击穿产生的光信号的拍摄效果，在上海交通大学高电压实验室中，采用3000 kV的冲击电压发生器，对1.5 m长的棒-板间隙施加负极性雷电冲击电压（1.2／50 μs），拍摄装置与放电间隙距离为10 m，拍摄结果如图4所示。由图可见，光信号可以有效触发系统，系统通过记录触发时刻前后数秒的视频，有效捕捉长间隙放电的图像信息。

图4 系统拍摄的棒-板间隙放电图像Fig.4 Image of rod-plane gap discharge shot by developed system

3 拍摄结果与运行统计数据对比

3.1 典型拍摄结果

在上海电网历年来雷击跳闸多发的配电线路附近安装该系统，其中在2条无避雷线的10 kV配电线路附近安装2套，在1条单避雷线35 kV配电线路附近背靠背安装2套，运行调试时人工触发拍摄的结果如图5和图6所示。经过一个雷季的运行，系统获得了上百段云闪和20段雷击配电线路附近地面的地闪视频，其中典型的雷击配电线路附近地面的图像如图7—10所示。

3.2 和运行统计结果对比

结合线路雷击跳闸统计数据、上海电网生产管理系统PMS（Production Management System）中雷电定位系统与线路位置和电气参数的数据，对观测结果进行分析，典型分析过程如下。

a.雷击图像如图7所示，雷击时间为2013年7月 31号 21∶07∶42，在 PMS中查找在该 10 kV 线路附近该时刻 ±5 min的雷电定位数据，得到 21∶08∶06的雷击点如图11所示，负极性雷电流的幅值为12.3kA。

b.采用PMS中的测量工具获得雷击点与线路最近距离如图11所示，为423 m。

c.采用IEEE标准公式计算感应过电压[14]：

图5 人工触发拍摄10 kV配电线路Fig.5 Image of 10 kV distribution line shot by developed system with manual trigger

图6 人工触发拍摄35 kV配电线路Fig.6 Image of 35 kV distribution line shot by developed system with manual trigger

图7 拍摄的雷击10 kV配电线路附近地面画面（1）Fig.7 Image of ground lightning stroke nearby 10 kV distribution line（1）

图8 拍摄的雷击10 kV配电线路附近地面画面（2）Fig.8 Image of ground lightning stroke nearby 10 kV distribution line（2）

其中，Umax为感应雷过电压最大值（kV）；I为雷电流幅值（kA）；Z0为雷电通道特征波阻抗，采用观测经验值 30 Ω；y为雷击点与线路绝缘子的距离（m）；c为光速；v为雷电流在回击通道中的传播速度，一般为c／3；h为导线平均高度，取为7.8 m；ρ为土壤电阻率，由于没有实测，取100～1000 Ω／m。计算得到感应雷过电压幅值为19.3～42.7 kV，该10 kV线路采用PS-15针式支柱绝缘子，其在标准雷电波下的50%闪络电压为105 kV，表明该线路未发生雷击跳闸，线路运行统计结果也证实了该结论。

图9 拍摄的雷击35 kV配电线路附近地面画面（1）Fig.9 Image of ground lightning stroke nearby 35 kV distribution line（1）

图10 拍摄的雷击35 kV配电线路附近地面画面（2）Fig.10 Image of ground lightning stroke nearby 35 kV distribution line（2）

图11 PMS中雷击点与10 kV配电线路的相对位置Fig.11 Lightning stroke position relative to 10 kV distribution line shown in PMS

采用以上方法分析了系统拍摄的20段雷击配电线路附近地面的地闪视频，其中，雷击点与10 kV线路的最近距离为30m，最大雷电流为13.7 kA，产生的最大感应雷过电压为42.7 kV；雷击点与35 kV线路的最近距离为210 m，最大雷电流为12.4 kA，产生的最大感应雷过电压为31.8kV。

感应雷过电压的计算结果与运行统计结果都表明，系统拍摄的20段地闪没有造成线路跳闸。

3.3 雷击点定位讨论

采用安装在多个位置的多台拍摄装置对准同一区域可以进行雷击点的定位。如图12所示，安装2台拍摄方向正交的观测装置，可以根据摄像视场分析进行雷击点的定位，但是由于当前项目经费有限，观测重点是尽可能多地有效捕获雷击图像，所以并没有安装对准同一区域拍摄的多台观测装置。

图12 采用2台拍摄装置进行雷击定位的示意图Fig.12 Schematic diagram of lightning stroke located by two shooting devices

4 结论

本文研发的电力系统雷击远程在线拍摄系统已在户外配电线路上正常稳定运行，成功拍摄到上百段云闪和20段雷击配电线路附近地面的地闪视频。将20段雷击配电线路附近地面的地闪视频与线路雷击跳闸统计数据、上海电网PMS中雷电定位系统与线路位置和电气参数的数据进行对比分析，结果表明观测结果与运行统计相符。