10 kV配电线路火箭引雷试验及雷电流波形特征分析

为了研究引雷至配电线路雷电流波形特征,开展了国内首次10 kV配电线路火箭引雷试验,成功触发26次闪电,其中包含回击闪电20次,总回击数120次,每次闪电平均包含6次回击,一次雷击过程回击次数最多高达13次。一次典型雷电流波形可分为3个阶段：初始阶段(IS)、回击(RS)和M分量。IS的平均电流、转移电荷、持续时间的几何平均值分别是56.2 A、15.0 C、267.1 ms; RS的峰值电流、10%～90%上升时间、1 ms转移电荷、回击间隔时间的几何平均值分别是16.4 kA、0.6μs、1.1 C、41.9 ms; M分量的峰值电流、10%～90%上升时间、转移电荷的几何平均值分别是0.4 kA、119.8μs、0.08 C。IS转移的电荷远大于单个RS转移的电荷,甚至大于IS后续所有回击转移电荷之和。每次回击平均包含1.5个M分量,一次闪电事件中M分量转移的电荷约为回击转移电荷的11%。雷电流波形数据对电力系统尤其是配电系统的雷电防护设计有帮助。     

火箭触发闪电的回击电流及电场特征分析

2019年夏季在广州开展了火箭引雷试验，成功地触发了14次闪电，总回击(RS)数达74次，平均回击数为5.3次，单次闪电的最大回击数为14次。该文对火箭引雷的回击电流及不同距离电场波形特征进行了分析。回击的间隔时间、峰值电流、10%～90%上升时间、半峰值宽度、1 ms转移电荷和1 ms作用积分的几何平均值分别为38.45 ms、12.38 kA、0.25μs、8.31μs、0.68C和2.12×10³A²·s，回击电流的转移电荷量和作用积分量均与回击峰值电流呈幂函数相关性。回击的先导电场强度峰值和回击电场强度峰值会随距离的增大而减小，而电场的10%～90%上升时间和半峰值宽度会随距离的增大而增大。回击电场强度峰值会随距离的增大而呈现出幂函数减小，且峰值电流与不同距离的先导电场强度峰值和回击电场峰值均呈现一定线性相关，距离越大，其线性拟合关系越好。     

防雷装置在火箭引雷试验中的接闪现象分析

通过火箭引雷试验记录了避雷针和半导体消雷器两种防雷装置在雷电下接闪 (包括回击 )的图像、地面场强、回击次数及最大雷电流幅值数据 ,试验及分析表明 :避雷针对雷电闪络的通道有吸引作用但其保护角 <4 8°;消雷器的半导体长针在接闪过程中可自动并联放电和沿面闪络。     

雷电定位系统反演地闪回击电流的准确度受回击速度取值的影响

目前国内外广域雷电定位系统在反演地闪回击电流时,一般设定回击速度为1×10~8 m/s至2×10~8 m/s之间的某一固定值,该文探讨了这种取值方式对回击电流反演准确度的影响。首先,介绍了利用雷电定位系统反演地闪回击电流的方法,分析了地闪回击速度对雷电定位系统反演回击电流的重要影响。其次,基于Lundholm等人提出的负极性回击电流与回击速度之间的关系式,分析了对于负极性首次回击,25 kA以下回击电流可能被低估,160 kA以上回击电流可能被高估;对于负极性后续回击,5 kA以下回击电流可能被低估,32 kA以上回击电流可能被高估。然后,回顾和总结了4种回击(负极性首次回击、负极性后续回击、正极性首次回击和正极性后续回击)的速度观测结果,认为在雷电定位系统中有必要区别对待各种类型的回击来进行回击电流的反演。最后,从个例角度比较了中国电网雷电地闪定位系统反演回击电流与人工引雷和输电铁塔实测回击电流;基于2012—2019年在武汉获取的大样本数据,对比了系统反演回击电流的累积概率分布曲线和IEEE推荐的曲线。结果表明,总体上中国电网雷电定位系统可以较好反演地闪回击电流,对于负地闪后续回击可能存在一定程度高估,这可能与系统设置的回击速度比实际偏小有关。     

分层土壤时特征参数对地闪通道附近地面垂直电场的影响

为研究回击通道附近垂直电场的特性及其受特征参数影响的规律,采用改进的线性衰减传输线(MTLL)回击模型、以双指数函数和Heidler函数拟合基电流,采用时域有限差分(FDTD)法进行数值计算。通过与火箭引雷实测数据对比,证明了该计算方法的正确性。计算了双层电导率土壤时距回击通道不同距离的地面垂直电场(Ez),分析了回击通道高度(H)、回击速度(v)、大地电导率(σ)、大地相对介电常数(ε)以及地面等值厚度(Hd)5个特征参数对Ez的影响。结果表明:Ez首先到达一个"初始峰值",然后出现"斜坡"、"平台"或"下降"波形。H对Ez"初始峰值"后的波形影响明显,H增大Ez从"斜坡"变为"平台";v对Ez"初始峰值"及之前的波形影响明显,v增大上升时间减小且"初始峰值"降低;Ez受σ和ε的影响均很小且对ε尤为不敏感;在距通道50 m和100 m处Hd对Ez"初始峰值"略有影响,到200 m处其影响可忽略。当H3 km、v大于0.6倍光速且Hd80 m后3个参数对Ez影响均逐渐变小。     

基于改进Agrawal模型和FDTD法的感应雷过电压算法

为了计算架空配电线路雷电感应过电压,利用Nucci提出的雷电回击通道模型(MTLE模型),计算雷电回击电流产生的空间电磁场,采用Cooray-Rubinstein公式计算大地电导率影响的水平电场分量,并改进Agrawal场线耦合模型,建立架空配电线路雷电感应过电压方程,基于时域有限差分(FDTD)法,计算10 kV架空线路的雷电感应过电压数值。结果表明,大地电导率对计算结果影响较大,大地电导率使线路上的感应电压幅值降低接近20 kV;不同回击传播速率也影响感应雷过电压的数值。定量计算雷电感应过电压,需要分析各种因素对计算感应雷击过电压的影响,完善计算方法,保障计算准确性,使理论与计算方法适用于实际的配电线路防雷设计,提供有价值的参考依据。     

风机回击电磁场波形特征及辐射增强效应研究

雷电对风电机组安全运行造成严重威胁。基于雷电回击工程模型,结合偶极子辐射理论,建立了风机回击电磁场计算模型,仿真分析了风机回击电磁场波形特征及电场强度变化规律。相比平地雷击,风机雷击的回击电磁场波形明显不同:存在明显的初始尖峰,且达到初始峰值后迅速衰减,波形存在震荡。目前雷电定位系统不能正确识别此类波形,将高估回击电流峰值,以50 km处垂直电场为例,预计雷电定位系统反演的回击电流可能为实际的3倍以上。计算不同距离处的静电场、感应场和辐射场分量后,发现电场增强的原因在于辐射场分量的明显增强;对电场增强效应的细致分析表明此效应对回击工程模型不敏感,说明辐射增强主要是由于回击电流波在风机本体上传播和反射叠加导致的;电磁场增强效应随观察点距离增加逐渐增强并趋于稳定,在目前我国风机普遍100～200 m高度情况下,电磁场增强可能达到3倍。此研究结论对指导风电机组的雷击防护,提升风电场区域地闪监测水平具有重要参考价值。     

基于人工引雷技术的外浮顶油罐直接雷击过电压试验研究

在山东人工引发闪电实验的基础上，对外浮顶油罐模型的直接雷击过电压开展探测研究。利用2021年7月12日一次引雷实验，测量得到了4次回击过程的通道底部电流和同时刻油罐不同位置的电压，分析结果表明：该闪电包含4次负极性回击，实测电流最大负极性峰值-34.01 kA,10%～90%上升沿时间为0.11～0.19μs。罐顶和浮顶处电压波形的幅值变化范围及随时间波动的趋势基本一致，电压脉冲信号的持续时间均在4μs左右。罐顶和浮顶的电位差波形呈现3个波谷、4个波峰的特征，周期在1μs左右，电位差幅值变化范围为-21.3 kV～+18.8 kV。整体来看，雷电流强度越大，上升时间越短，罐顶与浮盘的电压峰值及二者间电位差峰值越大，振幅越高。以此为基础计算发现，当雷电直接击中油罐，而浮盘与罐体没有可靠连接时，其之间的电位差将引燃罐内油气。最后提出了一些防护建议措施。     

南川地区10kV配网线路防雷分析

中国10 kV配电线路绝缘水平低,雷击引起的跳闸事故在配网故障中占据较大比例。根据实际雷电活动特征,分析线路跳闸原因、评估线路防护状况,从而有针对性地指导雷电防护。依托雷电定位系统(LLS)对重庆南川地区1999-2009年间雷电参数进行收集,拟合正负极性雷电流幅值的概率分布公式来分析不同情况下输电线路雷击闪络率。结果表明:该地区地面落雷密度达到0.077 7次/(km2.d),负极性雷占据94.84%,线路直击雷和感应雷的总闪络率均接近基于负极性雷的计算值,但不同极性雷电流的闪络率因各自雷电流幅值概率函数不同而差别较大,线路防雷计算和评估应充分考虑不同极性雷电流的影响。     

雷电定位系统监测的河北省南部电网雷电流分布特征分析

运用雷电定位系统中的检测数据,对河北省南部电网2003—2008年雷电活动中雷电流的平均电流进行统计分析,详细探讨各区域雷电流幅值、雷电流幅值累积概率、各年和各地区雷电流幅值累积概率分布,为制定输电线路的防雷措施提供了参考。     

配电线路感应雷过电压计算

为了提高配电线路的安全可靠性并对线路防雷设计提供有价值的参考依据,基于调整的传输线模型,计算了雷电回击电流产生的空间电磁场,借助Cooray-Rubinstein公式计算了在考虑大地土壤损耗的前提下的水平电场分量.用Agrawal场线耦合模型和时域有限差分(FDTD)法对10 kV配电线路由于附近雷击引起的线上感应电压进行了计算,其中在传输线阻抗计算中考虑了大地电导率.通过与文献计算结果对比,验证了计算方法的有效性.针对一条实际架空配电线路,分别计算了三角形布线和列式布线两种线路结构的感应雷过电压,分析了地面损耗以及其他导线的存在对线路感应雷过电压幅值和波形的影响.结果表明该理论与计算方法可以用于实际的配电线路防雷设计.     

闪电定位资料与人工引雷观测结果的对比分析

闪电定位系统(LLS)是目前最主要的雷电监测手段,在雷电预警以及雷电防护等工作中起着重要的作用,但其性能指标大多基于理论分析,实际检验工作一直比较缺乏。为了对闪电定位结果的精确性进行检验,利用2007/2008年广州从化人工触发闪电的近距离光电观测数据,分析了广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件及其回击过程的探测效率和探测精度。结果表明:对于14次包含有回击过程的人工触发闪电事件,闪电定位系统共探测到13次探测效率约为93%(即13/14);对于能够利用观测资料确认的62次回击过程,闪电定位系统共探测到26次,探测效率约为42%(即26/62);参与定位的站数≥3个的回击记录有24次,其中有21次回击过程属于接地点已知的地面触发闪电事件,闪电定位系统对这些回击过程接地点位置的平均定位误差约为760m;对于其中9次有雷电流直接测量结果的回击过程,闪电定位系统雷电流峰值反演结果的相对误差约为14%。     

一次人工引雷雷电流和地电位升高监测

根据2006年夏季在山东滨州地区的一次火箭引雷试验观测中雷电流和地电位升高的资料,对雷电作用于伸长接地体上引起的地电位升高和接地电阻特性进行分析.从波形可以看出,雷电过程中有两次回击,一次峰值为41.59kA,电流波形为6.02/20.24μs,另一次峰值为29.59kA,电流波形为4.8.11μs.以往对接地体的冲击特性研究都是限于试验室中的标准波形,此次试验反映出真实雷电过程中接地体的接地电阻变化特性.同时针对ATP仿真法中常用的接地体仿真模型提出质疑,冲击接地电阻仿真计算结果不随雷电流波形参数发生变化,而且雷电流和地电位升高波形峰值不能体现出时间差,这是因为火花放电使冲击接地电阻非定值.     

不同地形条件下架空配电线路的防雷分析

雷电活动直接影响到架空电力线路的安全稳定运行,为全面分析架空配电线路的雷害问题,提出了一种计入地形条件影响的分析新方法.先基于雷电的击距理论建立架空配电线路的引雷模型,结合雷电流的概率密度函数,求出了线路在不同高度和不同地形条件下的引雷范围与线路高度呈非线性关系;在确定线路引雷范围的基础上,分别计算了我国不同地域的架空...     

基于引雷空间理论的水平接闪器年雷击率预测方法

介绍了一种基于引雷空间理论的水平接闪器年雷击率的预测方法。该方法考虑了水平接闪器的引雷空间域和雷电下行先导随机取向角的影响,加权处理了不同雷电极性下的等值受雷面积,根据等值受雷面积和地面落雷密度对水平接闪器的年雷击率作出预测,该方法明显改善了定量计算精度和有效性,预测结果与实测结果基本一致。     

人工触发闪电直窜先导-回击放电参量的估算

利用2005和2006年夏季在山东人工触发闪电实验中获取的近距离电场和电流资料,对14次直窜先导-回击放电过程的放电特征参量进行了估算.结果表明,利用实测直窜先导电场结合源电荷先导模式得到的结果与利用实测电流结合传输线模式得到的结果接近,说明2种估算方法都是可行的.人工触发闪电回击速度平均值为2.14×108 m/s,与自然闪电继后回击速度接近;直窜先导速度比回击速度小一个量级;直窜先导电流范围为0.5～6.1 kA.人工触发闪电直窜先导线电荷密度、电位分别为71.4μC/m和9.77MV,均与回击峰值电流呈正相关,直窜先导速度、回击速度与回击峰值电流没有相关性.反演得到的空中触发闪电回击电流峰值的变化范围为12～39 kA,与利用传输线模式估算的结果非常接近,这为难以直接测量的空中触发闪电电流的反演提供了一个有效方法.     

海拔高度对云南某地雷电参数的影响

针对云南省某地雷电定位系统所统计的地面落雷信息缺乏海拔高度属性,无法分析海拔高度对雷电参数影响的情况,结合雷电定位系统和Global Mapper分析软件,分析了该地区雷电流参数与海拔高度的关系。利用先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(ASTER GDEM)获取了地面落雷点的海拔高度属性,分析了地面落雷点的雷电流幅值、雷电回击次数、地闪密度、正极性雷在总落雷次数中所占比例等因素随海拔高度的变化关系,得出了该地区雷电参数随海拔高度变化的规律,为该地区电网设计和防雷改造提供了参考。     

雷电水平电场时域近似算法研究及精度验证

雷电水平电场是计算雷电感应过电压的关键参数。为了准确高效的求解出雷电水平电场,利用Barbosa和Paulino所提出的雷电水平电场时域近似算法(B-P方程)对距离闪电通道100~1 000 m范围内雷电水平电场进行模拟,分析了不同雷电参数及大地电参数对水平电场特性所产生的影响,并应用2-D FDTD方法对B-P方程的精度进行检验。结果表明:若模拟中地面电导率σ设置越低、观测点距地面高度h设置越低、观测点到闪击点距离r0设置越远、回击速度v设置越大时,电磁场所包含的高频分量比重越大,模拟出水平电场波形的双极性特征越明显;相比于首次回击电流,当模拟中采用继后回击电流时,模拟出水平电场波形的双极性特征更明显;除了电导率σ较低时(σ≤0.001 S/m)B-P方程的计算精度会受传播效应的影响外,其模拟出的水平电场波形与2-D FDTD的模拟结果基本一致,且B-P方程的峰值计算误差均在±5%之内。综上,由于B-P方程的计算时间仅为0.01 s左右,因此在提高计算效率的同时能保证较好的计算精度。     

输电线路直击雷电流测量仪的设计与实现

笔者介绍了一种输电线路直击雷电流测量仪的设计与实现,用于实测输电线路直击雷电流的幅值、极性以及雷击杆塔时间。该测量仪以高性能ARM7处理器LPC2103为核心,能同时测量两通道的雷电流;采用了灵活的数据传输方式和可靠的系统供电设计,成本低廉,具有较广阔的应用前景。     

特高压输电线路雷击闪络电流的测量

为测量雷电参数,提出一输电线路杆塔的雷电流实测系统即在绝缘子串杆塔侧金具上钳套罗果夫斯基型电流传感器,测量雷击时的闪络电流,进而算出雷电流幅值;以110kV同杆双回线路为例,分析了反击和绕击时闪络电流的频谱,从而确定了传感器的测量频带。实验室中冲击大电流试验研究传感器及测量系统准确性、稳定性和线性度的试验表明:该测量系统能准确反映各种波形的冲击电流幅值,且稳定性和线性度很好。