雷電定位系統(tǒng)的原理與應(yīng)用研究

　　周延齡黎利佳蘇貽泰
　　【摘要】為鑒別線路是否落雷及確定落雷桿號(hào)，湖南省建成了包含9個(gè)探測(cè)站覆蓋全省的雷電定位系統(tǒng)。文中闡述了雷電定位的原理、系統(tǒng)構(gòu)成、特性及應(yīng)用實(shí)踐，并就今后推廣應(yīng)用問題提出建議。
　　【關(guān)鍵詞】雷電定位系統(tǒng)
　　development and application of lightning spotting system
　　abstractto distinguish whether the line struck by lightning and spot the e*act pole being struck, a lightning spotting system including 9 monitoring stations covering whole hunan province has been established. this paper describes the principle, system configuration, characteristics and practical application of this lightning spotting system and suggests the way
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在地面上任一點(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度e(r,φ，θ，t)和b(r,φ，θ，t)。
　　圖1回?fù)舻碾姶艌?chǎng)計(jì)算模型
　　1.2對(duì)地落雷波形判據(jù)
　　云內(nèi)放電同樣輻射電磁波，因此區(qū)分對(duì)地落雷或云內(nèi)閃電是極為重要的。大量實(shí)測(cè)表明，對(duì)地落雷與云內(nèi)閃電的典型波形如圖2所示。
　　現(xiàn)在實(shí)用化的雷電定位系統(tǒng)都采用6個(gè)波形特征條件鑒別對(duì)地落雷。湖南系統(tǒng)采用的判據(jù)值如下：
　　閥值電壓：100 mv預(yù)脈沖ptk/up≤0.25
　　上升時(shí)間t1≤20 μs次峰up2≤1.20
　　持續(xù)時(shí)間t2≥40μs過沖up3/up≤1.30
　　圖2典型云閃波形
　　1.3雷擊點(diǎn)定位的交會(huì)方法
　　雷擊點(diǎn)的位置是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)�，F(xiàn)有確定落雷地點(diǎn)有2種方法：定向定位(df)和時(shí)差定位(toa)。近幾年發(fā)展了綜合利用df和toa的復(fù)合定位方法。
　　1.3.1定向定位
　　定向定位要利用2個(gè)及以上探測(cè)站——正交環(huán)形磁場(chǎng)天線同時(shí)測(cè)定落雷點(diǎn)與探測(cè)站連線的方位角。2個(gè)探測(cè)站獲得2個(gè)方位角在球面用三角交會(huì)確定落雷點(diǎn)。由于利用磁場(chǎng)天線，往往叫磁場(chǎng)定向定位(mdf)。為提高定位精度，采用了3個(gè)以上探測(cè)站和優(yōu)化算法，即使式(1)的*2值為最小：
　　(1)
　　式中，θi為第i站測(cè)的方位角；θi0是第i站與優(yōu)化落雷點(diǎn)連線的方位角。
　　1.3.2時(shí)差定位
　　時(shí)差定位是通過監(jiān)測(cè)落雷點(diǎn)電磁波信號(hào)峰值到達(dá)探測(cè)站相對(duì)時(shí)間差，在球面上建立雙曲線3個(gè)探測(cè)站能產(chǎn)生2條雙曲線，其交點(diǎn)即落雷點(diǎn)位置(見圖3)。由于2條雙曲線可能有2個(gè)相交點(diǎn)，其中一個(gè)是偽點(diǎn)，因此toa中要有4個(gè)探測(cè)站，使得定位解是唯一的。toa中既可以利用磁場(chǎng)信號(hào)(mtoa)，也可以采用電場(chǎng)信號(hào)(etoa)。由于toa中幾乎不存在場(chǎng)地誤差，利用gps技術(shù)把各探測(cè)站的時(shí)間同步到納秒級(jí)，因此toa是定位最精確的方法。
　　圖3時(shí)差定位求雷擊點(diǎn)原理
　　1.3.3時(shí)差磁方向聯(lián)合定位
　　盡管toa是精度最高的落雷定位方法，但當(dāng)收到落雷電磁信號(hào)的有效探測(cè)站數(shù)n少于3個(gè)時(shí)，它卻無能為力；即使有效探測(cè)站n＝3，在一定情況下，2條雙曲線呈漸進(jìn)線，這時(shí)定位精度極低。利用時(shí)差技術(shù)和磁方向技術(shù)的聯(lián)合定位(tdd)［3，4］就可以在n＝3甚至n＝2的情況下，獲得比mdf更精確的定位，其原理見圖4。
　　圖4示2個(gè)探測(cè)站的交會(huì)情況，2站時(shí)差確立一條雙曲線。任一個(gè)站的磁方向給出一個(gè)磁場(chǎng)方向(如θ1)，交點(diǎn)決定落雷點(diǎn)p。聯(lián)合定位擴(kuò)大精確定位的覆蓋范圍，無疑是近年來開發(fā)應(yīng)用開發(fā)的新技術(shù)。
　　圖4聯(lián)合定位原理
　　2湖南雷電定位系統(tǒng)構(gòu)成與特性
　　2.1基本配置
　　湖南雷電定位系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))包括9個(gè)探測(cè)站、一個(gè)中心站、多個(gè)用戶終端和通信網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)的公用微波網(wǎng)絡(luò)。
　　系統(tǒng)能對(duì)全省范圍內(nèi)的落雷信息實(shí)時(shí)接收、處理、顯示、發(fā)送和儲(chǔ)存。系統(tǒng)能顯示落雷的位置、時(shí)間、強(qiáng)度、極性，并且能顯示雷暴的運(yùn)動(dòng)情況；建立了全省輸電線路坐標(biāo)庫，能在線路雷擊跳閘后極短時(shí)間內(nèi)查出線路受到雷擊的故障桿號(hào)，指導(dǎo)各線路所的查線工作。
　　2.2探測(cè)站
　　9個(gè)探測(cè)站分設(shè)在長(zhǎng)沙、常德、鳳灘、婁底、冷水灘、郴州、衡陽、懷化和岳陽，既考慮了覆蓋全省，又重點(diǎn)照顧超高壓線路的路徑分布。探測(cè)站通過電場(chǎng)天線、正交磁場(chǎng)天線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)落雷電磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大、峰值取樣、壓縮等處理，把落雷時(shí)間、強(qiáng)度、極性、回?fù)魯?shù)、方向角、峰值時(shí)間等信息，通過調(diào)制解調(diào)器發(fā)至中心站。特別要指出，信號(hào)峰點(diǎn)的取樣極為重要，否則要么近處落雷、強(qiáng)雷因飽和而丟失，要么對(duì)遠(yuǎn)方落雷、小雷因信號(hào)小而丟失。本系統(tǒng)成功采用非線性壓縮技術(shù)，提高探測(cè)裝置的動(dòng)態(tài)范圍，保證在1～300 ka有足夠可*性。
　　2.3中心站
　　中心站將探測(cè)站傳送來的落雷信息，根據(jù)時(shí)間一致原則進(jìn)行組合，然后按toa(etoa，mtoa)、mdf、tdd等交會(huì)方式進(jìn)行定位計(jì)算，并把數(shù)據(jù)傳至用戶終端和存入數(shù)據(jù)庫。平時(shí)中心站定時(shí)對(duì)全部探測(cè)站進(jìn)行性能測(cè)試和分析，它是系統(tǒng)的核心。其雷電信息處理流程見圖5。
　　圖5中心站雷電數(shù)據(jù)處理框圖
　　2.4用戶終端
　　用戶終端接受中心站傳遞來的落雷信息，包括落雷時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性、顯示在地理位置上，以方便用戶對(duì)落雷進(jìn)行查詢、分析、統(tǒng)計(jì)。湖南系統(tǒng)有近程終端和遠(yuǎn)程終端，后者包括有調(diào)度通信局的調(diào)度室以及各電業(yè)局。主要技術(shù)性能如下：
　　定位誤差：基線區(qū)內(nèi)≤1 km
　　基線區(qū)外≥3 km
　　探測(cè)效率：正常范圍內(nèi)云地閃＞90%
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