雷擊風險預警系統建設可行性分析

彭藝全

摘要：近幾年來，雷擊事故的出現開始有了集中爆發的趨勢，而發生在重要輸電通路上的雷電災害會引發巨大的損失。對于雷擊災害的預防，我們缺乏一個系統的預警體系，因此很難實現可靠的預警。本文通過科學合理的布點安裝雷電預警傳感站，實現了高風險區段的監測預警覆蓋，現將雷擊風險預警系統建設可行性分析如下，以供同行參考。

關鍵詞：輸電線路;雷擊預警;可行性;分析

近年來，隨著超特高壓線路、重要負荷供電線路、大型電源送出線路、跨區聯網和跨國線路等重要輸電線路的快速建設，以及土地資源緊缺導致可用的線路走廊日益減少，逐漸形成了一些輸送能力大、線路排列緊密的輸電通道[1]。這些重要輸電通道因桿塔高、分布區域廣、走廊地形復雜，很容易遭受雷電的沖擊，且重要輸電通道通常由兩回及以上重要輸電線路組成，其輸送容量大，發生故障后對電網產生的沖擊較大，可能造成四級及以上電網事件[2]。圖一為我國三大直流繞擊雷害風險分布圖。為保障我國三大直流輸電線路的安全運行，我們需要建立三大直流雷擊中、高風險區段建設雷電預警系統，實現線路雷擊風險提前預警，為三大直流雷擊故障提前管控與應急處置提供支撐，以全面提高三大直流雷害防護與安全運行水平。

1.案例分析

本文以重慶市錦蘇線、復奉線兩條線路的雷電預警系統建設為例，分析雷擊風險預警系統建設的可行性。這兩條線路全長約286.9km，共有高危區段8段、塔桿1114根。當大面積持續雷暴天氣時，重慶電網特高壓直流通道具有發生雷擊跳閘故障的風險，這些線路作為電能輸送的樞紐，同跳后對電網的沖擊較大，嚴重影響著電網的運行安全。因此，有必要建設特高壓直流通道雷電預警系統，通過安裝部署雷電預警傳感站和雷達站，實現可靠的雷電災害預警。

2. 雷擊風險預警系統建設方案

本次項目計劃通過安裝部署雷電預警傳感站，實現對±800kV復奉線/錦蘇線重慶境內雷擊高風險區段的預警監測優化覆蓋，實現雷暴天氣預報和雷電預警，構建“雷擊前期風險預警——中期快速定位——后期差異化防雷評估和治理”的全過程雷電災害防御體系，從基建、維護、檢修、調度、應急等多方聯動的主動性防護方面，為進一步保障特高壓直流通道安全運行提供新的技術支撐[3]。

2.1方案一

在特高壓直流通道雷擊高風險區段部署雷電預警傳感站，雷電預警傳感站沿線部署，站點垂直投影至線路的站間距依據15km為原則布站。具體建設方案如圖二。

2.2方案二

在特高壓直流通道雷擊高風險區段部署雷電預警傳感站，雷電預警傳感站部署兼顧線路沿線和切線方向，站點垂直投影至線路的站間距依據15km為原則布站，如圖三所示。

方案一與方案二僅存在雷電預警傳感站布站方式不同。方案一采用沿線的布站方式實現對線路雷電預警監測覆蓋，通過不同傳感站監測數值的變化，可獲得雷暴團沿線運動方向和發展趨勢。方案二，不僅考慮了雷暴沿線路運動的預警監測，還考慮了雷暴縱切線路運動時候的預警監測，通過該方式可以獲得雷暴活動靠近或遠離線路的信息。對比方案一與方案二，方案一在雷暴活動是否靠近或遠離線路的判斷上存在劣勢，但經雷電定位系統歷史數據分析發現，大部分雷暴活動是自西向東移動，沿線運動概率較大。另外通過雷電預警雷達站對雷云活動的監測，并綜合雷電定位系統實時監測的雷電活動，可實現部分雷暴活動是否靠近線路的判斷。效能綜合比較，方案一更優。

3.雷電預警技術

特高壓直流通道雷電預警系統主要由三個部分組成：

3.1 雷電預警子站系統

子站是系統數據監測與采集端，負責在雷電發生前監測大氣物理特征量，并將數據傳輸至主站服務器。主要設備包含雷電預警傳感站和雷電預警雷達站。

雷電預警傳感站是場磨式、MEMS雙探頭的大氣電場監測設備，是雷電預警系統的核心元件，其數量、種類和運行質量決定了一個系統的規模、效率和精度。傳感站支持記錄存儲和遠程調用，并將探測的大氣電場數據實時地傳送到雷電定位系統中心站，同時采用GPS天線和高穩晶振為系統測量和計算提供精準時基。

雷電預警雷達站是探測大氣中與雷云形成有關氣象參數設備，主要包括雷電預警雷達及其通信控制箱。雷電預警雷達通過間歇性的向空中發射電磁波脈沖，然后接受被氣象目標散射回來的電磁波回波，探測120～150km范圍內氣象目標的空間位置和特性，其數據是突發性中小尺度雷電災害天氣監測預警重要的基礎數據。

3.2 雷電預警系統中心站

在雷電預警系統中心站安裝特高壓直流通道雷電預警各功能模塊軟件，負責接收雷電預警子站監測數據，最終將雷電預警應用結果數據保存于服務器。

特高壓直流通道雷電預警系統各軟件功能模塊安裝在系統中心站相應服務器上。前置處理服務器用于采集雷電預警子站系統的監測數據并保存于數據庫服務器;數據服務器用于接收和存儲子站系統的數據，并傳遞給雷電監測預警大數據處理中心進行綜合分析處理，并接受數據處理中心返回的計算結果;數據處理服務器為整個系統的核心，使用大數據技術對雷電定位數據、預警傳感站數據、預警雷達站數據等進行綜合分析處理，生成雷電預警信息;應用服務器用于發布應用信息，集合了各種數據結果服務，為雷電預警應用系統的交互與展示提供基礎。

3.3 雷電預警應用系統

應用系統是系統與用戶的交互端，負責為各應用人員提供友好的界面接口，提供雷電天氣預報、風險預警等定制服務，并將預警結果通過網頁瀏覽、手機短信、App和微信等方式動態返回給應用人員。

雷電預警應用系統是一套應用軟件及搭載終端（電腦、手機、PAD），是雷電風險預警信息與用戶交互的重要軟件與設備，支持用戶依據自己的職責或偏好定制關注的區域或目標，設置預警服務，系統將依據用戶個性化需求推送或展示預警信息。

4.總結

在已梳理出的國網公司重要通道中，已建成投運的三大直流特高壓通道是安全防護的重中之重，不僅輸送容量大，線路長、桿塔高、走廊地形復雜等一系列因素也使得雷擊風險比較突出。在往年三大直流線路滿負荷運行時，也出現了多次雷擊閃絡故障[4]。同時，電網雷擊事故近年來越來越明顯的呈現出短時集中爆發的特點，對增強輸電通道雷害防護與應急處置能力提出了更高的要求。目前的雷電監測系統能夠在雷擊故障發生后及時提供信息指導查找故障點，但對于直流特高壓這類極為重要的輸電通道，在遭遇雷暴活動時，若僅僅依靠事后的監測信息對已發生的故障作應對處理，可能會出現故障排查不及時和應急檢修人員、物資儲備不足等情況，從而影響線路故障恢復的時效性，甚至引發重大安全事故[5]。根據國網運檢部的技術需求和總體安排，有必要逐步建立起直流特高壓輸電通道雷電預警系統，為直流特高壓雷擊故障提前管控與應急處置決策提供基礎手段和數據支撐，以全面提高三大直流雷害防護與安全運行水平。

特高壓直流通道雷電預警系統的所有預警裝置均不直接安裝于線路本體，故對線路運行現狀不造成任何改變和影響;軟件方面，系統能利用包括操作系統在內的軟件安全機制，以及防火墻在內的安全防護設備及措施，提供安全解決方案。系統建成后可有效提升電網雷電災害預警應用水平，從而提升基建、維護、檢修、調度、應急等多方聯動的防護主動性，進一步為保障輸電通道安全運行提供新的技術支撐。

參考文獻：

[1]張呈龍，馬志青，魏全祿，楊韜輝，曲全磊，馬永福，李秋陽，孫志忠.雷擊風險預警系統建設可行性分析[J].青海電力，2019，38（03）：11-14.

[2]李國寶.輸電線路雷電災害防御體系建設研究與應用[J].山西電力，2019（04）：22-25.

[3]谷山強，電網雷擊風險預警關鍵技術與工程應用. 湖北省，國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，2019-04-08.

[4]谷山強，一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法. 湖北省，國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，2017-12-15.

[5]唐宏科，雷電監測與預警信息在風險評估中應用的研究. 上海市，上海市防雷中心，2015-05-11.