10 kV配電線路火箭引雷試驗及雷電流波形特征分析

蔡力， 胡強， 徐志凌， 汪進鋒， 王建國

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

在過去五十年里，火箭引雷(觸發(fā)閃電)技術(shù)變得越來越成熟。與觀察自然閃電相比，觀察觸發(fā)閃電的一個顯著優(yōu)勢是能夠準(zhǔn)確地知道閃電發(fā)生的地點和時間。除此之外，另一個優(yōu)勢是可以確定被擊對象，本文研究的被擊對象是一條10 kV配電線路。

火箭引雷電流波形主要有3個部分，即初始階段(initial stage,IS)，回擊(return stoke,RS)，M分量[1]。火箭引雷的IS過程是自然下行地閃所不具備的，但研究火箭引雷的IS過程可以幫助我們理解高大結(jié)構(gòu)(如高塔、輸電線路)上始發(fā)的自然上行閃電。Miki等[2]通過比較火箭引雷的IS電流參數(shù)和高塔上自然上行閃電的電流參數(shù)，證實了二者的相似性。Wang等[3]統(tǒng)計了37個在美國阿拉巴馬州和佛羅里達州測得的火箭引雷IS電流參數(shù)。Qie等[4]報道了在山東測得的6個IS的電流參數(shù)。Zheng等[5]報道了在廣東測得的45個IS的電流參數(shù)。

火箭引雷的回擊過程與自然閃電繼后回擊類似，文獻[6-8]驗證了二者電流參數(shù)的相似性。Depasse[9]比較了在Saint-Privat d′Allier與佛羅里達州兩地測得的火箭引雷回擊電流，表明Saint-Privat d′Allier的閃電強度比佛羅里達州的弱。Rakov等[10]認為接地電阻對回擊峰值電流的影響很小。Schoene等[11]比較了引雷至地面和引雷至配電線路的電流波形。Zheng等[5]介紹了2008～2016年在廣東測得的142次火箭引雷回擊的電流波形參數(shù)。

在電力系統(tǒng)雷電防護設(shè)計中，M分量并沒有回擊那么受關(guān)注，但是由于M分量持續(xù)時間長并且數(shù)量多，云層向地面轉(zhuǎn)移電荷時M分量也扮演了重要角色，所以十分有必要關(guān)注M分量的電流波形參數(shù)。趙陽等[12]報道了在山東測得的10次火箭引雷回擊之后的33次M分量的電流波形參數(shù)。張義軍等[13]報道了在廣東測得的106次火箭引雷回擊之后的374次M分量的電流波形參數(shù)。

本文分析引雷至配電線路時的雷電流波形特征，分別統(tǒng)計初始階段、回擊、M分量3種電流波形的參數(shù)。這是國內(nèi)首次報道10 kV配電線路上的火箭引雷電流波形特征，對配電系統(tǒng)的雷電防護有意義。

1 10 kV配電線路火箭引雷試驗

1.1 試驗布置

2018～2019年夏季，武漢大學(xué)雷電防護與接地技術(shù)教育部工程研究中心與廣東電科院、中國氣象科學(xué)研究院合作，在廣州從化進行了配電線路火箭引雷試驗[14]。

試驗現(xiàn)場示意圖及設(shè)備實物圖如圖1所示。火箭尾部連接著數(shù)百米長的鋼絲，鋼絲另一端連接著引流桿，當(dāng)引雷成功時，雷電流經(jīng)引流桿流過安裝在塔發(fā)射架上的電流測量裝置，隨后流入10 kV配電線路的一相。此配電線路高10 m，塔距70 m，總長度約為1.5 km，不帶電[15]。線路共包含22基桿塔，桿塔接地方式為垂直接地，接地極長2.5 m，直徑為20 mm，這22基桿塔沖擊接地電阻的范圍是3.1～22.0 Ω，與雷電流注入點最近的兩基桿塔的沖擊接地電阻分別是8.0 Ω與6.3 Ω。電流測量裝置為羅氏線圈和1 mΩ同軸分流器，羅氏線圈的測量范圍為±2 kA，用于測量電流幅值較小的雷電脈沖的細節(jié)波形，如IS、M分量。同軸分流器的測量范圍為±50 kA，用于測量電流幅值較大的雷電脈沖的完整波形，如回擊。這兩個測量設(shè)備采集到的連續(xù)波形經(jīng)光纖隔離采集系統(tǒng)傳輸至130 m外的控制室，由示波器的兩個通道同時進行采樣，2018年采樣率為5 MHz，2019年采樣率為50 MHz[16]，采樣時間長度都為2 s，可以滿足測量一次閃電事件的完整電流波形。圖1還給出了某次回擊的光學(xué)圖像。

圖1 試驗現(xiàn)場示意圖及設(shè)備實物圖

1.2 數(shù)據(jù)

兩年間一共進行了35次發(fā)射，詳細信息如表1所示。本試驗成功觸發(fā)了26次閃電，成功率為74%，有77%的閃電都包含回擊，共有120次回擊，每次閃電平均包含6次回擊。本文分析的所有數(shù)據(jù)均來自這26次閃電。

表1 火箭引雷事件信息表

2 雷電流波形特征分析

2.1 波形參數(shù)定義

本文測得的典型火箭引雷電流波形如圖2所示，包含IS、RS、M分量3種類型的波形。此次閃電事件包含一次回擊，回擊后連續(xù)電流部分疊加了4次M分量。值得注意的是圖2中RS1小窗口的數(shù)據(jù)來自示波器大量程通道，圖2中其余數(shù)據(jù)來自小量程通道。

圖2 典型火箭引雷電流波形

針對這3種類型的電流波形，定義并統(tǒng)計了如下波形參數(shù)。對于IS，定義了5個參數(shù)，分別是最大電流Imax(kA)、平均電流Iave(A)、轉(zhuǎn)移電荷Q(C)、作用積分AI(103A2s)、持續(xù)時間TD(ms)。轉(zhuǎn)移電荷是電流的積分，而作用積分是電流平方的積分，其定義式分別為：

(1)

(2)

式中TD為持續(xù)時間。平均電流的定義是轉(zhuǎn)移電荷與持續(xù)時間的比，即

(3)

對于RS，定義的7個參數(shù)分別是峰值電流IP(kA)、10%～90%上升時間T10～90(μs)、半寬時間THPW(μs)、回擊間隔時間TIN(ms)、1 ms轉(zhuǎn)移電荷Q1 ms(C)、1 ms作用積分AI1 ms(103A2s)、最大上升速率Smax(kA/μs)。部分參數(shù)的定義方法如圖3所示：T10～90是圖中10%與90%處的時間間隔，TIN是兩次相鄰回擊的時間間隔，Q1 ms、AI1 ms的定義方法與式(1)、式(2)一致，不過其積分區(qū)間是回擊開始至回擊開始后1 ms。

圖3 RS電流波形參數(shù)定義

對于M分量，定義的5個參數(shù)分別是峰值電流IP(kA)、10%～90%上升時間T10～90(μs)、半寬時間THPW(μs)、持續(xù)時間TD(μs)、轉(zhuǎn)移電荷Q(C)。M分量的起始點被定義為明顯區(qū)分于背景電流的“轉(zhuǎn)折點”，結(jié)束點被定義為M分量后沿與起始點電流水平相同的點。圖2中M1的結(jié)束點無法確定，因為M2的出現(xiàn)影響了M1的后沿。此時，將M2的起始點定義為M1的結(jié)束點，這樣的定義會使得M1持續(xù)時間和轉(zhuǎn)移電荷的統(tǒng)計結(jié)果比實際的略微偏小。類似于M1這樣的后沿被影響的M分量并不多，對整體統(tǒng)計結(jié)果影響并不大。

2.2 IS電流波形參數(shù)

IS電流波形參數(shù)分布如圖4所示，統(tǒng)計結(jié)果見表2。IS最大電流往往由疊加的初始連續(xù)電流脈沖(initial continuing current pulse，ICCP)決定，可達數(shù)千安。這里其算術(shù)平均值和幾何平均值分別為0.8和0.6 kA，最大值為3.0 kA。

圖4 IS電流波形參數(shù)分布

IS平均電流的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是64.9和56.2 A，最大值不超過150 A。雖然平均電流不大，但是IS的持續(xù)時間很長，其算術(shù)平均值和幾何平均值分別為300.7和267.1 ms，最大值甚至超過500 ms。長持續(xù)時間會使得IS的轉(zhuǎn)移電荷比較大，其算術(shù)平均值和幾何平均值分別為21.5和15.0 C, 遠大于單個回擊轉(zhuǎn)移的電荷(見2.3節(jié))。作用積分代表了IS電流的電阻性能量，其算術(shù)平均值和幾何平均值分別是3.8×103和1.5×103A2s。

表2總結(jié)了文獻中引雷至地面的數(shù)據(jù)，本文IS的最大電流、平均電流、轉(zhuǎn)移電荷和動作積分都明顯小于Zheng等[5]、Wang等[3]和Miki等[2]統(tǒng)計的結(jié)果，持續(xù)時間則差別不大，因為配電線路會明顯降低閃電IS階段的電流幅值[17]。

表2 IS電流波形參數(shù)

2.3 RS電流波形參數(shù)

RS電流波形參數(shù)分布如圖5所示，統(tǒng)計結(jié)果及文獻中結(jié)果見表3，其中Schoene等[11]的結(jié)果來自引雷至配電線路的情況。由圖5可以看出雷電流的大多數(shù)波形參數(shù)都呈對數(shù)正態(tài)分布，這與文獻中的結(jié)果一致[18]。

表3 RS電流波形參數(shù)

RS峰值電流是雷電流的重要參數(shù)，本文測得的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是18.0 和16.4 kA，范圍為3.3 kA至42.5 kA。分布最多的區(qū)間是10～15 kA，占32.9%，72.9%的RS峰值電流都分布在10～25 kA。不同文獻報道的火箭觸發(fā)閃電的回擊電流峰值差別不大，幾何平均值均在10～20 kA之間。本文結(jié)果與Zhang等[19]的結(jié)果十分接近。

10%～90%上升時間反映了RS電流波形上升的快慢。從圖5(b)可以看出，絕大多數(shù)(95.7%)RS的上升時間都小于1 μs，并且集中分布于0.4～0.6 μs區(qū)間，占比67.1%。回擊10%～90%上升時間的算術(shù)平均值、幾何平均值以及中位數(shù)都是0.6 μs，最小值只有0.15 μs。本文測得的RS電流10%～90%上升時間與Fisher等[7]、Zhang等[19]測得的結(jié)果接近，比Schoene等[11]測得的結(jié)果小，所有統(tǒng)計結(jié)果都顯示RS電流的上升時間很短。

圖5 RS電流波形參數(shù)分布

半寬時間往往用來表征脈沖的寬度。本文測得的RS半寬時間的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是12.0和6.8 μs，分布范圍較大，最小值0.8 μs，而最大值可達94.5 μs。分布最多的區(qū)間是0～3 μs，占比32.9%。大多數(shù)RS(50/70)的半寬時間都小于9 μs。本文測得的半寬時間與其它文獻的結(jié)果相比，總體上偏小。

回擊間隔時間可以反映云層放電后電荷重新積累的速度，其算術(shù)平均值和幾何平均值分別為65.1和41.9 ms。大部分回擊的間隔時間都分布在0～60 μs，占比63.0%。值得注意的是RS間隔時間最小值只有2.4 ms，最大值可達387.1 ms。表明兩次相鄰回擊可能接連發(fā)生，也可能相隔很久，其原因可能與云層電荷分布有關(guān)。本文的回擊間隔時間與Fisher等[7]、Zheng等[5]測得的數(shù)據(jù)接近。

統(tǒng)計RS轉(zhuǎn)移電荷的一個重要目的是估算閃電先導(dǎo)攜帶的電荷。由于連續(xù)電流的存在，RS電流波形的下降沿可能持續(xù)很長時間，所以計算轉(zhuǎn)移電荷和作用積分時積分區(qū)間取回擊開始后1 ms內(nèi)。本文測得的回擊1 ms轉(zhuǎn)移電荷的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是1.5和1.1 C，與2.2節(jié)中IS的轉(zhuǎn)移電荷相比，明顯偏小。如果按每次閃電包含6次回擊(見表1)來計算，可以發(fā)現(xiàn)IS轉(zhuǎn)移的電荷甚至比后續(xù)所有回擊轉(zhuǎn)移的電荷之和都要多。回擊1 ms轉(zhuǎn)移電荷分布最多的區(qū)間是0.4～0.8 C，占比30%。本文的回擊1 ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷與Schoene等[11]測得的結(jié)果很一致，略低于Zhang等[19]測得的結(jié)果。

回擊1 ms作用積分可用來評估雷電流對電力設(shè)備的危害，算術(shù)平均值和幾何平均值分別是7.8×103A2s與3.5×103A2s，大于IS的作用積分。44.3%的回擊1 ms作用積分小于3×103A2s。本文的回擊1 ms作用積分小于Zhang等[19]測得的結(jié)果。

最大上升速率對電力系統(tǒng)雷電防護設(shè)計有意義，其算術(shù)平均值和幾何平均值分別是62.2和55.3 kA/μs，最大值可達149.8 kA/μs。分布最多的區(qū)間是45～60 kA/μs，占比25.7%。75.7%的RS最大上升速率分布在30～90 kA/μs。本文測得的最大上升速率與Zheng等[5]測得的結(jié)果接近。

2.4 M分量電流波形參數(shù)

M分量電流波形參數(shù)分布見圖6，統(tǒng)計結(jié)果見表4。M分量峰值電流的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是0.88和0.40 kA，遠小于RS峰值電流。54.4%的M分量峰值電流小于0.4 kA，26.2%大于1 kA，14.6%大于2 kA，最大值達到7.1 kA，與RS峰值電流相當(dāng)。

圖6 M分量電流波形參數(shù)分布

表4 M分量電流波形參數(shù)

M分量10%～90%上升時間的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是216.1和119.8 μs，遠大于RS的上升時間。23.3%的M分量10%～90%上升時間分布在60～120 μs，59.2%小于180 μs。最小值只有0.62 μs，與RS上升時間很接近。

M分量半寬時間的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是339.7和204.2 μs，遠大于RS的半寬時間。M分量半寬時間的分布規(guī)律如圖6(c)所示，呈現(xiàn)了兩個峰，第一個峰是0～80 μs，占比17.5%，第二個峰是240～320 μs，占比18.4%。這可能與M分量的峰值電流有關(guān)，大多數(shù)M分量的幅值為幾百安，但有的M分量峰值電流可達數(shù)千安。

M分量持續(xù)時間代表了這種電流脈沖的完整寬度，其算術(shù)平均值和幾何平均值分別是702.8和417.6 μs，最大值達到了毫秒級，為3 638.5 μs。68.0%的M分量持續(xù)時間小于750 μs。

M分量轉(zhuǎn)移電荷的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是0.16和0.08 C，遠小于RS的1 ms轉(zhuǎn)移電荷。但是其最大值為1.09 C，與RS轉(zhuǎn)移電荷相當(dāng)。31.1%的M分量轉(zhuǎn)移電荷小于0.05 C，73.8%的M分量轉(zhuǎn)移電荷小于0.2 C。

表4還總結(jié)了文獻中M分量的統(tǒng)計結(jié)果。本文M分量的電流峰值與Ma等[21]測得的結(jié)果很接近，明顯大于Thottappillil等[20]的結(jié)果。本文M分量上升時間、半寬時間、轉(zhuǎn)移電荷與Thottappillil等[20]、Ma等[21]測得的結(jié)果有一定差異，但基本處于同一量級。本文M分量的持續(xù)時間明顯小于Thottappillil等[20]的結(jié)果。

總的來看，M分量比RS幅值低并且變化更慢， 但是對電力系統(tǒng)雷電防護而言仍必須關(guān)注M分量。首先，有的M分量幅值大(最大值7.1 kA)、轉(zhuǎn)移電荷多(最大值1.09 C)，已經(jīng)與RS相當(dāng)。除此之外，M分量在轉(zhuǎn)移電荷中扮演了重要角色，本文70次回擊后面共有103個M分量，平均每次回擊包含1.5個M分量，單個回擊轉(zhuǎn)移電荷的幾何平均值是1.1 C，1.5個M分量轉(zhuǎn)移電荷的幾何平均值是0.12 C，即一次閃電事件中M分量轉(zhuǎn)移的電荷約為回擊轉(zhuǎn)移電荷的11%。

3 結(jié) 論

2018～2019年在廣州從化開展了國內(nèi)首次10 kV配電線路上火箭引雷試驗，試驗成功觸發(fā)26次閃電，其中包含回擊的閃電20次，總回擊數(shù)120次，每次閃電平均包含6次回擊，一次雷擊過程回擊次數(shù)最多高達13次。

統(tǒng)計分析了15次IS的最大電流、平均電流、轉(zhuǎn)移電荷、作用積分、持續(xù)時間，70次RS的峰值電流、10%～90%上升時間、半寬時間、回擊間隔時間、1 ms轉(zhuǎn)移電荷、1 ms作用積分、最大上升速率，103次M分量的峰值電流、10%～90%上升時間、半寬時間、持續(xù)時間、轉(zhuǎn)移電荷。

IS轉(zhuǎn)移的電荷遠大于單個RS轉(zhuǎn)移的電荷，甚至大于IS后續(xù)所有回擊轉(zhuǎn)移電荷之和。IS的作用積分小于單個RS的作用積分。有的M分量峰值電流大、轉(zhuǎn)移電荷多，與峰值電流小的RS相當(dāng)。平均每次回擊包含1.5個M分量，單個回擊轉(zhuǎn)移電荷的幾何平均值是1.1 C，一次閃電事件中M分量轉(zhuǎn)移的電荷約為回擊轉(zhuǎn)移電荷的11%。