10 kV配電線路火箭引雷試驗(yàn)及雷電流波形特征分析

蔡力， 胡強(qiáng)， 徐志凌， 汪進(jìn)鋒， 王建國(guó)

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)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(guò)去五十年里，火箭引雷(觸發(fā)閃電)技術(shù)變得越來(lái)越成熟。與觀察自然閃電相比，觀察觸發(fā)閃電的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠準(zhǔn)確地知道閃電發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間。除此之外，另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以確定被擊對(duì)象，本文研究的被擊對(duì)象是一條10 kV配電線路。

火箭引雷電流波形主要有3個(gè)部分，即初始階段(initial stage,IS)，回?fù)?return stoke,RS)，M分量[1]。火箭引雷的IS過(guò)程是自然下行地閃所不具備的，但研究火箭引雷的IS過(guò)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(guò)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(shí)了二者的相似性。Wang等[3]統(tǒng)計(jì)了37個(gè)在美國(guó)阿拉巴馬州和佛羅里達(dá)州測(cè)得的火箭引雷IS電流參數(shù)。Qie等[4]報(bào)道了在山東測(cè)得的6個(gè)IS的電流參數(shù)。Zheng等[5]報(bào)道了在廣東測(cè)得的45個(gè)IS的電流參數(shù)。

火箭引雷的回?fù)暨^(guò)程與自然閃電繼后回?fù)纛?lèi)似，文獻(xiàn)[6-8]驗(yàn)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(dá)州兩地測(cè)得的火箭引雷回?fù)綦娏?，表明Saint-Privat d′Allier的閃電強(qiáng)度比佛羅里達(dá)州的弱。Rakov等[10]認(rèn)為接地電阻對(duì)回?fù)舴逯惦娏鞯挠绊懞苄?。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(cè)得的142次火箭引雷回?fù)舻碾娏鞑ㄐ螀?shù)。

在電力系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中，M分量并沒(méi)有回?fù)裟敲词荜P(guān)注，但是由于M分量持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并且數(shù)量多，云層向地面轉(zhuǎn)移電荷時(shí)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(yáng)等[12]報(bào)道了在山東測(cè)得的10次火箭引雷回?fù)糁蟮?3次M分量的電流波形參數(shù)。張義軍等[13]報(bào)道了在廣東測(cè)得的106次火箭引雷回?fù)糁蟮?74次M分量的電流波形參數(shù)。

本文分析引雷至配電線路時(shí)的雷電流波形特征，分別統(tǒng)計(jì)初始階段、回?fù)簟分量3種電流波形的參數(shù)。這是國(guó)內(nèi)首次報(bào)道10 kV配電線路上的火箭引雷電流波形特征，對(duì)配電系統(tǒng)的雷電防護(hù)有意義。

1 10 kV配電線路火箭引雷試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)布置

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

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖及設(shè)備實(shí)物圖如圖1所示。火箭尾部連接著數(shù)百米長(zhǎng)的鋼絲，鋼絲另一端連接著引流桿，當(dāng)引雷成功時(shí)，雷電流經(jīng)引流桿流過(guò)安裝在塔發(fā)射架上的電流測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)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(cè)量裝置為羅氏線圈和1 mΩ同軸分流器，羅氏線圈的測(cè)量范圍為±2 kA，用于測(cè)量電流幅值較小的雷電脈沖的細(xì)節(jié)波形，如IS、M分量。同軸分流器的測(cè)量范圍為±50 kA，用于測(cè)量電流幅值較大的雷電脈沖的完整波形，如回?fù)?。這兩個(gè)測(cè)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(gè)通道同時(shí)進(jìn)行采樣，2018年采樣率為5 MHz，2019年采樣率為50 MHz[16]，采樣時(shí)間長(zhǎng)度都為2 s，可以滿(mǎn)足測(cè)量一次閃電事件的完整電流波形。圖1還給出了某次回?fù)舻墓鈱W(xué)圖像。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖及設(shè)備實(shí)物圖

1.2 數(shù)據(jù)

兩年間一共進(jìn)行了35次發(fā)射，詳細(xì)信息如表1所示。本試驗(yàn)成功觸發(fā)了26次閃電，成功率為74%，有77%的閃電都包含回?fù)?，共?20次回?fù)?，每次閃電平均包含6次回?fù)?。本文分析的所有?shù)據(jù)均來(lái)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(cè)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(lèi)型的波形。此次閃電事件包含一次回?fù)?，回?fù)艉筮B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(lái)自示波器大量程通道，圖2中其余數(shù)據(jù)來(lái)自小量程通道。

圖2 典型火箭引雷電流波形

針對(duì)這3種類(lèi)型的電流波形，定義并統(tǒng)計(jì)了如下波形參數(shù)。對(duì)于IS，定義了5個(gè)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(shí)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(shí)間。平均電流的定義是轉(zhuǎn)移電荷與持續(xù)時(shí)間的比，即

(3)

對(duì)于RS，定義的7個(gè)參數(shù)分別是峰值電流IP(kA)、10%～90%上升時(shí)間T10～90(μs)、半寬時(shí)間THPW(μs)、回?fù)糸g隔時(shí)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(shí)間間隔，TIN是兩次相鄰回?fù)舻臅r(shí)間間隔，Q1 ms、AI1 ms的定義方法與式(1)、式(2)一致，不過(guò)其積分區(qū)間是回?fù)糸_(kāi)始至回?fù)糸_(kāi)始后1 ms。

圖3 RS電流波形參數(shù)定義

對(duì)于M分量，定義的5個(gè)參數(shù)分別是峰值電流IP(kA)、10%～90%上升時(shí)間T10～90(μs)、半寬時(shí)間THPW(μs)、持續(xù)時(shí)間TD(μs)、轉(zhuǎn)移電荷Q(C)。M分量的起始點(diǎn)被定義為明顯區(qū)分于背景電流的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，結(jié)束點(diǎn)被定義為M分量后沿與起始點(diǎn)電流水平相同的點(diǎn)。圖2中M1的結(jié)束點(diǎn)無(wú)法確定，因?yàn)镸2的出現(xiàn)影響了M1的后沿。此時(shí)，將M2的起始點(diǎn)定義為M1的結(jié)束點(diǎn)，這樣的定義會(huì)使得M1持續(xù)時(shí)間和轉(zhuǎn)移電荷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果比實(shí)際的略微偏小。類(lèi)似于M1這樣的后沿被影響的M分量并不多，對(duì)整體統(tǒng)計(jì)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(jì)結(jié)果見(jiàn)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(dá)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(guò)150 A。雖然平均電流不大，但是IS的持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，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(guò)500 ms。長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間會(huì)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(yuǎn)大于單個(gè)回?fù)艮D(zhuǎn)移的電荷(見(jiàn)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(xiàn)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(dòng)作積分都明顯小于Zheng等[5]、Wang等[3]和Miki等[2]統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，持續(xù)時(shí)間則差別不大，因?yàn)榕潆娋€路會(huì)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(jì)結(jié)果及文獻(xiàn)中結(jié)果見(jiàn)表3，其中Schoene等[11]的結(jié)果來(lái)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(duì)數(shù)正態(tài)分布，這與文獻(xiàn)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(cè)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(xiàn)報(bào)道的火箭觸發(fā)閃電的回?fù)綦娏鞣逯挡顒e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(shí)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(shí)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%?；?fù)?0%～90%上升時(shí)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(cè)得的RS電流10%～90%上升時(shí)間與Fisher等[7]、Zhang等[19]測(cè)得的結(jié)果接近，比Schoene等[11]測(cè)得的結(jié)果小，所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果都顯示RS電流的上升時(shí)間很短。

圖5 RS電流波形參數(shù)分布

半寬時(shí)間往往用來(lái)表征脈沖的寬度。本文測(cè)得的RS半寬時(shí)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(dá)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(shí)間都小于9 μs。本文測(cè)得的半寬時(shí)間與其它文獻(xiàn)的結(jié)果相比，總體上偏小。

回?fù)糸g隔時(shí)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?fù)舻拈g隔時(shí)間都分布在0～60 μs，占比63.0%。值得注意的是RS間隔時(shí)間最小值只有2.4 ms，最大值可達(dá)387.1 ms。表明兩次相鄰回?fù)艨赡芙舆B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?fù)糸g隔時(shí)間與Fisher等[7]、Zheng等[5]測(cè)得的數(shù)據(jù)接近。

統(tǒng)計(jì)RS轉(zhuǎn)移電荷的一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間，所以計(jì)算轉(zhuǎn)移電荷和作用積分時(shí)積分區(qū)間取回?fù)糸_(kāi)始后1 ms內(nèi)。本文測(cè)得的回?fù)? 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?fù)?見(jiàn)表1)來(lái)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)IS轉(zhuǎn)移的電荷甚至比后續(xù)所有回?fù)艮D(zhuǎn)移的電荷之和都要多?；?fù)? 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?fù)? ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷與Schoene等[11]測(cè)得的結(jié)果很一致，略低于Zhang等[19]測(cè)得的結(jié)果。

回?fù)? ms作用積分可用來(lái)評(píng)估雷電流對(duì)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?fù)? ms作用積分小于3×103A2s。本文的回?fù)? ms作用積分小于Zhang等[19]測(cè)得的結(jié)果。

最大上升速率對(duì)電力系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)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(dá)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(cè)得的最大上升速率與Zheng等[5]測(cè)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(jiàn)圖6，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)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(yuǎn)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(dá)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(shí)間的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是216.1和119.8 μs，遠(yuǎn)大于RS的上升時(shí)間。23.3%的M分量10%～90%上升時(shí)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(shí)間很接近。

M分量半寬時(shí)間的算術(shù)平均值和幾何平均值分別是339.7和204.2 μs，遠(yuǎn)大于RS的半寬時(shí)間。M分量半寬時(shí)間的分布規(guī)律如圖6(c)所示，呈現(xiàn)了兩個(gè)峰，第一個(gè)峰是0～80 μs，占比17.5%，第二個(gè)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(dá)數(shù)千安。

M分量持續(xù)時(shí)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(dá)到了毫秒級(jí)，為3 638.5 μs。68.0%的M分量持續(xù)時(shí)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(yuǎn)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(xiàn)中M分量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。本文M分量的電流峰值與Ma等[21]測(cè)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(shí)間、半寬時(shí)間、轉(zhuǎn)移電荷與Thottappillil等[20]、Ma等[21]測(cè)得的結(jié)果有一定差異，但基本處于同一量級(jí)。本文M分量的持續(xù)時(shí)間明顯小于Thottappillil等[20]的結(jié)果。

總的來(lái)看，M分量比RS幅值低并且變化更慢， 但是對(duì)電力系統(tǒng)雷電防護(hù)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?fù)艉竺婀灿?03個(gè)M分量，平均每次回?fù)舭?.5個(gè)M分量，單個(gè)回?fù)艮D(zhuǎn)移電荷的幾何平均值是1.1 C，1.5個(gè)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?fù)艮D(zhuǎn)移電荷的11%。

3 結(jié) 論

2018～2019年在廣州從化開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首次10 kV配電線路上火箭引雷試驗(yàn)，試驗(yàn)成功觸發(fā)26次閃電，其中包含回?fù)舻拈W電20次，總回?fù)魯?shù)120次，每次閃電平均包含6次回?fù)簦淮卫讚暨^(guò)程回?fù)舸螖?shù)最多高達(dá)13次。

統(tǒng)計(jì)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(shí)間，70次RS的峰值電流、10%～90%上升時(shí)間、半寬時(shí)間、回?fù)糸g隔時(shí)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(shí)間、半寬時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、轉(zhuǎn)移電荷。

IS轉(zhuǎn)移的電荷遠(yuǎn)大于單個(gè)RS轉(zhuǎn)移的電荷，甚至大于IS后續(xù)所有回?fù)艮D(zhuǎn)移電荷之和。IS的作用積分小于單個(gè)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?fù)舭?.5個(gè)M分量，單個(gè)回?fù)艮D(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?fù)艮D(zhuǎn)移電荷的11%。