基于雷电监测的高海拔地区电磁场信号传播规律研究

2020-09-18李国彬周仿荣黄然杨恩高梓瑞李志伟张国建

云南电力技术 2020年4期

李国彬，周仿荣，黄然，杨恩，高梓瑞，李志伟，张国建

（1. 云南电网有限责任公司大理供电局，云南大理 671000；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

雷电活动产生的电磁辐射场，特别是地闪电磁场辐射波的主要能量集中的低频/甚低频段的电磁场，其产生的电磁波可沿地球表面传播数百千米或更远，通过监测低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号实现对地闪的定位和监测。雷电定位系统是目前雷电探测领域最常用的监测技术手段，也是雷电科学应用最为广泛的雷电监测技术平台。

雷电定位系统一般是指在一个地区甚至一个国家的广大区域设立多个相距几十公里到几百公里的探测站，构成的广域地闪探测网，可测量雷电辐射电磁波的方向、距离、高度角等诸多物理参数，测量数据经处理可得到闪电发生的地点(坐标)、时间、辐射电磁场强度和雷电流的强度、极性、回击次数等重要雷电特征参量。

雷电定位监测技术及系统在电网中的广泛应用[1]，对雷电地闪监测、电网安全运行和故障处置、电网雷击预警起到了重要支撑作用，我国许多网省公司调度及运行部门将雷电定位监测技术及系统作为雷击故障点快速定位、雷击事故鉴别、雷电短时预警的主要技术手段。

1 广域雷电监测平台

本文研究以云南广域雷电监测平台实测地闪雷电电磁场信号特征数据为基础，借助监测系统的强大数据处理能力和海量存储能力，将分布于云南各个地区的大量原始雷电数据进行处理分析，找出雷电电磁场幅值信号在传播过程中的变化特征，完善雷电电磁波广域传播特性研究。

1.1 雷电定位系统布站原则

探测站的数量和布置，很大程度上决定了雷电定位系统的规模、探测效率和定位精度。在云南雷电定位系统探测站选址中，综合考虑到高海拔地区特有地形复杂、环境干扰严重、通信条件较差、运行维护困难等因素[2]。同时也充分虑到雷电电磁波传播特性，单个探测装置间距离控制在200 ～250 km，外围探测装置组成的多边形的对角线远大于150 km 时，在多边形内增加适当数量的探测装置，以起联络核心的作用，减少雷电信号丢失。

具体单个探测装置安装地址的选择都尽量避开了周围较高建筑物或其他遮挡物，高大遮挡物到探测站的距离大于遮挡物高出探测站的高度的30 倍（见图1），并借助数学模型进行大量模拟计算。该种布站原则可适当避免周围环境因素对雷电波形产生阻挡引起畸变。为我们深入研究雷电传播规律提供了最真实的雷电特征数据。

图1 雷电探测装置安装与高建筑物位置关系

1.2 雷电定位系统雷电探测站分布情况

云南雷电定位系统从2003 年开始分批建设投运，截止2016 年底共建有47 个雷电探测站，基本实现对全云南省的雷电监测覆盖。该系统投运至今，运行良好、数据准确，对雷电小时、雷电个数、雷电幅值、落雷密度等雷电参数的统计准确[3-4]，已逐渐成为科研人员数据积累和一线员工雷击故障查找的重要手段之一。目前云南雷电定位系统的雷电探测站分布情况、探测站名称如下图2 所示。

2 雷电电磁场信号传播特征研究

2.1 建立雷电电磁信号幅值特征统计分析方法

现阶段雷电电磁波传播特性研究主要基于理论仿真计算方法，对于实测雷电特征数据研究较少，其原因是受到以前简单的雷电监测技术手段限制，现借助广域雷电监测网累积的大量原始雷电特征数据，找出合理的统计思路，利用数据统计处理工具分析各种路径下雷电电磁波信号幅值变化特征，从数据统计角度找出雷电广域传播特性的共性，提取雷电电磁波传播规律。

通过大量数据统计表明，不同地形地貌对雷电电磁波的传播影响较大，所以在使用数据统计方法时首先对雷电原始数据按落雷区域的地形进行分类，根据地形地貌的不同分为多山、多平原等区域进行分析。并在每个地区选择具有代表性的典型雷电传播路径，以直线传播路径上多个探测站同收雷电波形作为具体分析对象，针对同收的雷电原始数据，提取电磁场峰值，根据雷电信号磁场峰值的变化来研究雷电波磁场幅值变化规律和影响因素[5]。

图2 云南雷电定位系统的雷电探测站分布图

2.2 单次雷电电磁波信号幅值传播特性

为了研究雷电电磁波信号幅值传播特性[6-7]，首先随机对单次雷电过程进行幅值分析，针对单次雷击过程，选取参与定位计算的多个雷电探测站同时接收的雷电原始数据，按照直线传播路径分析单次雷击在不同传播路径上电磁波信号幅值变化特点，分析每条路径上各探测站接收到同一雷电电磁信号的幅值大小与距雷击点距离关系及变化趋势。图3 为云南地区2016年6 月7 日一次雷击过程，按照探测站分布的直线路径将电磁波传播路径分为路径1、路径2、路径3，每条路径上各探测站接收到同一雷电信号的幅值强度与距雷击点距离如表1 所示，综合各传播路径来看，雷电电磁波幅值随着传播距离的增加有非常明显的衰减过程，其变化趋势图见图4。

图3 单次雷击过程不同直线传播路径图

表1 各探测站接收到同一雷电信号强度与距离

图4 云南地区不同传播路径磁场幅值变化

从上图4 可以看出，在约100 km 范围内，传播信号的衰减速度在各方向上没有显著的差异，但随着传输距离越远，传播信号的衰减速度与地形地貌明显相关，地形起伏越复杂，衰减速度越快。

3 多次雷电电磁波信号广域传播

针对多次地闪雷击放电电磁信号进行幅值规律统计，主要依据同一地点多次雷击放电重复传播路径的传播特性和不同雷击点不同传播路径的传播特性得出一定的统计规律。

3.1 同一地点电磁信号幅值传播规律

多次地闪雷击放电发生在不同时刻相隔距离很近的区域，在广域地面范围可以近似为同一地点，统计分析时选取了100 余条类似这样发生在同一地点的原始数据，由于文章篇幅所限，仅列出3 条同一地点不同时刻发生的雷击点时间与位置信息（见表2）雷击点分布如图5所示，3 次雷击放电电磁信号均被多个探测站同收，所有同收信号幅值与探测站距离数据详见表3、表4、表5 所示。

表2 雷击点时间与位置信息

表3 同一地点雷击点1各探测站幅值

由于每次雷电的原始磁场强度不同，为了得出统一的幅值衰减规律，将每次离雷击点最近磁场强度最大的磁场幅值记为1，对其他探测点的磁场幅值进行归“1”法处理，得出磁场换算幅值。根据各探测站雷电磁场信号的换算幅值得出总的磁场幅值变化的统计规律，同时，为对比不同地形对幅值变化趋势的影响，用同样方法选取以平原典型代表为主的江苏地区的几次的雷电数据作为对比分析，其变化详细趋势如图6。

表4 同一地点雷击点2各探测站幅值

表5 同一地点雷击点3各探测站幅值

图5 同一地点不同时刻发生的多次雷击点

图6 同一地点雷电磁场幅值变化趋势及变化率

从上图中可以明显看到：无论是云南高原山地区域或是江苏平原地区，同一地点多次雷击过程重复传播路径磁场幅值随距离增加呈衰减趋势，其中在云南山区的雷电幅值在100 km范围内衰减了约70% 左右，在200 km 处衰减约80%，200 km 以后幅值衰减变化明显放缓，200 km～500 km 范围衰减只有10%；但相比云南地区，江苏平原地区的信号衰减相对比较慢，江苏地区的雷电电磁波信号幅值在100 km 范围内仅衰减了约30% 左右，在200 km 处衰减达到80%左右，200 km 以后幅值衰减变化也放缓。

3.2 不同地点电磁信号幅值传播规律

图7 不同地点不同时刻发生的多次雷击点

在同一雷击地点相同传播路径情况下研究波形传播特性，更有利于发现统一的变化规律，但各个探测站固有测量误差也会使统计结果趋于一致，造成统计结果有所偏差不能完全反应真实的变化情况，为了避免这种误差我们又对不同雷击地点不同传播路径的同收波形数据进行了统计分析，分析结果同样以3 条雷击数据为例来说明，图7 所示为不同地点不同时刻雷击点，各雷击点产生的雷电波沿不同传播路径到达各探测点，雷击点信息如表6 所示，多站同收磁场幅值详见表7 至表9。磁场幅值归一化处理过程跟之前一致得出每个波形的换算磁场幅值作为规律分析数据源，其变化详细趋势如图8 所示。

表6 雷击点时间与位置信息

表7 不同地点雷击点1各探测站幅值

表8 不同地点雷击点2各探测站幅值

从图8 可以看出，由于是不同雷击点沿不同路径传播，同一探测站接受到的内磁场幅值基本与距离成正比，不同探测间测量误差不一致使得传播规律没有同一雷击地点重复路径明显，但其磁场波形幅值变化规律与同一地点多次雷击的变化规律大致相同，200 km 范围内磁场幅值衰减约70%～80% 左右，200 km 以内幅值衰减速度较快，200 km 以外衰减平缓。