10 kV配电线路火箭引雷试验及雷电流波形特征分析

蔡力， 胡强， 徐志凌， 汪进锋， 王建国

(1.武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072； 2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510000)

0 引 言

在过去五十年里，火箭引雷(触发闪电)技术变得越来越成熟。与观察自然闪电相比，观察触发闪电的一个显著优势是能够准确地知道闪电发生的地点和时间。除此之外，另一个优势是可以确定被击对象，本文研究的被击对象是一条10 kV配电线路。

火箭引雷电流波形主要有3个部分，即初始阶段(initial stage,IS)，回击(return stoke,RS)，M分量[1]。火箭引雷的IS过程是自然下行地闪所不具备的，但研究火箭引雷的IS过程可以帮助我们理解高大结构(如高塔、输电线路)上始发的自然上行闪电。Miki等[2]通过比较火箭引雷的IS电流参数和高塔上自然上行闪电的电流参数，证实了二者的相似性。Wang等[3]统计了37个在美国阿拉巴马州和佛罗里达州测得的火箭引雷IS电流参数。Qie等[4]报道了在山东测得的6个IS的电流参数。Zheng等[5]报道了在广东测得的45个IS的电流参数。

火箭引雷的回击过程与自然闪电继后回击类似，文献[6-8]验证了二者电流参数的相似性。Depasse[9]比较了在Saint-Privat d′Allier与佛罗里达州两地测得的火箭引雷回击电流，表明Saint-Privat d′Allier的闪电强度比佛罗里达州的弱。Rakov等[10]认为接地电阻对回击峰值电流的影响很小。Schoene等[11]比较了引雷至地面和引雷至配电线路的电流波形。Zheng等[5]介绍了2008～2016年在广东测得的142次火箭引雷回击的电流波形参数。

在电力系统雷电防护设计中，M分量并没有回击那么受关注，但是由于M分量持续时间长并且数量多，云层向地面转移电荷时M分量也扮演了重要角色，所以十分有必要关注M分量的电流波形参数。赵阳等[12]报道了在山东测得的10次火箭引雷回击之后的33次M分量的电流波形参数。张义军等[13]报道了在广东测得的106次火箭引雷回击之后的374次M分量的电流波形参数。

本文分析引雷至配电线路时的雷电流波形特征，分别统计初始阶段、回击、M分量3种电流波形的参数。这是国内首次报道10 kV配电线路上的火箭引雷电流波形特征，对配电系统的雷电防护有意义。

1 10 kV配电线路火箭引雷试验

1.1 试验布置

2018～2019年夏季，武汉大学雷电防护与接地技术教育部工程研究中心与广东电科院、中国气象科学研究院合作，在广州从化进行了配电线路火箭引雷试验[14]。

试验现场示意图及设备实物图如图1所示。火箭尾部连接着数百米长的钢丝，钢丝另一端连接着引流杆，当引雷成功时，雷电流经引流杆流过安装在塔发射架上的电流测量装置，随后流入10 kV配电线路的一相。此配电线路高10 m，塔距70 m，总长度约为1.5 km，不带电[15]。线路共包含22基杆塔，杆塔接地方式为垂直接地，接地极长2.5 m，直径为20 mm，这22基杆塔冲击接地电阻的范围是3.1～22.0 Ω，与雷电流注入点最近的两基杆塔的冲击接地电阻分别是8.0 Ω与6.3 Ω。电流测量装置为罗氏线圈和1 mΩ同轴分流器，罗氏线圈的测量范围为±2 kA，用于测量电流幅值较小的雷电脉冲的细节波形，如IS、M分量。同轴分流器的测量范围为±50 kA，用于测量电流幅值较大的雷电脉冲的完整波形，如回击。这两个测量设备采集到的连续波形经光纤隔离采集系统传输至130 m外的控制室，由示波器的两个通道同时进行采样，2018年采样率为5 MHz，2019年采样率为50 MHz[16]，采样时间长度都为2 s，可以满足测量一次闪电事件的完整电流波形。图1还给出了某次回击的光学图像。

图1 试验现场示意图及设备实物图

1.2 数据

两年间一共进行了35次发射，详细信息如表1所示。本试验成功触发了26次闪电，成功率为74%，有77%的闪电都包含回击，共有120次回击，每次闪电平均包含6次回击。本文分析的所有数据均来自这26次闪电。

表1 火箭引雷事件信息表

2 雷电流波形特征分析

2.1 波形参数定义

本文测得的典型火箭引雷电流波形如图2所示，包含IS、RS、M分量3种类型的波形。此次闪电事件包含一次回击，回击后连续电流部分叠加了4次M分量。值得注意的是图2中RS1小窗口的数据来自示波器大量程通道，图2中其余数据来自小量程通道。

图2 典型火箭引雷电流波形

针对这3种类型的电流波形，定义并统计了如下波形参数。对于IS，定义了5个参数，分别是最大电流Imax(kA)、平均电流Iave(A)、转移电荷Q(C)、作用积分AI(103A2s)、持续时间TD(ms)。转移电荷是电流的积分，而作用积分是电流平方的积分，其定义式分别为：

(1)

(2)

式中TD为持续时间。平均电流的定义是转移电荷与持续时间的比，即

(3)

对于RS，定义的7个参数分别是峰值电流IP(kA)、10%～90%上升时间T10～90(μs)、半宽时间THPW(μs)、回击间隔时间TIN(ms)、1 ms转移电荷Q1 ms(C)、1 ms作用积分AI1 ms(103A2s)、最大上升速率Smax(kA/μs)。部分参数的定义方法如图3所示：T10～90是图中10%与90%处的时间间隔，TIN是两次相邻回击的时间间隔，Q1 ms、AI1 ms的定义方法与式(1)、式(2)一致，不过其积分区间是回击开始至回击开始后1 ms。

图3 RS电流波形参数定义

对于M分量，定义的5个参数分别是峰值电流IP(kA)、10%～90%上升时间T10～90(μs)、半宽时间THPW(μs)、持续时间TD(μs)、转移电荷Q(C)。M分量的起始点被定义为明显区分于背景电流的“转折点”，结束点被定义为M分量后沿与起始点电流水平相同的点。图2中M1的结束点无法确定，因为M2的出现影响了M1的后沿。此时，将M2的起始点定义为M1的结束点，这样的定义会使得M1持续时间和转移电荷的统计结果比实际的略微偏小。类似于M1这样的后沿被影响的M分量并不多，对整体统计结果影响并不大。

2.2 IS电流波形参数

IS电流波形参数分布如图4所示，统计结果见表2。IS最大电流往往由叠加的初始连续电流脉冲(initial continuing current pulse，ICCP)决定，可达数千安。这里其算术平均值和几何平均值分别为0.8和0.6 kA，最大值为3.0 kA。

图4 IS电流波形参数分布

IS平均电流的算术平均值和几何平均值分别是64.9和56.2 A，最大值不超过150 A。虽然平均电流不大，但是IS的持续时间很长，其算术平均值和几何平均值分别为300.7和267.1 ms，最大值甚至超过500 ms。长持续时间会使得IS的转移电荷比较大，其算术平均值和几何平均值分别为21.5和15.0 C, 远大于单个回击转移的电荷(见2.3节)。作用积分代表了IS电流的电阻性能量，其算术平均值和几何平均值分别是3.8×103和1.5×103A2s。

表2总结了文献中引雷至地面的数据，本文IS的最大电流、平均电流、转移电荷和动作积分都明显小于Zheng等[5]、Wang等[3]和Miki等[2]统计的结果，持续时间则差别不大，因为配电线路会明显降低闪电IS阶段的电流幅值[17]。

表2 IS电流波形参数

2.3 RS电流波形参数

RS电流波形参数分布如图5所示，统计结果及文献中结果见表3，其中Schoene等[11]的结果来自引雷至配电线路的情况。由图5可以看出雷电流的大多数波形参数都呈对数正态分布，这与文献中的结果一致[18]。

表3 RS电流波形参数

RS峰值电流是雷电流的重要参数，本文测得的算术平均值和几何平均值分别是18.0 和16.4 kA，范围为3.3 kA至42.5 kA。分布最多的区间是10～15 kA，占32.9%，72.9%的RS峰值电流都分布在10～25 kA。不同文献报道的火箭触发闪电的回击电流峰值差别不大，几何平均值均在10～20 kA之间。本文结果与Zhang等[19]的结果十分接近。

10%～90%上升时间反映了RS电流波形上升的快慢。从图5(b)可以看出，绝大多数(95.7%)RS的上升时间都小于1 μs，并且集中分布于0.4～0.6 μs区间，占比67.1%。回击10%～90%上升时间的算术平均值、几何平均值以及中位数都是0.6 μs，最小值只有0.15 μs。本文测得的RS电流10%～90%上升时间与Fisher等[7]、Zhang等[19]测得的结果接近，比Schoene等[11]测得的结果小，所有统计结果都显示RS电流的上升时间很短。

图5 RS电流波形参数分布

半宽时间往往用来表征脉冲的宽度。本文测得的RS半宽时间的算术平均值和几何平均值分别是12.0和6.8 μs，分布范围较大，最小值0.8 μs，而最大值可达94.5 μs。分布最多的区间是0～3 μs，占比32.9%。大多数RS(50/70)的半宽时间都小于9 μs。本文测得的半宽时间与其它文献的结果相比，总体上偏小。

回击间隔时间可以反映云层放电后电荷重新积累的速度，其算术平均值和几何平均值分别为65.1和41.9 ms。大部分回击的间隔时间都分布在0～60 μs，占比63.0%。值得注意的是RS间隔时间最小值只有2.4 ms，最大值可达387.1 ms。表明两次相邻回击可能接连发生，也可能相隔很久，其原因可能与云层电荷分布有关。本文的回击间隔时间与Fisher等[7]、Zheng等[5]测得的数据接近。

统计RS转移电荷的一个重要目的是估算闪电先导携带的电荷。由于连续电流的存在，RS电流波形的下降沿可能持续很长时间，所以计算转移电荷和作用积分时积分区间取回击开始后1 ms内。本文测得的回击1 ms转移电荷的算术平均值和几何平均值分别是1.5和1.1 C，与2.2节中IS的转移电荷相比，明显偏小。如果按每次闪电包含6次回击(见表1)来计算，可以发现IS转移的电荷甚至比后续所有回击转移的电荷之和都要多。回击1 ms转移电荷分布最多的区间是0.4～0.8 C，占比30%。本文的回击1 ms内转移电荷与Schoene等[11]测得的结果很一致，略低于Zhang等[19]测得的结果。

回击1 ms作用积分可用来评估雷电流对电力设备的危害，算术平均值和几何平均值分别是7.8×103A2s与3.5×103A2s，大于IS的作用积分。44.3%的回击1 ms作用积分小于3×103A2s。本文的回击1 ms作用积分小于Zhang等[19]测得的结果。

最大上升速率对电力系统雷电防护设计有意义，其算术平均值和几何平均值分别是62.2和55.3 kA/μs，最大值可达149.8 kA/μs。分布最多的区间是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。本文测得的最大上升速率与Zheng等[5]测得的结果接近。

2.4 M分量电流波形参数

M分量电流波形参数分布见图6，统计结果见表4。M分量峰值电流的算术平均值和几何平均值分别是0.88和0.40 kA，远小于RS峰值电流。54.4%的M分量峰值电流小于0.4 kA，26.2%大于1 kA，14.6%大于2 kA，最大值达到7.1 kA，与RS峰值电流相当。

图6 M分量电流波形参数分布

表4 M分量电流波形参数

M分量10%～90%上升时间的算术平均值和几何平均值分别是216.1和119.8 μs，远大于RS的上升时间。23.3%的M分量10%～90%上升时间分布在60～120 μs，59.2%小于180 μs。最小值只有0.62 μs，与RS上升时间很接近。

M分量半宽时间的算术平均值和几何平均值分别是339.7和204.2 μs，远大于RS的半宽时间。M分量半宽时间的分布规律如图6(c)所示，呈现了两个峰，第一个峰是0～80 μs，占比17.5%，第二个峰是240～320 μs，占比18.4%。这可能与M分量的峰值电流有关，大多数M分量的幅值为几百安，但有的M分量峰值电流可达数千安。

M分量持续时间代表了这种电流脉冲的完整宽度，其算术平均值和几何平均值分别是702.8和417.6 μs，最大值达到了毫秒级，为3 638.5 μs。68.0%的M分量持续时间小于750 μs。

M分量转移电荷的算术平均值和几何平均值分别是0.16和0.08 C，远小于RS的1 ms转移电荷。但是其最大值为1.09 C，与RS转移电荷相当。31.1%的M分量转移电荷小于0.05 C，73.8%的M分量转移电荷小于0.2 C。

表4还总结了文献中M分量的统计结果。本文M分量的电流峰值与Ma等[21]测得的结果很接近，明显大于Thottappillil等[20]的结果。本文M分量上升时间、半宽时间、转移电荷与Thottappillil等[20]、Ma等[21]测得的结果有一定差异，但基本处于同一量级。本文M分量的持续时间明显小于Thottappillil等[20]的结果。

总的来看，M分量比RS幅值低并且变化更慢， 但是对电力系统雷电防护而言仍必须关注M分量。首先，有的M分量幅值大(最大值7.1 kA)、转移电荷多(最大值1.09 C)，已经与RS相当。除此之外，M分量在转移电荷中扮演了重要角色，本文70次回击后面共有103个M分量，平均每次回击包含1.5个M分量，单个回击转移电荷的几何平均值是1.1 C，1.5个M分量转移电荷的几何平均值是0.12 C，即一次闪电事件中M分量转移的电荷约为回击转移电荷的11%。

3 结 论

2018～2019年在广州从化开展了国内首次10 kV配电线路上火箭引雷试验，试验成功触发26次闪电，其中包含回击的闪电20次，总回击数120次，每次闪电平均包含6次回击，一次雷击过程回击次数最多高达13次。

统计分析了15次IS的最大电流、平均电流、转移电荷、作用积分、持续时间，70次RS的峰值电流、10%～90%上升时间、半宽时间、回击间隔时间、1 ms转移电荷、1 ms作用积分、最大上升速率，103次M分量的峰值电流、10%～90%上升时间、半宽时间、持续时间、转移电荷。

IS转移的电荷远大于单个RS转移的电荷，甚至大于IS后续所有回击转移电荷之和。IS的作用积分小于单个RS的作用积分。有的M分量峰值电流大、转移电荷多，与峰值电流小的RS相当。平均每次回击包含1.5个M分量，单个回击转移电荷的几何平均值是1.1 C，一次闪电事件中M分量转移的电荷约为回击转移电荷的11%。