《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》是國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司；國網電力科學研究院於2011年09月14日申請的專利； 該專利的公布號為CN102426301A，授權公布日為2012年4月25日，發明人是谷山強； 郭鈞天；馮萬興； 向念文； 趙淳； 王海濤； 陳誠。
《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》是一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法，其採用（1）大氣電場儀探測輸電線路附近存在雷雲電場，啟動預警程式；（2）查詢當前時刻之前一段時間的雷電發生信息；為輸電線路設定不同距離的緩衝區，輸出雷擊預警信息；（3）根據輸電線路耐雷參數確定發生雷擊閃絡的危險雷電流範圍；查詢從預警開始到當前時刻的雷電發生信息，用雷擊閃絡風險評估程式，確定符合危險雷電流範圍的雷電數量，計算該雷電數量與雷電發生總量的比值；（4）若比值大於0，則發出預警信息，然後轉入步驟（5）；若比值為0，則不發出預警信息，轉入步驟（5）；（5）如探測到輸電線路附近雷雲電場未消失，則轉到步驟（2）；如探測到輸電線路附近雷雲電場消失，則結束預警程式。
2017年12月11日，《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》獲得第十九屆中國專利金獎。
基本介紹
- 中文名：一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法
- 公告號：CN102426301A
- 地 址：430074湖北省武漢市洪山區珞瑜路143號
- 授權日：2012年4月25
- 發明人：谷山強; 郭鈞天; 馮萬興; 向念文; 趙淳; 王海濤; 陳誠
- 申請號：2011102703949
- Int.Cl.：G01R29/12(2006.01)I; G01R19/17(2006.01)I
- 申請日：2011年09月14日
- 代理機構：湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
- 申請人：國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司; 國網電力科學研究院
- 代理人：李雙全
- 類 別：發明專利
專利背景,技術領域,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,實施方式,權利要求,榮譽表彰,
專利背景
雷擊會造成的直接損失和間接影響都很大。2011年以前的雷電預警方法及系統，主要是利用大氣電場探測設備、雷電探測設備和氣象探測系統對雷雲的運動趨勢進行判斷，根據雷雲臨近的程度發出預警，其主要不足在於，只是對一定區域在未來的時間段內發生雷電可能性的預警，而沒有針對具體的被保護對象的耐雷能力進行遭受雷擊後導致產生損害可能性的預警。架空輸電線路具有一定的耐雷能力，只有雷電流強度達到某一定值，其所產生在一定範圍內的雷擊才可能導致架空輸電線路發生雷擊閃絡。
中國專利文獻（專利號03218711.4）公開的《簡易型雷暴預警裝置》，主要由垂直天線振子、雙通道接收機、大氣平均電場儀、連線電纜及數據採集處理器構成，據該專利文獻介紹，其能探測50千米範圍內雷暴產生的大氣電場強度及閃電放電次數，監測雷暴的發展活動。申請人發現，該裝置存在明顯的不足：只能監測雷暴的發展活動，無法給出地閃活動的強度，也沒有考慮具體被保護對象的耐雷能力，其產生的後果是無法對架空輸電線路雷擊閃絡進行有效的預警。
中國專利文獻公開的《區域性雷電預警方法》（申請號200310116065.4）提出：首先根據大氣電場儀確定在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的電場，然後，利用甚高頻接收機監測在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的甚高頻電磁輻射波，最後，在同時監測到雷雨雲產生的電場和甚高頻輻射波的情況下發出雷電報警。該方法是為了克服甚高頻雲閃多站定位系統的設備複雜、成本高、且採用干涉法定位存在相位模糊性的缺點，以及大氣電場儀會出現虛報的不足而提出的。其構想是有一定的可行性，但存在的不足是：沒有針對特定的被保護對象，以及沒有考慮具體被保護對象的耐雷能力，因而無法實現對架空輸電線路發生雷擊閃絡的可能性進行有效的預警。
技術領域
《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》涉及輸電線路雷擊預警方法，該發明適用於電力系統110千伏以上電壓等級的架空輸電線路雷擊閃絡預警。
發明內容
專利目的
《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》目的是針對2011年以前技術的不足，進行改進，提出並研究一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法。
技術方案
《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》發明的技術解決方案是，採用大氣電場儀探測輸電線路附近選定或確定範圍內的雷電電場，運用雷電定位系統收集的雷電發生信息，以危險雷電流為依據，對輸電線路雷擊閃絡進行預警，其特徵在於，採用預警程式對輸電線路雷擊閃絡進行預警，預警程式包括輸電線路雷擊預警程式、電網雷擊閃絡風險評估程式，對輸電線路雷擊閃絡進行預警的基本步驟如下：
（1）採用大氣電場儀探測輸電線路附近是否存在雷雲電場，在確定輸電線路附近存在雷雲電場後啟動輸電線路雷擊預警程式。
（2）在輸電線路附近選定或確定的範圍內，根據雷電定位系統收集的雷電發生信息，查詢當前時刻之前一段時間內的雷電發生信息；為輸電線路設定不同距離的緩衝區，確定包含查詢結果中任一雷電的最小緩衝區；並以該緩衝區大小確定雷擊預警級別，輸出雷擊預警級別信息。
（3）根據輸電線路的耐雷參數確定可使其發生雷擊閃絡的危險雷電流範圍；根據雷電定位系統收集的雷電發生信息，在輸電線路附近一定範圍內查詢從預警開始到當前時刻的雷電發生信息，啟動電網雷擊閃絡風險評估程式，將查詢到的雷電信息採用電網雷擊閃絡風險評估程式進行處理，以雷電流為依據實時確定符合危險雷電流範圍的雷電發生數量，並計算該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值。
（4）若基本步驟（3）中該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值大於0，則以該比值為預警值發出預警信息，然後轉入步驟（5）；若基本步驟（3）中該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值為0，則不發出預警信息，然後轉入步驟（5）。
（5）如果大氣電場儀探測到輸電線路附近雷雲電場未消失，則轉到步驟（2）；如果大氣電場儀探測到輸電線路附近雷雲電場消失，則結束此次預警，並結束電網雷擊閃絡風險評估程式和輸電線路雷擊預警程式。其特徵在於，雷擊預警級別信息包括有紅色警報、黃色警報、藍色警報三個等級的信息。其特徵在於，大氣電場儀探測輸電線路附近是否存在雷雲電場需要給大氣電場儀設定確定雷雲電場存在的閾值。其特徵在於，大氣電場儀判斷雷雲電場存在的閾值是根據不同地區在標準測量狀態下（平原，平地，無尖端效應）有雷電發生情況下的最小場強絕對值設定的。其特徵在於，給大氣電場儀設定確定雷雲電場存在的閾值為±0.4千伏/米。
《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》發明的優點是，構想合理，簡便可行，具有很好的操作性和實用性。通過利用大氣電場儀探測到的雷雲電場存在的實際情況和雷電定位系統獲取雷電發生信息，啟動輸電線路雷擊預警程式，並針對架空輸電線路這一特定保護對象，同時考慮輸電線路耐雷能力，實現架空輸電線路雷擊閃絡現象的有效預警。該發明通過大氣電場儀探測並確定被保護區域輸電線路附近是否存在雷雲感應的電場，以啟動利用雷電監測網中的輸電線路雷擊預警程式進行被保護區域已發生地閃的查詢，統計區域內從預警開始到當前時刻危險電流範圍內的雷電數量比率，並依據該比率發出該線路雷擊閃絡預警信息，其結果是，能很好地解決目前雷電預警中存在的“只能監測雷暴的發展活動，無法給出地閃活動的強度，沒有考慮具體被保護對象的耐雷能力，無法對架空輸電線路雷擊閃絡進行預警的問題”。
附圖說明
圖1、採用的預警步驟示意原理圖。
圖2、採用大氣電場儀監測結果示意圖。
實施方式
根據附圖詳細描述該發明的實施例。如圖1圖2所示，該發明採用大氣電場儀探測輸電線路附近選定或確定範圍內的雷電電場，運用雷電定位系統收集的雷電發生信息，以危險雷電流為依據，對輸電線路雷擊閃絡進行預警，採用預警程式對輸電線路雷擊閃絡進行預警，預警程式包括輸電線路雷擊預警程式、電網雷擊閃絡風險評估程式。下面是該發明針對2009年3月20日所發生的一次雷暴過程進行輸電線路雷擊閃絡預警試驗。採用以220千伏架空輸電線路一個檔距為預警實例。該發明具體實施時，按照以下步驟進行：
第一步，開啟該輸電線路附近的大氣電場儀，探測線路附近存在的雷雲電場，運用雷電定位系統獲取和收集雷電發生信息。大氣電場儀探測輸電線路附近是否存在雷雲電場需要給大氣電場儀設定確定雷雲電場存在的閾值。須知，大氣電場儀判斷雷雲電場存在的閾值是根據不同地區在標準測量狀態下（平原，平地，無尖端效應）有雷電發生情況下的最小場強絕對值設定的。通常，給大氣電場儀設定確定雷雲電場存在的閾值為±0.4千伏/米。在該實例中，設定該大氣電場儀確定雷雲電場存在的閾值為4千伏/米。圖2給出的大氣電場儀監測結果表明，根據當時大氣電場儀實時監測值已經超過閾值，這說明在該輸電線路附近存在雷雲電場，在確定該輸電線路附近確實存在雷雲電場後，啟動輸電線路雷擊預警程式，啟動時間在07:05。
第二步，根據雷電定位系統查找輸電線路附近選定或確定的範圍內雷電發生信息，給出雷擊預警級別信息。具體做法是，根據雷電定位系統在輸電線路該檔距附近30千米範圍內查詢當前時刻近10分鐘內的雷電發生信息。為輸電線路設定不同距離的緩衝區，在此實例中設定線路10千米、20千米、30千米範圍內三個緩衝區。然後，確定包含查詢結果中任一雷電的最小緩衝區，即按從小到大順序，依次在10千米、20千米、30千米範圍查找雷電，只要在某個範圍內查找到雷電則停止後續查找，並以該緩衝區大小等級確定雷擊預警級別（在此例中三個等級對應關係為10千米-紅色警報，20千米-黃色警報，30千米-藍色警報），輸出雷擊預警級別信息。
第三步，根據雷電定位系統查詢距離該檔距30千米範圍內從預警開始到當前時刻的雷電發生信息，實時查詢結果匯總如表1所示。
表1：雷電定位系統監測信息。
序號 | 時間 | 雷電流/安培 | 距離/米 |
1 | 2009-03-20 06:54:09.0041 | -41.5 | 22,737 |
2 | 2009-03-20 07:04:31.1479 | -26.5 | 25,820 |
3 | 2009-03-20 07:05:29.1966 | -46.4 | 27,453 |
4 | 2009-03-20 07:07:23.3268 | -30.2 | 26,288 |
5 | 2009-03-20 07:07:23.3728 | -22.1 | 25,236 |
6 | 2009-03-20 07:08:28.8826 | -16.0 | 12,782 |
7 | 2009-03-20 07:12:13.2785 | -18.7 | 11,954 |
8 | 2009-03-20 07:12:13.2785 | -17.4 | 27,789 |
9 | 2009-03-20 07:25:08.7885 | -164.3 | 19,207 |
10 | 2009-03-20 07:26:55.2207 | -145.6 | 25,494 |
11 | 2009-03-20 07:27:40.6406 | -69.4 | 27,242 |
12 | 2009-03-20 07:27:40.6915 | -48.5 | 25,162 |
13 | 2009-03-20 07:27:40.7122 | -47.5 | 24,456 |
14 | 2009-03-20 07:28:52.0518 | -79.0 | 26,545 |
15 | 2009-03-20 07:28:52.1084 | -29.1 | 26,400 |
16 | 2009-03-20 07:30:20.8711 | -163.4 | 17,302 |
17 | 2009-03-20 07:30:20.8907 | -54.0 | 17,942 |
18 | 2009-03-20 07:30:20.9078 | -41.2 | 17,937 |
19 | 2009-03-20 07:30:20.9204 | -16.1 | 17,808 |
20 | 2009-03-20 07:31:22.5764 | -36.8 | 17,620 |
21 | 2009-03-20 07:31:22.5975 | -14.0 | 24,717 |
22 | 2009-03-20 07:35:12.6383 | -41.6 | 24,175 |
23 | 2009-03-20 07:35:12.6787 | -30.4 | 24,852 |
24 | 2009-03-20 07:39:01.5846 | -14.0 | 19,609 |
25 | 2009-03-20 07:41:11.0947 | -24.0 | 22,200 |
26 | 2009-03-20 707:41:11.3520 | -10.3 | 21,458 |
27 | 2009-03-20 007:44:54.0309 | -20.4 | 24,015 |
28 | 2009-03-20 07:45:27.3627 | -51.6 | 19,293 |
29 | 2009-03-20 07:45:27.4117 | -27.2 | 19,039 |
30 | 2009-03-20 07:46:23.2643 | -61.3 | 19,467 |
31 | 2009-03-20 07:46:23.2902 | -55.1 | 19.341 |
32 | 2009-03-20 07:46:23.4157 | -43.2 | 19,804 |
33 | 2009-03-20 07:46:45.8721 | -9.9 | 20,465 |
34 | 2009-03-20 07:47:16.8670 | -98.9 | 23,075 |
35 | 2009-03-20 07:47:16.8952 | -25.8 | 26,577 |
36 | 2009-03-20 07:47:16.9384 | -59.4 | 22,308 |
37 | 2009-03-20 07:47:35.9375 | -25.0 | 19,911 |
38 | 2009-03-20 07:48:14.1859 | -17.5 | 19,448 |
39 | 2009-03-20 07:48:14.2858 | -25.1 | 21,263 |
40 | 2009-03-20 07:48:14.4319 | -17.4 | 21,162 |
41 | 2009-03-20 07:48:54.7700 | -160.2 | 18,444 |
42 | 2009-03-20 07:48:54.8299 | -48.3 | 20,785 |
43 | 2009-03-20 07:48:54.8761 | -36.2 | 18,809 |
44 | 2009-03-20 07:48:54.9650 | -21.1 | 20,692 |
45 | 2009-03-20 07:48:55.0313 | -14.1 | 27,913 |
46 | 2009-03-20 07:48:55.1863 | -27.2 | 23,171 |
47 | 2009-03-20 07:48:55.2933 | -64.4 | 23,387 |
48 | 2009-03-20 07:50:59.5559 | -156.7 | 18,471 |
49 | 2009-03-20 07:50:59.5847 | -64.1 | 21,437 |
50 | 2009-03-20 07:50:59.5998 | -36.7 | 22,432 |
51 | 2009-03-20 07:50:59.6201 | -25.9 | 22,686 |
52 | 2009-03-20 07:51:28.9351 | -26.1 | 23,326 |
53 | 2009-03-20 07:51:28.9878 | -6.8 | 23,534 |
54 | 2009-03-20 07:54:34.5211 | -153.5 | 27,239 |
55 | 2009-03-20 07:54:34.5505 | -48.7 | 26,090 |
56 | 2009-03-20 07:56:23.8238 | -39.6 | 27,309 |
57 | 2009-03-20 07:56:23.8245 | -30.7 | 22,500 |
58 | 2009-03-20 07:56:23.8655 | -13.0 | 26,395 |
59 | 2009-03-20 07:58:21.7766 | -91.6 | 28,619 |
啟動電網雷擊閃絡風險評估程式，將查詢到的雷電信息採用電網雷擊閃絡風險評估程式進行處理，以雷電流為依據實時確定符合危險雷電流範圍的雷電發生數量，並計算該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值；經雷擊閃絡評估，該檔距繞擊和反擊危險電流為12～20千伏和≥110伏安，也即雷電流處在此區間的雷電可能會使該線路發生雷擊閃絡。統計從啟動預警開始到當前時刻，處在輸電線路危險電流範圍內的雷電數量與雷電發生總數量的比值；例如，由圖2電場儀預警情況知，此次雷暴預警在07:05開始，那么根據表1，截至07:08:29時刻發生了序號從2～6的共5個雷電，其電流分別為26.5伏安，-46.4伏安，-30.2伏安，-22.1伏安，-16.0伏安。在這5個雷電中，對該輸電線路有繞擊和反擊危害的，即電流屬於12～20伏安或≥110伏安區間的僅有第6號雷電，從而此時刻雷電流範圍的雷電數量與雷電發生總數量的比值為1/5＝20％；依次類推，可得出如表2的每個時刻的電網雷害預警結果。表2電網雷害預警結果。
時間 | 預警動作 | 預警 | 預警值 |
2009-03-20 06:00:00 | 啟動電網雷電預警程式 | / | / |
2009-03-20 07:02:00 | 啟動電網雷電預警程式 | / | |
2009-03-20 07:08:29 | 啟動電網雷擊閃絡預警程式 | 黃色 | 20% |
2009-03-20 07:12:14 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 29% |
2009-03-20 07:25:09 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 100% |
2009-03-20 07:26:56 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 50% |
2009-03-20 07:27:41 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 20% |
2009-03-20 07:28:53 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 14% |
2009-03-20 07:30:21 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 27% |
...... | ...... | ...... | ...... |
2009-03-20 07:51:29 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 11% |
2009-03-20 07:54:35 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 10% |
2009-03-2007:56:24 | 電網雷擊閃絡預警 | 黃色 | 12% |
第四步，在每個時刻計算預警值，若該比值大於0，以該比值為預警值發出預警信息，若該比值為0（滿足不大於判斷條件），則不發出預警信息，並進入下一步驟，判斷電網雷擊閃絡風險評估程式是否需要結束。
第五步，查看大氣電場儀監測數據，如果大氣電場儀探測到輸電線路附近雷雲電場未消失，則繼續進行預警，電網雷擊閃絡風險評估程式，輸電線路雷擊預警程式繼續實時運行；如果如圖2所示，在08:00時刻大氣電場儀探測值漸漸回復到正常大氣電場水平，即大氣電場儀探測值已回到閾值以內，說明輸電線路附近雷雲電場消失，結束預警程式，此次預警結束。
權利要求
1.《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》採用大氣電場儀探測輸電線路附近選定或確定範圍內的雷電電場，運用雷電定位系統收集的雷電發生信息，其特徵在於，採用預警程式對輸電線路雷擊閃絡進行預警，預警程式包括輸電線路雷擊預警程式、電網雷擊閃絡風險評估程式，對輸電線路雷擊閃絡進行預警的基本步驟如下：
（1）採用大氣電場儀探測輸電線路附近是否存在雷雲電場，在確定輸電線路附近存在雷雲電場後啟動輸電線路雷擊預警程式。
（2）在輸電線路附近選定或確定的範圍內，根據雷電定位系統收集的雷電發生信息，查詢當前時刻之前一段時間內的雷電發生信息；為輸電線路設定不同距離的緩衝區，確定包含查詢結果中任一雷電的最小緩衝區；並以該緩衝區大小確定雷擊預警級別，輸出雷擊預警級別信息。
（3）根據輸電線路的耐雷參數確定可使其發生雷擊閃絡的危險雷電流範圍；根據雷電定位系統收集的雷電發生信息，在輸電線路附近一定範圍內查詢從預警開始到當前時刻的雷電發生信息，啟動電網雷擊閃絡風險評估程式，將查詢到的雷電信息採用雷擊閃絡風險評估程式進行處理，以雷電流為依據實時確定符合危險雷電流範圍的雷電發生數量，並計算該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值。
（4）若基本步驟（3）中該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值大於0，則以該比值為預警值發出預警信息，然後轉入步驟（5）；若基本步驟（3）中該雷電發生數量與查詢到雷電發生總數量的比值為0，則不發出預警信息，然後轉入步驟（5）。
（5）如果大氣電場儀探測到輸電線路附近雷雲電場未消失，則轉到步驟（2）；如果大氣電場儀探測到輸電線路附近雷雲電場消失，則結束此次預警，並結束輸電線路雷擊預警程式。
2.根據權利要求1所述的一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法，其特徵在於，雷擊預警級別信息包括有紅色警報、黃色警報、藍色警報三個等級的信息。
3.根據權利要求1所述的一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法，其特徵在於，大氣電場儀探測輸電線路附近是否存在雷雲電場需要給大氣電場儀設定確定雷雲電場存在的閾值。
4.根據權利要求3所述的一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法，其特徵在於，大氣電場儀判斷雷雲電場存在的閾值是根據不同地區在標準測量狀態下有雷電發生情況下的最小場強絕對值設定的。
5.根據權利要求3所述的一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法，其特徵在於，給大氣電場儀設定確定雷雲電場存在的閾值為±0.4千伏/米。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種架空輸電線路雷擊閃絡的預警方法》獲得第十九屆中國專利獎金獎。
