基于C++的三维闪电回击数据再处理系统设计

针对三维闪电数据处理算法改进之后需重新定位回击数据,以及省级三维闪电探测系统的回击数据通常更加完整,应用时要将多个省份闪电回击数据合并后重新处理出准确的云内闪电高度值等问题,本研究使用C/S架构和C++builder编程开发了三维闪电回击数据再处理系统。系统设计了回击数据查询处理界面,提供了监视控制功能。通过设定回击数据文件和配置文件,再运行软件系统对符合条件的回击数据进行排序,在完成排序的数据中提取同一闪电相关信息,经计算处理得到重新定位的三维闪电探测结果并存储。将系统部署于国家级平台查询处理全国组网的三维闪电历史回击数据,测试结果表明,再处理系统操作便捷、功能齐全,满足三维闪电回击数据再处理系统的任务要求。

火箭触发闪电的回击电流及电场特征分析

2019年夏季在广州开展了火箭引雷试验,成功地触发了14次闪电,总回击(RS)数达74次,平均回击数为5.3次,单次闪电的最大回击数为14次。该文对火箭引雷的回击电流及不同距离电场波形特征进行了分析。回击的间隔时间、峰值电流、10%~90%上升时间、半峰值宽度、1 ms转移电荷和1 ms作用积分的几何平均值分别为38.45 ms、12.38 kA、0.25μs、8.31μs、0.68C和2.12×10^(3)A^(2)·s,回击电流的转移电荷量和作用积分量均与回击峰值电流呈幂函数相关性。回击的先导电场强度峰值和回击电场强度峰值会随距离的增大而减小,而电场的10%~90%上升时间和半峰值宽度会随距离的增大而增大。回击电场强度峰值会随距离的增大而呈现出幂函数减小,且峰值电流与不同距离的先导电场强度峰值和回击电场峰值均呈现一定线性相关,距离越大,其线性拟合关系越好。

基于组合赋权法分析后续回击对线路反击跳闸影响研究

为探究后续回击对500 kV输电线路反击跳闸率的影响,文章统计出后续回击的次数及雷电流幅值的分布规律。通过组合赋权法分析了不含后续回击的首次回击、含后续回击的首次回击及后续回击的次数和雷电流幅值对线路反击跳闸的影响。根据后续回击次数与雷电流幅值在反击跳闸的影响比重,确定后续回击次数是线路反击跳闸的主要影响因素。根据组合赋权法分析结果,提出了一种考虑后续回击的反击闪络模型,通过ATP-EMTP模型分析后续回击对反击耐雷水平的影响。仿真结果可知:首次回击未跳闸时,考虑后续回击线路的反击耐雷水平会降低,降低程度与导线工频电压周期有关,平均降低原反击耐雷水平的36.4%。仿真结果和理论分析结果一致,可为输电线路运维和防雷设计提供有效的理论支撑。

云南省两套闪电定位系统地闪回击参数对比及探测性能分析

根据2017—2020年云南省ADTD二维和VLF/LF三维闪电定位系统观测资料,对比两套系统地闪回击参数分布差异。在实际回击位置和雷电流强度信息难以获得的情况下,研究利用两套系统反演资料对相同回击事件的识别匹配和时空阈值选取方法,分析相对定位偏差。结果表明:两套系统的回击密度、雷电流幅值在滇东、滇西南和滇西北等地的空间分布差异明显,由三维系统得到的回击密度较大,但二维系统雷电流幅值均值更高。两套系统均以单回击地闪占比更高,正地闪中的单回击地闪比重较负地闪更大,三维系统对于0~5 kA负回击小幅值电流的探测效率有所提高。通过采用10km、1 ms的时空阈值匹配窗口,得到两套系统对于同一次回击的相对定位时间差主要集中在0.05 ms内,距离偏差集中在1 km内。系统匹配回击在滇中、滇西南的时空偏差较小,滇西北的偏差较大。从回击极性、相关系数、相对误差、幅值比及幅值累积概率等方面,分析得到两套系统对于相同回击事件的电流强度反演结果一致性较好,验证了应用系统反演资料对于同一回击事件的识别匹配方法是客观可靠的。

基于三维GIS的架空线表面磁场建模策略研究——评《雷电回击电磁场建模与计算》

GIS作为一种空间信息系统,被广泛应用于电网规划和设计中。利用GIS技术可以对电力设施进行精确的空间,为架空线路磁场建模提供空间数据支持。架空线路在运行过程中会产生电磁场,这些磁场可能对周围环境和居民健康造成影响。因此,准确建模架空线路表面磁场对于评估其潜在影响至关重要。

地闪回击电磁场受建筑物宽度和相对位置的影响分析

在雷电监测预警工作中,由于地形限制,雷电监测系统通常布置于建筑物顶部,会导致系统反演的雷电参数误差较大,因此,通过仿真模拟手段定量分析影响程度,为定位结果的校正提供参考。基于时域有限差分法(FDTD),研究了建筑物的宽度和相对位置对闪电回击电磁场的影响,绘制了建筑物的宽度与垂直电场增大比例之间的关系式以及拟合曲线。结果表明,垂直电场的增量M在建筑物宽度增加时减少,当建筑物宽度增加到一定程度时,仍保持在较小范围内;当建筑物与闪电通道之间的距离d增加到3.22 km时,建筑物的宽度对建筑物顶部垂直电场值影响可忽略不计。研究结果对提高雷电定位系统精度有一定参考价值。

雷电回击参数对回击电磁场计算的影响研究

基于BG,TL,MTLL,MTLE和TCS5种模型,研究了雷电回击通道高度、回击速度和大地电容率对雷电回击电磁场的影响。计算中5种模型采用相同的通道基电流波形,通过计算总结了几种参数对回击电磁场的影响。

基于LLS的多回击地闪及其雷电流幅值分布特征

为进一步研究多回击地闪参数分布特征,以便为雷电防护工程设计和雷电物理研究提供参考,根据湖北省雷电定位系统(LLS)2007年1月—2018年12月监测资料,采用计算机编程处理和数理统计方法,对多回击地闪次数、多重回击次数和不同类型多回击地闪雷电流幅值等参数进行了统计分析。结果表明:多回击正地闪、负地闪和总地闪次数占其地闪总数的百分比分别为2.06%、34.76%和32.64%,多重回击次数分别占其回击总数的0.01%、0.42%和0.40%,多回击负地闪回击次数占多回击总地闪回击总数的99.69%。首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪分别占多回击地闪总数的82.52%和57.87%;在多回击地闪后续回击中,正地闪约有9%的后续回击强度大于首次回击强度,负地闪约有20%的后续回击强度大于首次回击强度。多回击正地闪和负地闪中值电流分别为59.30 kA和35.10 kA,首次回击分别为90.90 kA和40.00 kA,后续回击中分别为43.90 kA和33.00 kA。首次回击中,多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率分别为44.06%和4.64%,首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率最大分别为52.21%和7.94%;后续回击中,多回击正地闪和负地闪雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率分别为41.80%和69.92%,首次回击强度大于后续回击强度的多回击负地闪,雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率最大为77.71%。多回击正地闪和负地闪后续回击与首次回击中值电流的比值分别为0.48和0.83。拟合得出的不同类型的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值累积概率公式,拟合效果显著;拟合公式中a值附近的雷电流幅值累积概率与b值呈显著正相关关系。

基于雷电定位系统的雷电多回击地闪参数统计及影响因素分析

根据2010—2021年广东省雷电定位系统(lightning location system,LLS)数据,以不同定位站数的筛选方式对多回击地闪参数进行统计,发现随着选取的定位站数增加,多回击地闪的占比、雷电流幅值和时间间隔增加,由此指出:开展多回击地闪次数及占比统计时应选取定位站数S≥2,避免大部分小雷被忽略;开展雷电流幅值统计时应选取定位站数S≥3,确保雷电流幅值精度。对比分析人工引雷时LLS测量的雷电流幅值差异,发现雷电流幅值越大,LLS中能监测到雷电流的定位站数越多,此时LLS测量的雷电流幅值与人工引雷测量结果的偏差越小。选取定位站数S≥3,统计分析多回击地闪中首次回击雷电流幅值与后续回击的关系及其变化趋势,发现首次至后续回击雷电流幅值中值依次递减、回击时间间隔依次递增,但随着回击次数的增加,所有后续回击的雷电流幅值大于首次回击的概率呈现先增大后略减小的趋势,由此提出后续回击雷电流幅值大于首次回击雷电流幅值的概率计算公式。

考虑后续回击的500 kV单回交流线路耐雷水平研究

雷电严重威胁着电力系统的安全稳定运行,随着电力系统的不断发展,传统的线路防雷评估技术已无法满足目前线路的雷击风险评估需求.基于此,本文利用变异系数法对华中区域十条500 kV省间联络线重要输电通道10 km范围内近年来的落雷数据进行分析,发现后续回击会对线路的雷击跳闸率产生较大影响,同时多起线路实际雷击跳闸故障与后续回击相关.据此,本文在传统绝缘子串闪络模型的基础上,提出了考虑后续回击的绝缘子串闪络判据模型,分析考虑后续回击的500 kV重要输电通道的线路耐雷水平.研究结果表明:后续回击会使500 kV输电线路的耐雷水平降低,降低程度与工频电压周期有关,且后续回击对反击耐雷水平的影响程度与绕击耐雷水平相比更为显著.本文的研究结论可以辅助提升高压输电线路的雷击风险评估准确度,为高压输电线路防雷预警提供帮助.

多回击地闪特征参数及其对直流线路故障的影响研究

基于浙江和西藏两地区的地闪活动观测资料,分析、对比了两地地闪参数的特征,并建立了多回击地闪雷击线路仿真模型,计算分析了地闪特征参数对线路动作特性的影响。结果表明,浙江地区的多回击地闪百分比、地闪回击次数、地闪持续时间、回击时间间隔和地闪回击强度等参数均要大于西藏地区,两地多回击地闪的地闪持续时间大于500ms的比例和后续回击大于首次回击的比例均不可忽视;多回击地闪作用下的线路耐雷水平与单次回击作用下的线路耐雷水平相等,线路的重启失败率随着多回击地闪的地闪回击次数增大和地闪持续时间的延长而呈现先增大后减小的趋势;适当延长线路重启过程的去游离时间以及增加线路重启次数,有助于提高多回击地闪作用下线路的重启成功率。

基于LLS的多回击地闪回击时间和回击间距的统计特征

为了进一步研究多回击地闪参数分布特征,为雷电防护工程设计和雷电物理研究提供参考,根据湖北省气象部门雷电定位系统(LLS)2007年1月至2017年12月监测资料,采用数理统计方法,对多回击次数、回击时间和回击间距等参数进行了统计分析。结果表明:正、负和总地闪平均多回击百分比分别为2.13%、35.06%和32.97%;多回击正、负、总地闪的算术平均和几何平均间隔时间分别为101.17、136.38、136.30和67.43、107.75、107.65 ms,持续时间分别为104.29、239.70、239.15和70.28、203.22、202.68 ms。多回击地闪平均间隔时间随回击次数的增加呈自然对数减少,平均持续时间随回击次数的增加呈自然对数增加;多回击正地闪回击间距和回击半径约为4 km,多回击地闪平均回击间距约1.7 km、回击半径约2.2 km;多回击地闪中,80%以上的回击间距≤3km,回击半径≤4 km,97%以上的回击半径≤8 km。多回击地闪随着回击次数增加,回击间距呈自然对数减少,回击半径呈自然对数增加。多回击地闪的平均间隔时间大小与LLS探测地闪回击效率和资料统计方法有关;多回击地闪间隔时间、持续时间、回击间距和回击半径年、月和日变化特征是否具有普遍性及其产生的机理还有待进一步深入研究。

闪电回击工程模型的有效性研究

为了分析几种常用的闪电回击工程模型的有效性,将回击通道底部电流表示为击穿电流和电晕电流的叠加,利用脉冲函数描述回击通道底部电流波形,选择了一种比较典型的回击通道底部电流波形参数,分别对Bruce-Golde(BG)模型、运动电流源(TCS)模型、Diendorfer-Uman(DU)模型、传输线(TL)模型、电流指数衰减的传输线(MTLE)模型和电流线性衰减的传输线(MTLL)模型6种回击工程模型产生的不同场区回击电磁场进行了计算,并将计算结果与实际测量得到的不同场区回击电磁场特征进行了比较。结果表明基于MTLL回击模型计算得到的不同场区回击电磁场能够符合实际测量回击电磁场所具有的4个特征:(1)电场与磁场都有1个快速上升的初始峰值,当观测距离>1km时该峰值的数值与距离接近成反比;(2)几十km距离以内的电场在起始峰值之后有1个缓慢的上升沿,其持续时间可长达100μs;(3)几十km距离以内的磁场在起始峰值后有1个隆起,其最大值在10～40μs之间;(4)50～100km距离之间的电磁场在初始峰值后几十μs内都有过零点。依据另外5种回击工程模型计算得到的回击电磁场不能与实际测量闪电回击电磁场的特征完全相符。因此,MTLL回击模型具有相对更高的精确度和有效性。

基于ATP-EMTP的风电机组塔筒二次雷电回击暂态分析

针对风电机组在雷击事故中严重损坏的现状,对二次雷电回击引起的暂态电位变化进行了分析研究。文中通过搭建叶片、机舱、等效圆锥体塔筒与接地系统的等效模型,考虑塔筒内部电缆与塔筒之间的耦合互感等问题,并结合某风电公司所提供数据与相关等效参数公式,搭建出π型叶片与接地体、“十段式”塔筒等效电路,后续利用电磁暂态软件ATP-EMTP计算分析塔筒在两种雷击情况下的暂态电位变化。结果表明:两种雷击均会使风电机组产生兆伏级电位变化;塔底处暂态电位变化在两种雷击情况下差别最大;二次雷电回击下塔顶暂态电位将在0.200μs时达到峰值3.856 MV,故二次雷电回击严重威胁风电机组塔筒内部结构与电子器件的正常运行,不容忽视。

基于雷电定位系统和实测的多回击地闪雷电流参数及模型分析

多回击地闪可能造成同一输电线路连续遭受多次雷电冲击,进而引起线路重合闸失败,以及变电站内断路器和避雷器等设备事故。传统以单次雷击设计线路和变电站雷电防护的方法已不足以对现有输电线路和变电站进行很好的防护。为此,依据广东省内12年雷电定位系统数据及人工引雷数据,研究多回击地闪雷电流参数及模型,为线路和变电站的雷电防护提供基础参数和模型。广东地区12年内雷电定位数据统计分析表明:多回击地闪占比为52.58%,而负地闪占多回击地闪的96.84%;正负极性多回击地闪平均频次为2.2和4.1次,时间间隔的平均值分别为140 ms和103 ms;对此提出负极性雷电流幅值概率分布公式。最后,结合人工引雷试验的后续雷击雷电流波形参数及拟合函数、IEEE和GB 50057—2010标准等推荐的首次回击的波形参数,提出可以应用于防雷设计的多回击地闪雷电流参数及模型。

计及多脉冲回击电流及电晕电流效应的输电线路耦合雷电过电压特性

目前在输电线路耦合雷电过电压的理论计算研究工作中,大多均考虑单一回击电流源的情况,忽视了现实中闪电主要以多脉冲的形态存在居多,忽略了导线电晕放电效应对过电压抑制作用的影响。因此,对双Heidler回击电流源进行改进,建立一次放电过程包含3个峰值电流的多脉冲电流源,并对单脉冲作用下电晕放电模型进行优化,使其满足多脉冲作用下电晕放电效应,同时采用leap-frog算法对Maxwell方程组进行二阶高精度差分,提高其模型的稳定性。研究结果表明:单脉冲作用下所计算出的过电压峰值与IEEE标准结果相对误差仅为2.11%,同时多脉冲使线路耦合过电压峰值较单脉冲抬升17.08%;电晕效应抑制了多脉冲作用下输电线路过电压峰值7.29%;与雷击点较远相位导线耦合的过电压峰值与离雷击点最近相线过电压相差17.5%。研究结论能够为输电线路差异化防雷设计提供更加精确的理论支撑。

±800 kV宾金线浙江段正负地闪多重回击特征分析

为得到±800 kV宾金线浙江段沿线走廊正、负地闪多重回击特征,对2017年6月至9月监测到的3 032例完整地闪样本的特征参数进行了统计分析,主要包括回击次数、地闪持续时间、回击间隔时间、回击强度四个方面。多重回击参数呈明显的随回击序号系统性变化特征,且正、负地闪特性差异较为明显。统计结果表明:正、负地闪样本数量分别占27.57%和72.43%;负地闪样本中单回击占52.60%,最大回击次数达到13次,平均回击次数为2.47次;正地闪样本中单回击占比更大,达到77.04%,而回击次数相对较少,其最大回击次数为5次,平均回击次数仅为1.26次。正、负地闪多重回击持续时间随回击次数增加呈递增趋势,且负地闪持续时间的增长速度更快,其整体的算术平均分别为250.20 ms和343.02 ms。负地闪回击间隔时间随回击次序变化不明显,而正地闪回击间隔时间随回击次序呈递减趋势。总体上正、负地闪后续回击强度比值均随后续回击次序增加呈递减趋势;负地闪首次回击电流强度随回击次数增加呈递增趋势,而正地闪变化趋势不明显。

先导—回击模型与人工触发闪电特征参数计算

在关于地闪通道的“先导模型”和“同击模型”基础上，建立了“先导-回击模型”，并利用该模型对2005年8月2日3次人工触发闪电中观测到的12次直窜先导和继后回击过程的慢电场变化资料进行了闪电通道特征参量的计算。计算结果发现：3次人工触发刚电的高度分别在8．68、4．48和10．59km；直窜先导过程的电荷线密度范围为49．3～130．05μC／m；先导发展平均速度范围为0．23×10^7-1．48×10^7m／s：先导平均电流范同为0．14～1．87kA；先导通道电压范围为7．94-20．33Mv；继后同击中和的电荷量范围为0．16～1．21C：继后回击过程的回击平均速度范围为2．61×10^7～11．86×10^7m／s；回击平均电流范围为1．56—12．59kA。分析表明，“先导-同击模型”降低了对观测点站数和观测环境的要求，同时对通道具有较强的计算能力。

地表近区雷电回击电磁场的计算与特征分析

为了揭示雷电回击电磁场导数与回击通道底部电流导数之间的内在联系,基于传输线(TL)模型从理论上对地表近区雷电回击电磁场导数和回击通道底部电流导数进行了研究。用偶极子法精确计算电磁场的结果表明,在距离雷电回击通道50m范围内,电场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合;在距离雷电回击通道200m范围内,磁场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合。由此可得出结论:近区回击电磁场导数的波形与雷电回击通道底部电流导数的波形近似。

地表近场LEMP与回击电流的近似性

由于闪电近区电磁场的瞬时性和高强度的特点,致使其不易测试,其波形也难以捕捉。为了对闪电近场电磁波进行模拟,从理论上对雷电电磁脉冲(LEMP)的地表近区波形和回击通道底部电流的波形进行了探索。用解析方法近似推导近区LEMP的表达式得出,近区LEMP波形与回击通道底部电流波形近似;用偶极子法精确计算近区LEMP的结果表明,在100 m以内磁场波形与近似计算结果基本吻合,在50 m以内,电场波形与近似计算结果基本吻合。计算结果验证了解析推导近似的可行性,证明<50 m的地表近区,LEMP场波形与回击通道底部电流波形相似。这为闪电地表近场电磁波的模拟提供了理论依据。