基于火箭引雷技术的配电线路雷电感应过电压模拟平台

技术领域

本发明涉及实验线路雷电感应测试相关技术领域，特别是涉及基于火箭引 雷技术的配电线路雷电感应过电压模拟平台。

背景技术

雷电流、空间电磁场、线路过电压是雷击地面导致线路过电压过程中的三 个重要因素，而雷电感应过电压试验是对于这些要素进行科学研究最为直接有 效的手段，但是开展的难度也相对较大。目前雷电感应过电压的试验主要是在 日本和美国的佛罗里达州进行，此外在南非和墨西哥也进行了一些试验，这些 试验有些探讨了雷电流、感应电磁场和线路过电压三者之间的关系，有些只探 讨了其中两者之间的关系。在这些试验之中，有些直接观察了自然产生的雷电， 有些采用了火箭引雷的方式，还有些采用了烟囱引雷的方式。

1979年在Tampa，M.J.Master观察了自然雷电在输电线路附近产生的电场 以及在输电线路上产生的过电压，首次在仿真计算程序中考虑了水平电场的影 响，之前一般仅考虑雷电流产生的垂直于地面的电场对于感应过电压的影响。

1985年在NASA，M.Rubinstein观察了自然雷电在输电线路附近产生的电 磁场以及在输电线路上产生的过电压，认为Master使用的计算程序中对于水平 电场方向的处理存在问题，使用了自行研发的球形三维电场探头，对于低频电 场具有比较好的响应。1986年在NASA，N.Georgiadis再次观察了自然雷电在输 电线路附近产生的电磁场以及在输电线路上产生的过电压，不同于Rubinstein 只测量线路一端的电压，Georgiadis测量了线路两端的电压，并且考虑了线路两 端接匹配阻抗或者是开路共四种组合情况。1986年在NASA，M.Rubinstein还 进行了一次引雷试验，测量了空间电磁场以及在线路两端产生的过电压，观测 到的过电压波形可以分为震荡型和冲击型两种类型，其中震荡型和理论计算的 结果符合较好，而对于冲击型目前还没有模型能够进行解释。1997年，F.Rachidi 不仅仅考虑了雷电的回击过程，还考虑了雷电先导发展对于线路过电压的贡献， 先导产生的分量当雷电方向和线路平行时更为明显，考虑了雷电先导过程的新 计算模型和实际测量得到的结果符合的更好。

V.A.Rakov综合论述了从1992年到2002年十年间在Blanding基地进行的火 箭引雷试验，以及测量得到的结果，而且在这一系列试验中采用了能够近距离 测量大电场的电场传感器。1993年在Blanding，P.P.Barker进行了火箭引雷的试 验，测量了雷电流波形，空间电磁场以及在线路上产生的过电压，P.P.Barker测 量了线路中间产生的感应过电压而并非仅仅是线路两端的感应过电压，此外还 考虑了避雷器的影响。Fernandez自1994年到1997年在Blanding基地进行的火 箭引雷试验中还观察到当雷击点距离线路很近时，雷电流还会通过地面、杆塔 最终传播到线路上。1997年在Blanding，D.Wang使用高速摄像系统以及雷电流 测量元件，记录了火箭引雷的先导发展以及回击过程中的相关参数。而2003年 同样在Blanding基地，R.C.Olsen III使用更加精确的高速摄像系统观测到了不同 的变化规律。

1980到1981年间，Yokoyama在Fukui进行了烟囱引雷的试验，测量了在 线路上产生的雷电过电压，讨论了在地线接地以及不接地时对于过电压的屏蔽 作用。1981年到1984年，Yokoyama继续在Fukui进行烟囱引雷试验，这次不 仅测量了线路上的电压，还测量烟囱底部的雷电流幅值，讨论了两者之间的关 系。1984年到1988年，Yokoyama继续在Fukui进行烟囱引雷试验，测量了线 路上的过电压以及烟囱底部的雷电流波形，和理论模型计算得到的结果进行比 较，在模型中考虑杆塔的影响时，计算得到的结果更加符合实际测量得到的结 果。1989年Asakawa在Fukui进行烟囱引雷试验，在测量中Asakawa使用了ALCS (用于测量雷电流波形)和ALPS(用于测量雷电流通道的发展情况)两套测量 系统，发现了两种雷电流类型，一种幅值较小持续时间较长，另一种幅值较大 持续时间较短，此外还讨论了雷电流明度和幅值之间的关系。1993年到1997年 Mchishita在Fukui进行了烟囱引雷试验，测量了雷电流波形和线路上的过电压 波形，建立了更为完善的雷击高塔建筑时的感应过电压计算模型，并和实际测 量结果进行了比较。

从1978年到1981年，A.J.Eriksson在南非的一条10km长的线路上进行了 雷电感应过电压的试验，测量了线路上的感应过电压。

1984年在墨西哥，F.de la Rosa测量了线路末端的电压、电流以及空间中的 电场，把测量得到的结果和理论计算值进行了比较，指出Master测量得到的某 些波形极性相反。

上述在不同地点开展的试验，都在不同的历史时期显著推动了对于雷电感 应过电压研究的发展，直到现今，雷电感应过电压试验研究依旧是研究这一问 题最为直接、有效的研究方法，然而它的试验成本较高，控制、改变试验相关 参数也较为困难，需要其他研究方法的补充和支持。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的试验成本较高，控制、改变试验相关参数 较为困难的技术问题，提供一种基于火箭引雷技术的配电线路雷电感应过电压 模拟平台。

一种基于火箭引雷技术的配电线路雷电感应过电压模拟平台，包括：用于 模拟所述配电线路的实验线路、设置在所述实验线路旁的火箭引雷装置、与所 述实验线路连接的过电压测试装置，以及监控终端，所述过电压测试装置包括 分压模块和采样模块；

所述分压模块与所述实验线路连接，用于将所述实验线路的电压分压后得 到测试电压后输出；

所述采样模块的输入端与所述分压模块的输出端连接，用于对所述测试电 压进行采样得到采样电压，所述采样模块的输出端与所述监控终端连接，将采 样电压发送到所述监控终端。

在其中一个实施例中，所述分压模块包括依次连接的高压侧单元和低压侧 单元；

所述高压侧单元的输入端与所述实验线路连接，将所述实验线路的电压分 压后得到第一分压电压输出，所述第一分压电压为所述实验线路的电压的 M1/N1，且M1小于N1；

所述低压侧单元的输入端与所述高压侧单元的输出端连接，提高所述第一 分压电压后得到测试电压，所述测试电压为所述第一分压电压的M2/N2，且M2 大于N2。

在其中一个实施例中，所述高压侧单元为阻容分压器。

在其中一个实施例中，所述分压模块与所述采样模块之间还设有保护电路。

在其中一个实施例中，所述过电压测试装置还包括供电模块、蓄电池和太 阳能电池，所述供电模块的输出端与所述采样模块连接，供电模块的输入端分 别与蓄电池、太阳能电池和市电连接。

在其中一个实施例中，所述实验线路包括至少一个杆塔，每个杆塔与一个 过电压测试装置连接，所述监控终端分别与每个过电压测试装置的采样模块的 输出端连接。

在其中一个实施例中，还包括电磁场探测装置，所述火箭引雷装置设置在 第一杆塔旁，所述电磁场探测装置设置在所述第一杆塔的下方，且所述电磁场 探测装置与所述监控终端连接。

在其中一个实施例中，所述分压模块包括依次连接的高压侧单元和低压侧 单元；

所述高压侧单元的输入端与所述实验线路连接，将所述实验线路的电压分 压后得到第一分压电压输出，所述第一分压电压为所述实验线路的电压的 M1/N1，且M1小于N1；

所述低压侧单元的输入端与所述高压侧单元的输出端连接，提高所述第一 分压电压后得到测试电压，所述测试电压为所述第一分压电压的M2/N2，且M2 大于N2；

在所述低压侧单元和采样模块外采用铁盒屏蔽。

在其中一个实施例，还包括设置在所述火箭引雷装置旁的高速摄像装置。

本发明的基于火箭引雷技术的配电线路雷电感应过电压模拟平台，通过设 置与实验线路连接的过电压测试装置，以及监控终端，实现了切实可靠的一套 基于火箭引雷技术的试验平台。测量的数据真实可靠，且误差较小；基于阻容 分压器的测量输出的信号频带宽，量程大；采集数据单元对电压信号高速采集， 保证精确度和完整性。

附图说明

图1为本发明的一种基于火箭引雷技术的配电线路雷电感应过电压模拟平 台的结构示意图；

图2为过电压测试装置的结构示意图；

图3为本发明一个例子的结构示意图；

图4为本发明一个例子试验线路的构建示意图；

图5为本发明一个例子试验的整体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明的一种基于火箭引雷技术的配电线路雷电感应过电压 模拟平台，包括：设置在所述实验线路1旁的火箭引雷装置2、与所述实验线路 1连接的过电压测试装置3，以及监控终端4。

如图2所示，所述过电压测试装置3包括分压模块310和采样模块320；

所述分压模块310与所述实验线路1连接，用于将所述实验线路1的电压 分压后得到测试电压后输出；

所述采样模块320的输入端与所述分压模块310的输出端连接，用于对所 述测试电压进行采样得到采样电压，所述采样模块320的输出端与所述监控终 端4连接，将采样电压发送到所述监控终端4。

其中采样模块320将得到的采样电压通过电光转换器370，得到光信号，并 通过光缆6发送到与监控终端4连接的光电转换器410，并转换为电信号输入监 控终端4。

由于实验线路的电压较高，要进行测量需要进行分压，因此分压模块310 主要用于将所述实验线路1的电压分压后得到测试电压。本领域普通技术人员 在阅读本专利后可以对分压模块310进行具体补充扩展。

在其中一个实施例中，所述分压模块310包括依次连接的高压侧单元311 和低压侧单元312；

所述高压侧单元311的输入端与所述实验线路1连接，将所述实验线路1 的电压分压后得到第一分压电压输出，所述第一分压电压为所述实验线路1的 电压的M1/N1，且M1小于N1；

所述低压侧单元312的输入端与所述高压侧单元311的输出端连接，提高所 述第一分压电压后得到测试电压，所述测试电压为所述第一分压电压的M2/N2， 且M2大于N2。

高压侧单元311将实验线路1的电压通过分压大幅度降低到适合测量水平， 然后低压侧单元312再将其提高到适合采样模块320进行采样。

在其中一个实施例中，所述高压侧单元311为阻容分压器。采用基于阻容分 压器的测量输出的信号频带宽，量程大。

在其中一个实施例中，所述分压模块310与所述采样模块320之间还设有 保护电路330。

在其中一个实施例中，所述过电压测试装置3还包括供电模块340、蓄电池 350和太阳能电池360，所述供电模块340的输出端与所述采样模块320连接， 供电模块340的输入端分别与蓄电池350、太阳能电池360和市电连接。本实施 例通过提高多种供电方式，适应不同环境下的供电需求。特别是过电压测试装 置3是应用与雷电的过电压测试，在雷电的过电压测试中，太阳能电池和市电 均会失效，则蓄电池可以在恶劣环境下为过电压测试装置3进行供电。

在其中一个实施例中，所述实验线路1包括至少一个杆塔，每个杆塔与一 个过电压测试装置3连接，所述监控终端4分别与每个过电压测试装置3的采 样模块的输出端连接。

在其中一个实施例中，还包括电磁场探测装置，所述火箭引雷装置1设置 在第一杆塔旁，所述电磁场探测装置设置在所述第一杆塔11的下方，且所述电 磁场探测装置与所述监控终端4连接。设置第一杆塔下方的电磁场探测装置， 将采集得到的电磁场强度信号发送到监控终端4。

在其中一个实施例中，所述分压模块310包括依次连接的高压侧单元311 和低压侧单元312；

所述高压侧单元311的输入端与所述实验线路1连接，将所述实验线路1 的电压分压后得到第一分压电压输出，所述第一分压电压为所述实验线路1的 电压的M1/N1，且M1小于N1；

所述低压侧单元312的输入端与所述高压侧单元311的输出端连接，提高所 述第一分压电压后得到测试电压，所述测试电压为所述第一分压电压的M2/N2， 且M2大于N2；

在所述低压侧单元312和采样模块320外采用铁盒7屏蔽。

在其中一个实施例，还包括设置在所述火箭引雷装置1旁的高速摄像装置， 用于捕捉回击电流的发展过程。

作为一个例子，如图3所示，试验线路1为南北走向，一共有五级杆塔， 包括杆塔11、杆塔12、杆塔13、杆塔14和杆塔15，每级之间的间距约为70m， 总长为280m。其中，在引雷点16处设置火箭引雷装置1，杆塔13距离引雷点 16距离最近，作为主要监测点，要求安装跳线，以方便在进一步的试验中增加 测量设备或过电压防护设备。在12号杆塔东侧有一座屏蔽小屋，作为监控中心 17，收集、测量所有的试验数据，监控终端放置在监控中心17中。

试验线路1为三相线路，不架设地线，导线型号为JKLGYJ-70/10，杆塔总 长12m，埋入地下2m，三相导线垂直分布，间距1m，绝缘子每相采用三片型 号为FC-70/146的耐张绝缘子，杆塔总长12m，埋入地下2m，上相高出下面两 相1.4m，下面两相间距2.5m，采用型号为SQ-210Z的绝缘子棒作为绝缘。

试验线路1的构建示意图如图4所示，在每级杆塔的顶相以及杆塔13的所 有三相上安装过电压测试装置3，这样一共需要安装7个过电压测试装置3，测 量得到的电压信号经过电光转换，通过光缆6传送到监控中心17。位于杆塔13 附近的电磁场探头5也把采集得到的电磁场强度信号通过光缆6传送到监控中 心。在试验线路1的两端连接有和导线波阻抗等值的匹配电阻，雷电流经过高 压电阻最终汇入埋设在试验线路1两端的接地极。

高压侧单元311采用阻容式分压器，分压比为10000/6，经过测试，分压器 的阶跃响应时间为30ns，能够耐受200kV的冲击电压，满足测量架空线雷电感 应过电压的需要。采样模块320输出的电信号经过无源的电光转换器370变成 光信号，最终通过光缆6传输到监控中心，为了防止空间电磁场的干扰，使用 铁壳7屏蔽低压侧单元312、保护电路330、采样模块320以及电光转换器370。

在两端杆塔附近设计单独的接地点，用于连接匹配电阻，设计采用四根间 距2m的垂直接地极相连，垂直极深度为1m，结构参数为50cm×50cm的角钢。

试验线路1两端的匹配电阻采用阻值为550Ω，能够耐受80kV冲击电压的 管状刷轴高压电阻，放置于使用硅胶密封的防水外壳之中，电阻的直径为33mm， 长度为320mm，匹配电阻的一端连接三相导线中的某一相导线，另一端连接终 端接地体。

引雷点16处设置火箭引雷装置1，包括有六个引雷火箭发射架，发射长度 为50cm，最快上升速度为150m/s，最大上升距离为1km的引雷火箭，火箭下 方系有一根直径为0.2mm的铜线，帮助形成雷电流通道。回击雷电流使用一个 阻值为1mΩ，最大可以测量100kA的同轴电阻进行测量。在距离引雷点640m 处还布置了一台高速摄相机(图中未示出)，用于捕捉回击电流的发展过程，该 高速摄相机最多每秒可以拍摄10000张照片。

如图5所示是一个例子试验的整体工作流程图。

步骤S501，当可能出现雷暴天气时；

步骤S502，驱车前往试验现场；

步骤S503，观测气象回波图，如果不可能在生成雷暴，则结束，如果雷暴 活动接近，则执行步骤S504；

步骤S504，进行试验前期准备，如果雷暴消散或远离，则执行步骤S503， 如果现场雷暴活动强烈，则执行步骤S505；

步骤S505，根据电磁场测量装置，获取电磁场强度信号，从而形成实时电 场曲线，观测实时电场曲线，如果雷暴消散或远离，则执行步骤S503，如果满 足引雷条件，则执行步骤S506；

步骤S506，发射火箭采集数据，执行步骤S505。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。