落雷

落雷（thunderbolt）又稱霹靂或雲地間閃電。常用的檢測方法即在我國電網中投入運行的雷電定位系統，該系統由中心站和分佈在不同地方的數個在線時差探測站組成。當被監視的區域內發生雷雲對地放電時，中心站根據各時差探測站獲得的閃電放電電磁信號時差，便可通過專用程序計算和確定雷擊點位置。

輸電線路分佈範圍很廣，尤其高壓、特高壓線路通常縱橫跨越數百至上千公里，沿線地形極其複雜，很容易遭受雷擊。輸電線路一旦發生雷擊事故，若不能在第一時間對故障點定位及進行故障排除，不僅直接影響輸電線路的正常運行和輸電系統的安全可靠性，也會給社會經濟發展及人們的生產生活造成嚴重影響。因此，積極探索和研究架空輸電線路雷擊故障波檢測及定位技術，有效縮短輸電線路遭受雷擊位置的查找時間，就顯得尤為必要。

OPGW兼具地線與通信雙重功能，一旦遭受雷擊而發生故障，不僅嚴重影響系統運行，還會影響到正常的通信傳輸工作。因此，對OPGW上的雷擊故障點定位並及時排除故障對電力系統的正常運行具有非常重要的意義。

雷擊定位技術的現狀

已有基於導線行波的雷擊檢測與定位技術，通過在2個變電站之間幾百公里線路上均勻布置行波檢測設備，來實現導線上故障信號的檢測與定位。但是當前導線行波的雷擊故障檢測技術，需要在高壓端取電，安裝與維護時需要耗費大量的人力、物力；同時所需行波檢測設備的數量也與線路長度成正比，線路越長，設備配置與系統維護所需要的成本也會顯著增加。

但無論如何，導線上的雷擊故障定位技術畢竟還是可以實現的。然而對於發生在OPGW地線上的雷擊事件，尚無有效的檢測手段及雷擊點定位的方法；由於OPGW多採用逐塔接地的方式，雷電行波信號在OPGW上也難以長距離傳輸，因此導線上的雷擊故障檢測方法也就無法推廣至OPGW。人們亟待找出一種快速、準確地實現對OPGW上故障點定位的技術。

研究提出了一種基於法拉第效應的輸電線路雷擊監測與定位技術，利用OPGW中的光纖作為感測器，不需要在線路上額外安裝任何設備，通過遠端主機向光纖中注入探測光，並檢測光纖中傳輸光信號的變化來進行雷擊信號的檢測與定位。

研究結論

從原理及實驗2個方面對基於OPGW的輸電線路上落雷檢測與定位技術進行了分析。從波形上看，本系統基本可以定性還原出雷電流的實際波形；從定位結果上看，本技術也可以實現OPGW遭受雷擊時的雷擊點定位，應用於試驗線路上時的定位誤差可以達到±250m。因此，研究提出的基於OPGW的雷擊檢測方法可以實現輸電線路上的落雷檢測與定位，這可以為輸電線路上落雷檢測技術的發展提供思路和理論實踐依據。未來會將本系統在220kV及500kV運行的線路上進行測試應用，這個技術的實用化將為輸電線路的防雷設計和改造提供更多有用信息。

國內高速鐵路投入運行後接觸網經受住了各種考驗，供電基本安全可靠，但也暴露出一些問題，特別是雷擊引起的接觸網設備故障問題非常突出。據統計，2010—2011年全路因雷擊造成牽引供電系統故障52起，2012年1～7月造成牽引供電系統故障30起；京滬、武廣高鐵開通接觸網遭雷擊530起，接觸網設備時有損壞，影響了高速鐵路運輸秩序及牽引供電安全。

雷電過電壓及雷電放電分析

雷電過電壓是雷雲放電引起架空電力線路的過電壓，可分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓2種。直擊雷過電壓是由於雷電放電，強大的雷電流直接流經被擊物產生的過電壓，其特點是放電電壓高、放電電流大、放電過程時間短、閃電電流波形波頭陡度大；感應雷過電壓是雷擊線路附近大地，由於電磁感應在導線上產生的過電壓，其特點是雷電感應電壓幅值與雷雲對地放電時的電流、線路間相對位置、土壤電阻率、線路長度和高度、設備接地裝置的電阻等諸多因素有關。與直擊雷過電壓相比，感應雷過電壓的波形較平緩，波長較長。由於雷電現象極為頻繁，產生的雷電過電壓可達數千千伏，足以使電氣設備絕緣發生閃絡和損壞。

作用於高速鐵路架空接觸網的雷電過電壓絕大部分（約90%）是由帶負電的雷雲對地放電引起的，稱為負下行雷。負下行雷包括若干次重複的放電過程，每次放電可分為先導放電、主放電和餘輝放電3個階段。

（1）雷電先導放電階段

因雷雲帶有大量電荷，由於靜電感應作用，大地感應出與雷雲相反的電荷，雷雲與地面形成一個已充電的電容器，雷雲中的電荷分佈是不均勻的，當雷雲中的某個電荷密集中心的電場強度達到空氣擊穿場強時，空氣便開始電離，形成指向大地的一段電離的微弱導電通道，稱為先導放電。開始產生的先導放電是跳躍式向前發展，平均速度105～106m/s，中心溫度可達3×104K，縱向電位梯度約為100～500kV/m，電暈半徑約為0.6～6m，先導放電常常表現為分枝狀，這是由於放電是沿著空氣電離最強、最容易導電的路徑發展的。這些分枝狀的先導放電通常只有一條放電分支達到大地，先導放電階段的雷電流很小，約為100A。

（2）雷電主放電階段

當先導放電到達大地，或與大地較突出的部分迎面會合以後，就進入主放電階段。主放電過程是逆著負先導的通道由下向上發展的。在主放電中，雷雲與大地之間所聚集的大量電荷，通過先導放電所開闢的狹小電離通道發生猛烈的電荷中和，放出巨大的光和熱，通道溫度可達15000℃～20000℃，使空氣急劇膨脹震動，發生霹靂轟鳴，這就是雷電伴隨強烈的閃電和震耳的雷鳴。在主放電階段，雷擊點有巨大的電流流過，大多數雷電流峰值可達數十乃至數百千安，主放電的時間極短，為50～100μs，主放電電流的波頭時間為0.5～10μs，平均時間約為2.5μs。

（3）雷電餘輝放電階段

當主放電階段結束后，雷雲中的剩餘電荷將繼續沿主放電通道下移，使通道連續維持著一定餘輝，稱為餘輝放電階段。餘輝放電電流僅數百安，但持續的時間可達0.03～0.05s。

雷雲中可能存在多個電荷中心，當第一個電荷中心完成上述放電過程后，可能引起其它電荷中心向第一個中心放電，並沿著第一次放電通路發展，因此，雷雲放電往往具有重複性。每次放電間隔時間約為0.6ms～0.8s，即多次重複放電。據統計，55%的落雷包含2次以上，重複3～5次的佔25%，平均重複3次，最高記錄42次。

綜上所述，直擊雷、感應雷對接觸網設備都有影響，雷擊的主放電過程對接觸網設備破壞極大，餘輝放電次之，而先導放電基本上對接觸網設備的安全運行沒有影響。

高速鐵路接觸網落雷分析

雷電放電受氣象條件、地形和地質等許多自然因素影響，帶有很大的隨機性，主要的雷電參數有雷暴日及雷暴小時、地面落雷密度、主放電通道波阻抗、雷電流極性、雷電流幅值、雷電流等值波形、雷電流陡度等。其中，雷暴日、地面落雷密度是防雷保護設計最重要的依據。

（1）雷暴日

表徵一個地區雷電活動的頻繁程度通常以該地區的雷暴日（Td）來表示。雷暴日是指該地區平均一年內有雷電放電的平均天數，單位為d/a。國內電力行業標準DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（以下簡稱DL/T620-1997標準）中平均年雷暴日數不超過15d的地區劃為少雷區，如西北地區；平均年雷暴日數超過15d但不超過40d的地區劃為中雷區，如長江流域；平均年雷暴日數超過40d但不超過90d的地區劃為多雷區，如華南大部分地區；平均年雷暴日數超過90d的地區及根據運行經驗雷害特別嚴重的地區劃為雷電活動特殊強烈區，如海南島和雷州半島。

（2）地面落雷密度

雷雲對地放電的頻繁程度以地面落雷密度（g）來表示，g是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷擊的次數。DL/T620-1997標準中給出的地面落雷密度和雷暴日的經驗關係式g=0.023Td，由此判斷，一年中雷暴日越多的地區地面落雷密度越大，中雷區Td=40，則γ=0.07；重雷區Td=90，則γ=0.09。

由此可對接觸網的落雷進行分析，中雷區Td=40，γ=0.07，接觸網的落雷次數為N=0.28(b+4h)，高速鐵路接觸網的高度在16～36m，兩線間距約14m。按接觸網平均高度26m計算，中雷區落雷次數為33次/100km·a。重雷區Td=90，γ=0.09，接觸網的落雷次數為N=0.81(b+4h)，重雷區落雷次數為95次/100km·a。

一般220kV電力線路，b=11.6m，h=27.25m，則中雷區、重雷區落雷次數分別為33.8次/100km·a和97.7次/100km·a。可見，國內高速鐵路接觸網與220kV電力線路的落雷次數基本相當。