浅谈利用多普勒雷达回波、闪电定位系统快速确定雷击故障点和隔离方向——兼论GIS配网系统增加实时气象要素可视化抢修辅助手段的可能

浅谈利用多普勒雷达回波、闪电定位系统快速确定雷击故障点和隔离方向——兼论 GIS 配网 系统增加实时气象要素可视化抢修辅助手段的可能

黄伟岳

潮州供电局 广东省潮州市 521000

摘要：为提高基层供电所在发生强天气导致的中压电网故障后的排障复电速度，提供提前布置抢修力量的气象参考，着重提高防雷抗雷的能力、探索建立本地雨窝和雷电易发区域数据库等，提出了探索建立GIS强天气综合预警系统的方案，冀系统能综合雷电落点坐标、区域雷电密度、雷电强度及多普勒雷达回波特性等气象要素，结合南方电网公司已有的配电网GIS系统，达到综合预警的目的。本系统针对中压线路运维单位的运维人员进行设计，预期提供滚动可视化多普勒雷达回波预报、实时雷电落点数据查询、输电线路故障危险分级预警、线路雷击落点参考、短信推送等功能。系统可实现对一段时间内遭受雷击的输电通道及线路区域高风险区段发出警报。通过调度、运行、维护检修、应急等联动的主动性动态防护措施，将雷电造成的停电损失和人员伤害降到最低，从而提高电网雷害主动性防御水平。

关键词：故障抢修 雷电预警 多普勒GIS

前言：本人于2015年至2018年8月在潮州饶平供电局东山供电所工作，在三年的中压线路故障抢修参与过程中，探索利用深圳气象台雷电预警系统部分功能，结合南方电网既有的GIS配电网系统对雷击导致的过流或接地故障点进行预测，帮助供电所运维班快速确定隔离方向并取得一定成效。由于故障类型确由雷击产生的停电事件中，1-2km精度的预测准确率达到100%，故觉有必要总结这3年的数据和气象要素预测经验，结合当前配电网建设运维自动化、智能化的趋势，探索改造既有的GIS系统的可能。

一、正文

（一）我所配电网遭雷击的情况简述

1、东山供电所辖区最高电压等级为10kV，全所只有一回10kV东山线518，网架简单，部分支线处于污秽程度较高的山林地区且至今未改造，绝缘子使用年限较高，春季回南天期间常出现污闪导致的短时接地故障。东山线518供电半径较长，其中年用电量较大、用电波动较高的地区均处在线路供电半径末端，虽然加大了运维强度，也将该支线列入技改计划，但近几年的平均停电时户数仍然处于攀升的趋势。

2018年东山供电部分高压故障单

2015-2019年，全所共发生51起高低压停电故障，其中高压故障10起，因雷击导致的高压故障5起，雷击直接导致的中压线路跳闸占比高达50%，已经成为当前中压故障最主要的防范对象。

2、当前的抢修方式，较大程度上仍依赖故障地区的片区管理员对片区设备的了解程度。停电发生后，若经验不起作用，此间未能发现故障点则需铺陈开全面隔离检查。遇到雷击接地点较多，绝缘子击穿不明显，无人机也无法发挥作用的时候，常需逐杆进行接地电阻摇测，判断是否接地以及接地类型。有时为降低停电时户数，不得不将隔离区的某一段线路绝缘子全部更换，耗时费力且不够经济，有悖当前电网运维理念。

（二）粤东地区雷电特征及参考手段的原理

1、由于闽粤琼三省每年处于海洋暖湿与大陆冷高压僵持时期相对偏长，故成为中国闪电最集中的区域。东山供电所所在位置为粤东闽南地区，亚热带季风气候。按照闪电发生的天气背景，粤东地区的闪电主要存在以下三种：

第一类是自北向南渗透的冷空气与自西向东的西南暖湿交汇时产生的强对流天气，以出现显著飑线为特征，自西向东过境。天气背景是冷空气逐渐强势或海洋风爆发之前，故此类闪电多发于春夏之交、秋冬之交；第二类是夏季午后本地局部的垂直对流爆发，天气背景一般是副热带高压彻底控制华南地区，一般处于对流层中低层588hpa等压线的控制之下，下沉气流强势；第三类是西太平洋与南海台风迫近时，台风外部环流过境产生。在这些雷电高发的天气背景中，以第一、三类有显著和移动稳定的飑线过境类型为本论文研究的主要对象。分析东山所高压故障特点同样可以发现，全年高压故障基本都发生在4-9月，即强天气较多的春夏之交到秋季之间，与本地强天气高发时间段呈显著正相关。

2、介绍多普勒雷达回波和闪电定位特性

目前国内外公开免费的多普勒雷达预警系统有很多，国内各地市局气象台均有提供，闪电预警和定位使用深圳气象台的气象监测-闪电定位系统，2018年以前称“雷电预警戒备系统”。多普勒雷达回波都是通过对气象回波进行多普勒速度分辨，可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况，从而得到相关的气象信息并利用可视化技术转换而来。通俗的讲，可以透过雨点反射回来的信号强弱来探测大气中的降雨，进而作为对流强度的参考。信号的强弱取决于多种因素，一般来说，空气中雨点越大越多，反射信号越强，闪电多发于30dB强度以上，但并不是对流激烈就一定产生闪电，闪电的产生有更复杂的气象条件约束，仍应以闪电密度判断雷电预警等级。

3、介绍雷暴预警模型

利用气象卫星云图接受处理系统获取高分辨率成像仪数据，与电网输电线路地理坐标相结合，实时输出关注对象相关的图像产品。对大尺度的卫星云图资料依据时间进行序列化处理，建立了一种快速实时的雷暴预测模型，对序列气象云图中的对流云团进行识别、跟踪和移动趋势的估计，实现大尺度等级的雷暴活动发展预测。通过分析雷电活动时空的分布特性，虽然雷电发生是离散和随机的，但在大面积区域上，时空分布依然有规律可循。研究不同时间段内的雷暴团对应方法，获取雷暴团的运动轨迹，并对雷暴团运动轨迹进行预测，实现中尺度的雷电活动趋势预测。在雷雨云来临时，大气电场强度会发生变化，通过监测雷雨云中强电荷的极性、强度、分布及其发展演变，可对雷电灾害发生时间、方位、强度、移向等进行提前预警。利用大气电场仪探测大气电场，结合电场仪安装的位置和本地的地形条件等因素设定多级报警值，可实现准确的小尺度雷电短时预警。

雷达回波图（截取自中央气象台）

实时闪电定位及飑线（截取自深圳气象台）

（三）故障方向的确定方法

由于本地区雷电产生的方式集中于正文（二）粤东地区雷电特征小节中第一、三类天气背景，即伴随飑线而来且约束于对流回波前进的方向周围，故参考雷达回波和闪电定位可以作为一线抢修员工快速确定停电故障方向（调度中心反馈为过流、接地的故障类型）的技术参考，福建气象台提供的雷达回波预警实时性高、间隔短，本人在实际操作中均参考福建气象台的资料，这类故障点定位方法如下：

激烈天气的飑线通常以自西向东、自北向南过境饶平县东山镇，当通过雷达回波预警系统确定激烈天气临近时（在10-20公里内注意飑线回波运动方向即可）应立即关注气象台的雷电预警系统并打开南网配电GIS系统，发生停电时，若调度部门反馈的停电信号为过流类、接地类，则可能是闪电所致。此时应将雷电预警系统闪电密度图与配电GIS系统的线路沿布情况相结合，查看线路附近的闪电情况筛选确定可能的线路雷击点，剔除云闪部分，剩下的地闪点即可能发生了线路设备遭雷击的情况，应快速对该方向进行隔离并重点排查。停电若发生在飑线过境线路前，这类故障的定位成功率最高，也更容易确定停电与故障之间的相关性，一旦飑线和闪电过境且回波已覆盖大部分线路，雷击故障点的确定难度大大提升。

我们以2018年8月2日10时57分东山供电所发生的停电故障为例：2018年08月02日10时57分，潮州饶平供电局东山供电所发生停电故障，调度反馈为单一开关断开操作，原因不明。我所运维人员通过雷达回波和雷电预警系统将已被飑线过境、已发生雷击并出现故障的线路迅速隔离，仅用时16分钟即于08月02日11时14分隔离92T1开关，非故障区线路恢复送电（或转电）。随后，根据GIS配电系统线路沿布情况，筛选出三个地闪点对其重点排查，最终在三个地闪点其中之一的镇区联通专用台变台架上找到了被雷电击穿的避雷器，迅速更换并恢复复电。

（四）将预警系统同GIS系统结合方式和功能分析

以上这些探测资料从不同角度反映了雷暴云团、雷电活动趋势、云内放电活动等情况，实现了由粗到细的阶段性预警，电网雷电综合预警方法将三者有机结合，实现对雷电活动最高的精确度和最优的临近预警效果。当前南方电网公司的配电网GIS系统部分地市局的杆塔线性定位工作已日臻完善，若预算合理，也可参考以上自建雷暴预警系统系统。建议增加的功能如下：

1、输电线路附近强雷暴活动可视化：可查看未来30min飑线过境方式和雷电活动预报，可回溯回波过境过程。

2、实时线路预警概况：用户所关注的线路当前雷电预警情况展示，依据雷电预警等级以红、橙、黄3种颜色进行表示（近似于目前各大气象台通用的雷达回波预警可视化方式）。实时线路总体预警按10min统计，用户可看到每天24h中每10min的雷电预警信息统计（显示红、橙、黄色预警所涉及的线路条数）。

3、实时线路总体预警按天统计：用户可看到当前时间前1个月每天的雷电预警信息统计。

4、历史时刻线路总体雷电预警概况：用户可通过时间控件查询任何历史时间内线路总体雷电预警概况。

5、历史线路总体预警按10min统计：用户可看到历史时刻当天每10min的雷电预警信息统计。

6、实时线路总体预警按天统计：用户可看到历史时间前1个月每天的雷电预警信息统计。

7、线路雷电预警的地图展示：在地图上总体展示线路分布以及相应雷电预警分布图，用户可直观看到哪些地方雷电活动较为强烈。

8、雷电预警地区统计：对线路雷电预警依据所在行政区域进行归类，用户可直接看到具体的行政区是否有强雷暴活动，并是否涉及到所关注线路。

9、单条线路预警详情：用户可在地图上查看到该线路的雷电预警区段，同时在用户界面可看到危险区段的详细描述，包括线路区段编号、雷电预警详情、天气预报情况等。单条线路预警统计：可查看该线路1天中每10min的雷电预警统计情况。

10、线路预警区段定位：用户可鼠标点击预警区段（同样用红、橙、黄色标注），地图直接放大定位到危险区段区域。线路雷击查询：用户可在雷击预警的时刻，对该线路进行雷电活动查询，查询条件是预设的，时间为当前预警发布时刻，缓冲区半径为1、2、5km用户可点击选择。线路雷电预警历史回放：用户在查看单条线路雷击预警时，可以通过切换用户选项卡形式，查看该线路前30min内的雷电活动与对应的雷电预警情况，以验证雷电预警效果。

6. 结论

综合多普勒雷达回波、雷电预警系统和GIS配电系统的辅助手段，实践证实可以起到加快检修复电速度、减少停电时户数的作用。即便在未真正成熟地应用于GIS配电、输电系统之前，利用气象局平台资料推广该实用技巧也有一定价值，这种预测的方式和原理简单，经简单培训即可发挥成效。若对原有GIS配电系统、输电系统叠加气象要素功能，则建议增加可以通过回波强度和雷电密度对飑线经过的线路进行分级预警，精确线路附近已发生的雷电的坐标，通过简单算法判断可能的雷击点，使用微信、短信等方式发送到相应供电所运维人员处的功能，将有效达到提前戒备、就地抢修的效果。