[科普中国]-落雷

落雷（thunderbolt）又称霹雳或云地间闪电。落雷发生于强对流天气中，光亮很强，响声很大的云地间闪电。它常是枝状或箭状沿曲折闪道而下，有时出现球状闪电，对地面上的人、畜、作物和建筑物等危害很大。

概念落雷（thunderbolt）又称霹雳或云地间闪电。常用的检测方法即在我国电网中投入运行的雷电定位系统，该系统由中心站和分布在不同地方的数个在线时差探测站组成。当被监视的区域内发生雷云对地放电时，中心站根据各时差探测站获得的闪电放电电磁信号时差，便可通过专用程序计算和确定雷击点位置。

基于OPGW的输电线路落雷检测与定位研究输电线路分布范围很广，尤其高压、特高压线路通常纵横跨越数百至上千公里，沿线地形极其复杂，很容易遭受雷击。输电线路一旦发生雷击事故，若不能在第一时间对故障点定位及进行故障排除，不仅直接影响输电线路的正常运行和输电系统的安全可靠性，也会给社会经济发展及人们的生产生活造成严重影响。因此，积极探索和研究架空输电线路雷击故障波检测及定位技术，有效缩短输电线路遭受雷击位置的查找时间，就显得尤为必要。

OPGW兼具地线与通信双重功能，一旦遭受雷击而发生故障，不仅严重影响系统运行，还会影响到正常的通信传输工作。因此，对OPGW上的雷击故障点定位并及时排除故障对电力系统的正常运行具有非常重要的意义。

雷击定位技术的现状已有基于导线行波的雷击检测与定位技术，通过在2个变电站之间几百公里线路上均匀布置行波检测设备，来实现导线上故障信号的检测与定位。但是当前导线行波的雷击故障检测技术，需要在高压端取电，安装与维护时需要耗费大量的人力、物力；同时所需行波检测设备的数量也与线路长度成正比，线路越长，设备配置与系统维护所需要的成本也会显著增加。

但无论如何，导线上的雷击故障定位技术毕竟还是可以实现的。然而对于发生在OPGW地线上的雷击事件，尚无有效的检测手段及雷击点定位的方法；由于OPGW多采用逐塔接地的方式，雷电行波信号在OPGW上也难以长距离传输，因此导线上的雷击故障检测方法也就无法推广至OPGW。人们亟待找出一种快速、准确地实现对OPGW上故障点定位的技术。

研究提出了一种基于法拉第效应的输电线路雷击监测与定位技术，利用OPGW中的光纤作为传感器，不需要在线路上额外安装任何设备，通过远端主机向光纤中注入探测光，并检测光纤中传输光信号的变化来进行雷击信号的检测与定位。

OPGW雷击检测与定位的原理及方案（1）技术原理

当线偏振光在介质中沿着磁场方向传输时，透射光依然为线偏振光，但由于磁场作用使介质对左、右圆偏振的折射率不同，透射线偏振光的偏振方向就会发生旋转，这就是法拉第效应。光在磁场的作用下的偏转面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即

θ=VBd

式中，比例系数V由介质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，称为费尔德常数。

在OPGW中传输光的偏振态会受到磁场和其他物理因素的调制，尤其是雷击时强大的脉冲电流产生的磁场会使OPGW内部传输光的偏振态产生剧烈变化，传输光的法拉第旋转角度就直接反映了线路上雷电流及其产生的磁场的大小变化。

（2）系统方案

根据上述原理，如果能够检测到雷击前后的光纤中传输光偏振角的变化，就能够实现雷击信号的检测；但是要实现雷击点的定位，单路的信号是无法实现的，必须同时存在两路信号。提出了基于OPGW的输电线路雷击检测与定位方案，具体光路结构如图1所示。

激光器发出的光经过光纤隔离器进入OPGW中的一根光纤，经过几十甚至上百公里传输后到达OPGW另一端；再经过一卷约25km延迟光纤后，沿OPGW中另一根光纤传输回来，通过信号调理模块解调光信号信息，数据通过计算机进行处理与分析。

实验装置及结果（1）实验装置

为了验证实验方案的可行性，在实验室环境进行了模拟雷击的实验验证，实验方案如图2所示。

光学主机为自主研发的雷击监测和定位装置，包含了激光器、隔离器、光电转换单元及信号调理单元等部分。其输出端口通过光纤跳线连接至OPGW的一芯光纤，输入端口接入OPGW的另一芯光纤，在OPGW另一端通过延迟光纤将上述两芯光纤串接在一起。高电压设备产生的模拟雷击电流信号通过导线传输至OPGW，在距离雷击点L=5m的位置为电气接地点。

由于实验现场不可能架设数十千米的OPGW以做到与实际线路完全一致，但为了模拟实际输电线路上的雷击情况，用了长度分别约为25km、50km、100km的延迟光纤来代替数十千米的OPGW线路。

雷击发生后会同时对OPGW中所使用的两芯光纤产生作用，分别产生一个雷击脉冲信号。一根光纤中的信号沿着路径1传输至光学主机，另一根光纤中的信号沿着路径2传输至光学主机，通过判断这2个脉冲信号的时间差，就能够计算出雷击位置后方的光纤线路的长度，这在实际线路上也就是雷击点距离对侧变电站的距离的2倍，进而实现雷击点的故障定位。

（2）实验结果

经过对设置25km、50km、100km长延迟光纤的实验，由高电压设备内部的互感器获取的实验室模拟的雷电信号波形和本光学主机采集的波形对比如图3所示（幅度均为相对的，幅值的正负与光纤初始偏振态有关，不代表方向）。

从图3（a）看出，受条件限制，实验室的雷击信号波头为25μs左右，电流过零值后存在约150μs的“拖尾”震荡，尽管这可能与线路上的状况不完全一样，但是从原理上讲并不影响波形与定位的实际判断。对比图3中的4幅子图可以发现，设置100km长的延迟光纤后的2次雷击信号能够完全分离，且每次波形均与雷电流波形比较一致。25km、50km的信号中第一个信号的尾端与第二个信号的起始端存在交叉叠加，这主要与雷电流的拖尾较长有关。而实际线路上的雷击信号持续时间一般不超过100μs，故在对侧变电站额外安装25km的延迟光纤就足以区分出两次的雷击信号。在本实验中，通过数据处理方法依然可以辨别出两个信号的起点位置，如图中“□”与“○”标记所示。

为了验证系统的可靠性，对不同长度的延迟光纤均作了多次试验，并用光时域反射仪（OTDR）测量了光纤的长度，数据对比见表1。

通过表1出，设备所测量的雷击点之后的光纤长度与实际光纤长度相比，大多数情况下误差均不超过200m，最大的误差为497m（最大相对误差1%）。如果考虑到在实际线路上应用时，线路长度为光纤长度的一半，那么精度可达到±250m，这说明本系统可以实现雷击点的定位。

研究结论从原理及实验2个方面对基于OPGW的输电线路上落雷检测与定位技术进行了分析。从波形上看，本系统基本可以定性还原出雷电流的实际波形；从定位结果上看，本技术也可以实现OPGW遭受雷击时的雷击点定位，应用于试验线路上时的定位误差可以达到±250m。因此，研究提出的基于OPGW的雷击检测方法可以实现输电线路上的落雷检测与定位，这可以为输电线路上落雷检测技术的发展提供思路和理论实践依据。未来会将本系统在220kV及500kV运行的线路上进行测试应用，这个技术的实用化将为输电线路的防雷设计和改造提供更多有用信息。1

高速铁路接触网落雷特性及防雷技术的探讨国内高速铁路投入运行后接触网经受住了各种考验，供电基本安全可靠，但也暴露出一些问题，特别是雷击引起的接触网设备故障问题非常突出。据统计，2010—2011年全路因雷击造成牵引供电系统故障52起，2012年1～7月造成牵引供电系统故障30起；京沪、武广高铁开通接触网遭雷击530起，接触网设备时有损坏，影响了高速铁路运输秩序及牵引供电安全。

雷电过电压及雷电放电分析雷电过电压是雷云放电引起架空电力线路的过电压，可分为直击雷过电压和感应雷过电压2种。直击雷过电压是由于雷电放电，强大的雷电流直接流经被击物产生的过电压，其特点是放电电压高、放电电流大、放电过程时间短、闪电电流波形波头陡度大；感应雷过电压是雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产生的过电压，其特点是雷电感应电压幅值与雷云对地放电时的电流、线路间相对位置、土壤电阻率、线路长度和高度、设备接地装置的电阻等诸多因素有关。与直击雷过电压相比，感应雷过电压的波形较平缓，波长较长。由于雷电现象极为频繁，产生的雷电过电压可达数千千伏，足以使电气设备绝缘发生闪络和损坏。

作用于高速铁路架空接触网的雷电过电压绝大部分（约90%）是由带负电的雷云对地放电引起的，称为负下行雷。负下行雷包括若干次重复的放电过程，每次放电可分为先导放电、主放电和余辉放电3个阶段。

（1）雷电先导放电阶段

因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，大地感应出与雷云相反的电荷，雷云与地面形成一个已充电的电容器，雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中的某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强时，空气便开始电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道，称为先导放电。开始产生的先导放电是跳跃式向前发展，平均速度105～106m/s，中心温度可达3×104K，纵向电位梯度约为100～500kV/m，电晕半径约为0.6～6m，先导放电常常表现为分枝状，这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先导放电通常只有一条放电分支达到大地，先导放电阶段的雷电流很小，约为100A。

（2）雷电主放电阶段

当先导放电到达大地，或与大地较突出的部分迎面会合以后，就进入主放电阶段。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。在主放电中，雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先导放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出巨大的光和热，通道温度可达15000℃～20000℃，使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣，这就是雷电伴随强烈的闪电和震耳的雷鸣。在主放电阶段，雷击点有巨大的电流流过，大多数雷电流峰值可达数十乃至数百千安，主放电的时间极短，为50～100μs，主放电电流的波头时间为0.5～10μs，平均时间约为2.5μs。

（3）雷电余辉放电阶段

当主放电阶段结束后，雷云中的剩余电荷将继续沿主放电通道下移，使通道连续维持着一定余辉，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03～0.05s。

雷云中可能存在多个电荷中心，当第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起其它电荷中心向第一个中心放电，并沿着第一次放电通路发展，因此，雷云放电往往具有重复性。每次放电间隔时间约为0.6ms～0.8s，即多次重复放电。据统计，55%的落雷包含2次以上，重复3～5次的占25%，平均重复3次，最高记录42次。

综上所述，直击雷、感应雷对接触网设备都有影响，雷击的主放电过程对接触网设备破坏极大，余辉放电次之，而先导放电基本上对接触网设备的安全运行没有影响。

高速铁路接触网落雷分析雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素影响，带有很大的随机性，主要的雷电参数有雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。其中，雷暴日、地面落雷密度是防雷保护设计最重要的依据。

（1）雷暴日

表征一个地区雷电活动的频繁程度通常以该地区的雷暴日（Td）来表示。雷暴日是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数，单位为d/a。国内电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（以下简称DL/T620-1997标准）中平均年雷暴日数不超过15d的地区划为少雷区，如西北地区；平均年雷暴日数超过15d但不超过40d的地区划为中雷区，如长江流域；平均年雷暴日数超过40d但不超过90d的地区划为多雷区，如华南大部分地区；平均年雷暴日数超过90d的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区划为雷电活动特殊强烈区，如海南岛和雷州半岛。

（2）地面落雷密度

雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度（g）来表示，g是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。DL/T620-1997标准中给出的地面落雷密度和雷暴日的经验关系式g=0.023Td0.3，由此判断，一年中雷暴日越多的地区地面落雷密度越大，中雷区Td=40，则γ=0.07；重雷区Td=90，则γ=0.09。

（3）高速铁路接触网的落雷次数

由于高速铁路接触网普遍架设在空旷田野的桥梁上，一般为该区域的最高点，存在引雷作用，其吸引范围与导线高度等因素有关，每100km线路每年遭受雷击的次数N为

式中，b为边相导线间的距离，m；h为导线的平均高度，m。

由此可对接触网的落雷进行分析，中雷区Td=40，γ=0.07，接触网的落雷次数为N=0.28(b+4h)，高速铁路接触网的高度在16～36m，两线间距约14m。按接触网平均高度26m计算，中雷区落雷次数为33次/100km·a。重雷区Td=90，γ=0.09，接触网的落雷次数为N=0.81(b+4h)，重雷区落雷次数为95次/100km·a。

一般220kV电力线路，b=11.6m，h=27.25m，则中雷区、重雷区落雷次数分别为33.8次/100km·a和97.7次/100km·a。可见，国内高速铁路接触网与220kV电力线路的落雷次数基本相当。

雷电对高速铁路接触网的影响（1）直击雷

直击雷放电电压高、放电电流大，当雷电击中导线后，在导线上产生很高的过电压，会引起绝缘子闪络和设备损坏。例如，2012年7月4日14时12分，直击雷击中京沪高铁王庄—匡庄区间2482#支柱加强线支持绝缘子，造成瓷绝缘子破损2片，故障停电11min。架设避雷线可有效地减少雷直击接触网的概率。

（2）感应雷

雷云对地放电时，落雷处距架空接触网的垂直距离S>65m时，无避雷线的架空导线上产生的感应雷过电压最大值可按下式估算：

式中，Ui为雷击大地时感应雷过电压，kV；I为雷电流幅值，kA；hc为导线平均高度，m；S为雷击点与线路的垂直距离，m。

感应雷过电压与雷电流幅值I成正比，与导线悬挂平均高度hc成正比，hc越高则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应雷过电压与雷击点到线路的距离S成反比，S越大，感应雷过电压越小。由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，最大雷电流幅值一般不会超过100kA，按100kA进行估算，感应雷过电压的幅值为300～400kV，可引起35kV及以下电压等级电力线路的绝缘子闪络，而对110kV及以上电压等级的电力线路，则不会引起闪络。例如，2012年7月12日17时35分，感应雷造成武广高铁赤壁北至岳阳东区间上下行接触网停电，938#、940#支柱上正馈线绝缘子闪络，故障停电24min。

高速铁路接触网防雷技术（1）现有的接触网防雷措施

现有的铁路电力牵引供电设计规范规定，根据雷电日及运营经验，按下列原则对接触网进行大气过电压保护：“高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：①分相和站场端部绝缘锚段关节；②长度2000m及以上隧道的两端；③较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。强雷区应架设独立的避雷线。”依据设计规范，接触网可采取的防雷措施如下：

①接触网柱顶架设避雷线，避雷线对承力索、正馈线的保护角不宜大于20°，避雷线宜每200～300m设独立接地极。

②支柱接地与高速铁路综合接地系统的贯通地线相连，当铁路未设综合接地系统时，支柱通过保护线或回流线、架空地线等实现安全接地。

③在牵引变电所出口、接触网隔离开关、高压电缆头等处采用氧化锌避雷器。

（2）接触网防雷技术发展思路

①构建区域化设防网络

参考国内电网雷电定位系统和雷电监测网的雷电日、地闪密度及雷电流幅值等统计数据，找出各省区铁路沿线雷电活动特性，便于接触网采取针对性的防雷措施和差异化设计。铁路供电部门还可进一步研究利用雷电监测网的雷电临近预警功能进行预防工作，利用雷电定位功能进行接触网雷电故障点的快速标定，便于组织抢修工作。

②提高接触网雷电设防精度

根据雷电监测网统计的雷电活动数据计算铁路沿线接触网遭受雷击的频度及跳闸率，并结合地形地貌（如平原/山谷、荒漠/树木等）及接触网架设特征（路基/高架）等确定雷电设防标准及防雷措施。

③采取针对性的接触网防雷措施

对于铁路穿越雷电活动密集地区，或接触网遭受直击雷较多的路段，如平原/荒漠地区或高架桥区段，采取以局部架设避雷线为主的防雷措施。

对于铁路选线临近雷电活动密集地区，或山谷里、树木覆盖率高及临近城市高层建筑等情况，接触网采取以预防感应过电压、反击雷电过电压为主的防雷措施。

（3）高速铁路接触网防雷存在的问题

①避雷线设置

在桥隧相连的山区高速铁路，独立避雷线设置有难度，由于高速铁路接触网普遍采用AT供电方式，可以考虑提升保护线（PW）或正馈线（AF）高度兼作避雷线的方案。

当利用保护线兼作避雷线时，应做独立的接地极，且铁路沿线吸上线设置点、建筑物内的电气、电子设备或变、配电所35kV及以下设备与贯通地线的地下连接点，应与该独立接地点保持15m以上的地中距离。

当利用正馈线兼作避雷线时，在牵引变电所正馈线上网点应单独设置隔离开关，保证具备正馈线单独退出运行或故障切除的功能。

②避雷器设置

国内接触网普遍采用无间隙氧化锌避雷器，额定电压42kV，标称放电电流5kA，该氧化锌避雷器在高速铁路运行中存在如下问题：

由于交直交传动动车组的高次谐波电流引起牵引供电系统谐振，高幅值、高频率电压造成多条高铁接触网避雷器阀片发热、爆炸。

在直击雷的主放电阶段，由于雷电流峰值可达数十乃至数百千安，主放电的时间约为50～100μs，而接触网用氧化锌避雷器的标称放电电流5kA、放电时间20μs的技术条件较低，在高速铁路运行中，存在雷电后避雷器放电计数但绝缘子仍闪络击穿的现象。

所以，合理的避雷器设置不是简单的增加数量和密度，而是应进一步提高避雷器耐受过电压、过电流能力。

研究结论根据雷电过电压及雷电放电过程分析，可以看出雷击的主放电过程对接触网设备破坏极大。高速铁路接触网与电力系统220kV架空线路的落雷次数相当，由于接触网的绝缘等级较低，因此直击雷、感应雷均会破坏接触网绝缘性能，造成安全隐患。在现有接触网防雷措施的基础上，应注意采用或发展以下防雷技术：

（1）参考国内电网雷电定位系统，构建高速铁路区域化接触网雷电设防网络。

（2）利用雷电监测网统计的雷电活动数据，提高接触网雷电设防精度。

（3）判别铁路沿线直击雷、感应雷的影响因素，采取针对性的接触网防雷措施。

（4）灵活采取独立避雷线或利用保护线、正馈线兼作避雷线的技术方案，并适当提高氧化锌避雷器的技术参数。2

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学