基于雷電監測的高海拔地區電磁場信號傳播規律研究

李國彬，周仿榮，黃然，楊恩，高梓瑞，李志偉，張國建

（1. 云南電網有限責任公司大理供電局，云南 大理 671000；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

雷電活動產生的電磁輻射場，特別是地閃電磁場輻射波的主要能量集中的低頻/甚低頻段的電磁場，其產生的電磁波可沿地球表面傳播數百千米或更遠，通過監測低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應的電磁感應信號實現對地閃的定位和監測。雷電定位系統是目前雷電探測領域最常用的監測技術手段，也是雷電科學應用最為廣泛的雷電監測技術平臺。

雷電定位系統一般是指在一個地區甚至一個國家的廣大區域設立多個相距幾十公里到幾百公里的探測站，構成的廣域地閃探測網，可測量雷電輻射電磁波的方向、距離、高度角等諸多物理參數，測量數據經處理可得到閃電發生的地點(坐標)、時間、輻射電磁場強度和雷電流的強度、極性、回擊次數等重要雷電特征參量。

雷電定位監測技術及系統在電網中的廣泛應用[1]，對雷電地閃監測、電網安全運行和故障處置、電網雷擊預警起到了重要支撐作用，我國許多網省公司調度及運行部門將雷電定位監測技術及系統作為雷擊故障點快速定位、雷擊事故鑒別、雷電短時預警的主要技術手段。

1 廣域雷電監測平臺

本文研究以云南廣域雷電監測平臺實測地閃雷電電磁場信號特征數據為基礎，借助監測系統的強大數據處理能力和海量存儲能力，將分布于云南各個地區的大量原始雷電數據進行處理分析，找出雷電電磁場幅值信號在傳播過程中的變化特征，完善雷電電磁波廣域傳播特性研究。

1.1 雷電定位系統布站原則

探測站的數量和布置，很大程度上決定了雷電定位系統的規模、探測效率和定位精度。在云南雷電定位系統探測站選址中，綜合考慮到高海拔地區特有地形復雜、環境干擾嚴重、通信條件較差、運行維護困難等因素[2]。同時也充分慮到雷電電磁波傳播特性，單個探測裝置間距離控制在200 ～250 km，外圍探測裝置組成的多邊形的對角線遠大于150 km 時，在多邊形內增加適當數量的探測裝置，以起聯絡核心的作用，減少雷電信號丟失。

具體單個探測裝置安裝地址的選擇都盡量避開了周圍較高建筑物或其他遮擋物，高大遮擋物到探測站的距離大于遮擋物高出探測站的高度的30 倍（見圖1），并借助數學模型進行大量模擬計算。該種布站原則可適當避免周圍環境因素對雷電波形產生阻擋引起畸變。為我們深入研究雷電傳播規律提供了最真實的雷電特征數據。

圖1 雷電探測裝置安裝與高建筑物位置關系

1.2 雷電定位系統雷電探測站分布情況

云南雷電定位系統從2003 年開始分批建設投運，截止2016 年底共建有47 個雷電探測站，基本實現對全云南省的雷電監測覆蓋。該系統投運至今，運行良好、數據準確，對雷電小時、雷電個數、雷電幅值、落雷密度等雷電參數的統計準確[3-4]，已逐漸成為科研人員數據積累和一線員工雷擊故障查找的重要手段之一。目前云南雷電定位系統的雷電探測站分布情況、探測站名稱如下圖2 所示。

2 雷電電磁場信號傳播特征研究

2.1 建立雷電電磁信號幅值特征統計分析方法

現階段雷電電磁波傳播特性研究主要基于理論仿真計算方法，對于實測雷電特征數據研究較少，其原因是受到以前簡單的雷電監測技術手段限制，現借助廣域雷電監測網累積的大量原始雷電特征數據，找出合理的統計思路，利用數據統計處理工具分析各種路徑下雷電電磁波信號幅值變化特征，從數據統計角度找出雷電廣域傳播特性的共性，提取雷電電磁波傳播規律。

通過大量數據統計表明，不同地形地貌對雷電電磁波的傳播影響較大，所以在使用數據統計方法時首先對雷電原始數據按落雷區域的地形進行分類，根據地形地貌的不同分為多山、多平原等區域進行分析。并在每個地區選擇具有代表性的典型雷電傳播路徑，以直線傳播路徑上多個探測站同收雷電波形作為具體分析對象，針對同收的雷電原始數據，提取電磁場峰值，根據雷電信號磁場峰值的變化來研究雷電波磁場幅值變化規律和影響因素[5]。

圖2 云南雷電定位系統的雷電探測站分布圖

2.2 單次雷電電磁波信號幅值傳播特性

為了研究雷電電磁波信號幅值傳播特性[6-7]，首先隨機對單次雷電過程進行幅值分析，針對單次雷擊過程，選取參與定位計算的多個雷電探測站同時接收的雷電原始數據，按照直線傳播路徑分析單次雷擊在不同傳播路徑上電磁波信號幅值變化特點，分析每條路徑上各探測站接收到同一雷電電磁信號的幅值大小與距雷擊點距離關系及變化趨勢。圖3 為云南地區2016年6 月7 日一次雷擊過程，按照探測站分布的直線路徑將電磁波傳播路徑分為路徑1、路徑2、路徑3，每條路徑上各探測站接收到同一雷電信號的幅值強度與距雷擊點距離如表1 所示，綜合各傳播路徑來看，雷電電磁波幅值隨著傳播距離的增加有非常明顯的衰減過程，其變化趨勢圖見圖4。

圖3 單次雷擊過程不同直線傳播路徑圖

表1 各探測站接收到同一雷電信號強度與距離

圖4 云南地區不同傳播路徑磁場幅值變化

從上圖4 可以看出，在約100 km 范圍內，傳播信號的衰減速度在各方向上沒有顯著的差異，但隨著傳輸距離越遠，傳播信號的衰減速度與地形地貌明顯相關，地形起伏越復雜，衰減速度越快。

3 多次雷電電磁波信號廣域傳播

針對多次地閃雷擊放電電磁信號進行幅值規律統計，主要依據同一地點多次雷擊放電重復傳播路徑的傳播特性和不同雷擊點不同傳播路徑的傳播特性得出一定的統計規律。

3.1 同一地點電磁信號幅值傳播規律

多次地閃雷擊放電發生在不同時刻相隔距離很近的區域，在廣域地面范圍可以近似為同一地點，統計分析時選取了100 余條類似這樣發生在同一地點的原始數據，由于文章篇幅所限，僅列出3 條同一地點不同時刻發生的雷擊點時間與位置信息（見表2）雷擊點分布如圖5所示，3 次雷擊放電電磁信號均被多個探測站同收，所有同收信號幅值與探測站距離數據詳見表3、表4、表5 所示。

表2 雷擊點時間與位置信息

表3 同一地點雷擊點1各探測站幅值

由于每次雷電的原始磁場強度不同，為了得出統一的幅值衰減規律，將每次離雷擊點最近磁場強度最大的磁場幅值記為1，對其他探測點的磁場幅值進行歸“1”法處理，得出磁場換算幅值。根據各探測站雷電磁場信號的換算幅值得出總的磁場幅值變化的統計規律，同時，為對比不同地形對幅值變化趨勢的影響，用同樣方法選取以平原典型代表為主的江蘇地區的幾次的雷電數據作為對比分析，其變化詳細趨勢如圖6。

表4 同一地點雷擊點2各探測站幅值

表5 同一地點雷擊點3各探測站幅值

圖5 同一地點不同時刻發生的多次雷擊點

圖6 同一地點雷電磁場幅值變化趨勢及變化率

從上圖中可以明顯看到：無論是云南高原山地區域或是江蘇平原地區，同一地點多次雷擊過程重復傳播路徑磁場幅值隨距離增加呈衰減趨勢，其中在云南山區的雷電幅值在100 km范圍內衰減了約70% 左右，在200 km 處衰減約80%，200 km 以后幅值衰減變化明顯放緩，200 km～500 km 范圍衰減只有10%；但相比云南地區，江蘇平原地區的信號衰減相對比較慢，江蘇地區的雷電電磁波信號幅值在100 km 范圍內僅衰減了約30% 左右，在200 km 處衰減達到80%左右，200 km 以后幅值衰減變化也放緩。

3.2 不同地點電磁信號幅值傳播規律

圖7 不同地點不同時刻發生的多次雷擊點

在同一雷擊地點相同傳播路徑情況下研究波形傳播特性，更有利于發現統一的變化規律，但各個探測站固有測量誤差也會使統計結果趨于一致，造成統計結果有所偏差不能完全反應真實的變化情況，為了避免這種誤差我們又對不同雷擊地點不同傳播路徑的同收波形數據進行了統計分析，分析結果同樣以3 條雷擊數據為例來說明，圖7 所示為不同地點不同時刻雷擊點，各雷擊點產生的雷電波沿不同傳播路徑到達各探測點，雷擊點信息如表6 所示，多站同收磁場幅值詳見表7 至表9。磁場幅值歸一化處理過程跟之前一致得出每個波形的換算磁場幅值作為規律分析數據源，其變化詳細趨勢如圖8 所示。

表6 雷擊點時間與位置信息

表7 不同地點雷擊點1各探測站幅值

表8 不同地點雷擊點2各探測站幅值

從圖8 可以看出，由于是不同雷擊點沿不同路徑傳播，同一探測站接受到的內磁場幅值基本與距離成正比，不同探測間測量誤差不一致使得傳播規律沒有同一雷擊地點重復路徑明顯，但其磁場波形幅值變化規律與同一地點多次雷擊的變化規律大致相同，200 km 范圍內磁場幅值衰減約70%～80% 左右，200 km 以內幅值衰減速度較快，200 km 以外衰減平緩。

表9 不同地點雷擊點3個探測站幅值

圖8 不同地點雷電磁場幅值變化趨勢及變化率

4 結束語

本文通過對大量雷電電磁信號的數據分析，并綜合同一地點多次雷電與不同地點多次雷電的大量波形數據統計結果，對雷電遠場輻射磁場幅值廣域傳播規律如下：

1）雷電傳播距離對雷電波磁場幅值影響較大，隨傳播距離的增加磁場幅值總體上呈現大幅衰減趨勢。在不同距離范圍衰減程度不同，傳播距離在50 km～200 km 范圍內幅值衰減速度非?？?，到200 km 距離附近衰減率約80%，而在200 km～500 km 范圍內衰減速度放緩，衰減率約10%。

2）相對于平原地區，地形地貌的起伏度對雷電信號的衰減度也有較大的影響，云南高原山地對雷電信號衰減更厲害。在100 km 處云南山地區域信號衰減為70%左右，而江蘇地區為30% 左右，云南山地區電磁場信號衰減是江蘇平原地區的2 倍左右。

3）結合實際雷電磁場信號統計規律，進一步研究傳播距離、地形地貌對雷電電磁信號傳播特性，以優化云南高海拔山區的雷電探測站布置形式。