電力系統(tǒng)雷擊遠(yuǎn)程在線拍攝系統(tǒng)

江安烽，傅正財(cái)，顧承昱，顏楠楠，陳 堅(jiān)，阮浩浩

（1.上海交通大學(xué) 電氣工程系 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030；2.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；3.上海電力公司檢修公司，上海 200120）

0 引言

國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明雷擊是輸配電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)，開展輸配電線路雷擊事故調(diào)研對進(jìn)一步降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)是至關(guān)重要的[1-2]。圖像信息是輸配電線路事故調(diào)研的重要方式，日本最先采用傳統(tǒng)膠片照相機(jī)拍攝輸配電線路雷擊[2]，隨后南非采用攝像機(jī)[3]、美國采用單反相機(jī)[4-5]記錄配電線路雷擊。近年來，日本的拍攝技術(shù)發(fā)展最快，已將靜態(tài)相機(jī)、攝像機(jī)、高速攝影儀成功應(yīng)用于輸配電線路雷擊拍攝[6-11]。目前，國外進(jìn)行了大量輸配電線路雷擊拍攝研究而國內(nèi)研究較少，主要是中國電科院、氣象科學(xué)研究院采用攝像機(jī)、高速攝影儀觀測人工引雷、雷擊地面、建筑物的過程[12-13]。

以往研究最深入、應(yīng)用最多的拍攝裝置是日本的傳統(tǒng)膠片照相機(jī)，但其不能進(jìn)行在線拍攝，無法與今后智能電網(wǎng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合，且傳統(tǒng)膠片照相機(jī)已退出主流市場，更新維護(hù)存在問題，與攝像機(jī)相比可能漏拍。高速攝像機(jī)花費(fèi)巨大，拍攝分辨率很低，只適用于雷電上、下行先導(dǎo)起始和傳播的觀測。普通攝像機(jī)比傳統(tǒng)膠片照相機(jī)拍攝效果好，但以往的系統(tǒng)存在體積大、能耗高、不能遠(yuǎn)程控制的問題。

本文研發(fā)的基于光電觸發(fā)有預(yù)錄功能的全天候電力系統(tǒng)雷擊遠(yuǎn)程在線拍攝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)雷擊的視頻采集和遠(yuǎn)程無線傳輸。已有4套該系統(tǒng)在線運(yùn)行于上海電網(wǎng)2條10 kV和1條35 kV配電線路，通過一個(gè)雷季的運(yùn)行，獲得了上百段云閃和20段雷擊配電線路附近地面的視頻，并將20段雷擊線路附近的地閃數(shù)據(jù)與線路運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究。

1 雷擊遠(yuǎn)程在線拍攝系統(tǒng)原理

電力系統(tǒng)雷擊遠(yuǎn)程在線拍攝系統(tǒng)主要由雷擊在線拍攝裝置終端系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)雷擊遠(yuǎn)程在線拍攝系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of online remote lightning stroke shooting system for power system

雷擊在線拍攝裝置終端系統(tǒng)可安裝在輸配電線路桿塔或建筑物上，開機(jī)后始終處于拍攝狀態(tài)的攝像機(jī)將攝得的模擬視頻信號(hào)輸入到視頻采集模塊，視頻采集模塊將模擬視頻圖像壓縮轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻圖像后傳送到中央處理模塊。當(dāng)探測視野范圍內(nèi)發(fā)生雷閃時(shí)，光探測器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給中央處理模塊，中央處理模塊收到觸發(fā)信號(hào)后截取觸發(fā)時(shí)刻前后數(shù)秒的數(shù)字視頻圖像作為雷擊圖像存儲(chǔ)到閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，同時(shí)通過無線通信模塊將數(shù)字視頻圖像信息通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)，客戶終端可以通過Internet訪問FTP服務(wù)器上的雷擊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，并通過專用軟件逐幀分析獲得的視頻。通過電源控制器控制太陽能電池板和蓄電池的輸出電壓，作為終端系統(tǒng)的電源。

2 雷擊在線拍攝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 雷擊光觸發(fā)器

設(shè)計(jì)的雷擊光觸發(fā)器由光接收器和光電信號(hào)檢測電路組成。已有研究表明雷電光信號(hào)的可探測波長主要集中在300～1 000 nm，因此光接收器選用OTRON公司的OSD50-HT型光電二極管，其光譜響應(yīng)范圍為400～1100 nm，峰值響應(yīng)波長為900 nm，感光面積為50 mm2，響應(yīng)時(shí)間為18 ns。

當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，雷擊光觸發(fā)器接收到由雷電光探測信號(hào)和背景光干擾信號(hào)組成的光信號(hào)。與持續(xù)時(shí)間數(shù)百毫秒的雷電光信號(hào)相比，主要由日光、路燈、汽車車燈產(chǎn)生的背景光持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘，可以看作變化緩慢的環(huán)境光，在電路中表現(xiàn)為直流分量。以往研究表明，雷電光信號(hào)的頻譜能量主要集中在1～5 kHz范圍內(nèi)。由于背景光噪聲信號(hào)變化非常緩慢，可看作高斯限帶白噪聲，其頻譜能量分布主要集中在300Hz以下。因此可根據(jù)雷擊光輻射與背景光頻率特性的差異消除噪聲干擾以獲取有用信號(hào)。

設(shè)計(jì)的光電信號(hào)檢測電路如圖2所示，其由前置光電轉(zhuǎn)換電路、高通濾波放大電路和脈沖展寬電路三部分組成，圖中4個(gè)運(yùn)算放大器都接成電壓跟隨器的形式，起到緩沖隔離作用。其中，前置光電轉(zhuǎn)換電路用于將微弱的光電二極管雷電光生電流進(jìn)行前置放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。高通濾波放大電路用于去除混雜在雷電光信號(hào)中的低頻背景光噪聲信號(hào)并且降低電路噪聲信號(hào)的影響，設(shè)置高通濾波器-3 dB帶寬的截止頻率f為1.64 kHz，提取出雷電光信號(hào)后再將其送入脈沖展寬電路。脈沖展寬電路用于將雷電光脈沖信號(hào)展寬以滿足雷電拍攝設(shè)備的觸發(fā)要求。

2.2 攝像視頻模塊

系統(tǒng)選用SONY 1／3 SUPER HAD CCD傳感器，其水平分辨率為540線；感光面積寬4.8mm，高3.6mm；內(nèi)置定焦鏡頭8 mm；直流工作電源12 V。攝像機(jī)以錄像的模式記錄雷擊發(fā)生前后數(shù)秒的視頻，避免了觸發(fā)時(shí)間誤差導(dǎo)致的漏拍。

圖2 雷擊光觸發(fā)器的光電信號(hào)檢測電路Fig.2 Photoelectric signal detection circuit of lightning optical trigger

2.3 遠(yuǎn)程通信控制模塊

系統(tǒng)通信記錄單元選用的視頻終端處理器型號(hào)為TL-MR9004，支持6～36 V電壓輸入，采用標(biāo)準(zhǔn)H.264壓縮算法，可提供3G無線通信并支持SD卡存儲(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)雷擊在線拍攝系統(tǒng)的遠(yuǎn)程人工控制、調(diào)試及低功耗開啟關(guān)閉等功能，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制通信開關(guān)電路并編制了相應(yīng)算法，其工作的主要流程見圖3。

圖3 遠(yuǎn)程通信控制模塊工作流程圖Fig.3 Flowchart of remote communication control module

2.4 自供電源模塊

自供電源模塊采用40 W的太陽能電池板對12 V、40 A·h的蓄電池供電，在缺少陽光的情況下，蓄電池可供系統(tǒng)連續(xù)工作2 d。

2.5 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對空氣間隙擊穿產(chǎn)生的光信號(hào)的拍攝效果，在上海交通大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室中，采用3000 kV的沖擊電壓發(fā)生器，對1.5 m長的棒-板間隙施加負(fù)極性雷電沖擊電壓（1.2／50 μs），拍攝裝置與放電間隙距離為10 m，拍攝結(jié)果如圖4所示。由圖可見，光信號(hào)可以有效觸發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過記錄觸發(fā)時(shí)刻前后數(shù)秒的視頻，有效捕捉長間隙放電的圖像信息。

圖4 系統(tǒng)拍攝的棒-板間隙放電圖像Fig.4 Image of rod-plane gap discharge shot by developed system

3 拍攝結(jié)果與運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比

3.1 典型拍攝結(jié)果

在上海電網(wǎng)歷年來雷擊跳閘多發(fā)的配電線路附近安裝該系統(tǒng)，其中在2條無避雷線的10 kV配電線路附近安裝2套，在1條單避雷線35 kV配電線路附近背靠背安裝2套，運(yùn)行調(diào)試時(shí)人工觸發(fā)拍攝的結(jié)果如圖5和圖6所示。經(jīng)過一個(gè)雷季的運(yùn)行，系統(tǒng)獲得了上百段云閃和20段雷擊配電線路附近地面的地閃視頻，其中典型的雷擊配電線路附近地面的圖像如圖7—10所示。

3.2 和運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比

結(jié)合線路雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、上海電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS（Production Management System）中雷電定位系統(tǒng)與線路位置和電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)，對觀測結(jié)果進(jìn)行分析，典型分析過程如下。

a.雷擊圖像如圖7所示，雷擊時(shí)間為2013年7月 31號(hào) 21∶07∶42，在 PMS中查找在該 10 kV 線路附近該時(shí)刻 ±5 min的雷電定位數(shù)據(jù)，得到 21∶08∶06的雷擊點(diǎn)如圖11所示，負(fù)極性雷電流的幅值為12.3kA。

b.采用PMS中的測量工具獲得雷擊點(diǎn)與線路最近距離如圖11所示，為423 m。

c.采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算感應(yīng)過電壓[14]：

圖5 人工觸發(fā)拍攝10 kV配電線路Fig.5 Image of 10 kV distribution line shot by developed system with manual trigger

圖6 人工觸發(fā)拍攝35 kV配電線路Fig.6 Image of 35 kV distribution line shot by developed system with manual trigger

圖7 拍攝的雷擊10 kV配電線路附近地面畫面（1）Fig.7 Image of ground lightning stroke nearby 10 kV distribution line（1）

圖8 拍攝的雷擊10 kV配電線路附近地面畫面（2）Fig.8 Image of ground lightning stroke nearby 10 kV distribution line（2）

其中，Umax為感應(yīng)雷過電壓最大值（kV）；I為雷電流幅值（kA）；Z0為雷電通道特征波阻抗，采用觀測經(jīng)驗(yàn)值 30 Ω；y為雷擊點(diǎn)與線路絕緣子的距離（m）；c為光速；v為雷電流在回?fù)敉ǖ乐械膫鞑ニ俣?，一般為c／3；h為導(dǎo)線平均高度，取為7.8 m；ρ為土壤電阻率，由于沒有實(shí)測，取100～1000 Ω／m。計(jì)算得到感應(yīng)雷過電壓幅值為19.3～42.7 kV，該10 kV線路采用PS-15針式支柱絕緣子，其在標(biāo)準(zhǔn)雷電波下的50%閃絡(luò)電壓為105 kV，表明該線路未發(fā)生雷擊跳閘，線路運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論。

圖9 拍攝的雷擊35 kV配電線路附近地面畫面（1）Fig.9 Image of ground lightning stroke nearby 35 kV distribution line（1）

圖10 拍攝的雷擊35 kV配電線路附近地面畫面（2）Fig.10 Image of ground lightning stroke nearby 35 kV distribution line（2）

圖11 PMS中雷擊點(diǎn)與10 kV配電線路的相對位置Fig.11 Lightning stroke position relative to 10 kV distribution line shown in PMS

采用以上方法分析了系統(tǒng)拍攝的20段雷擊配電線路附近地面的地閃視頻，其中，雷擊點(diǎn)與10 kV線路的最近距離為30m，最大雷電流為13.7 kA，產(chǎn)生的最大感應(yīng)雷過電壓為42.7 kV；雷擊點(diǎn)與35 kV線路的最近距離為210 m，最大雷電流為12.4 kA，產(chǎn)生的最大感應(yīng)雷過電壓為31.8kV。

感應(yīng)雷過電壓的計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明，系統(tǒng)拍攝的20段地閃沒有造成線路跳閘。

3.3 雷擊點(diǎn)定位討論

采用安裝在多個(gè)位置的多臺(tái)拍攝裝置對準(zhǔn)同一區(qū)域可以進(jìn)行雷擊點(diǎn)的定位。如圖12所示，安裝2臺(tái)拍攝方向正交的觀測裝置，可以根據(jù)攝像視場分析進(jìn)行雷擊點(diǎn)的定位，但是由于當(dāng)前項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)有限，觀測重點(diǎn)是盡可能多地有效捕獲雷擊圖像，所以并沒有安裝對準(zhǔn)同一區(qū)域拍攝的多臺(tái)觀測裝置。

圖12 采用2臺(tái)拍攝裝置進(jìn)行雷擊定位的示意圖Fig.12 Schematic diagram of lightning stroke located by two shooting devices

4 結(jié)論

本文研發(fā)的電力系統(tǒng)雷擊遠(yuǎn)程在線拍攝系統(tǒng)已在戶外配電線路上正常穩(wěn)定運(yùn)行，成功拍攝到上百段云閃和20段雷擊配電線路附近地面的地閃視頻。將20段雷擊配電線路附近地面的地閃視頻與線路雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、上海電網(wǎng)PMS中雷電定位系統(tǒng)與線路位置和電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明觀測結(jié)果與運(yùn)行統(tǒng)計(jì)相符。