他们在空中捕捉雷电 ——走进国家电网有限公司雷电监测与防护技术实验室

3月15日，在国家电网有限公司雷电监测与防护技术实验室里，3名技术人员讨论着新型电力系统复杂混联电网雷击过电压监测方法与抑制技术。目前，实验室已经掌握关键节点及低耐受设备的雷击致灾机理，正在建立相应的雷击仿真模型。

(资料图)

雷电监测与防护技术实验室着眼于解决电网防雷领域重大难题，遵循“事前预警-事中定位-事后防护”立体化管控思路，建立了一套完整、科学的电网雷电监测预警与防护技术体系，研发的多项成果填补了国内外技术空白，支撑公司架空输电线路防雷技术世界领先，创造直接经济效益超30亿元。

建立雷电观测室

记录雷电放电过程

雷电监测与防护技术实验室起源于武汉高压研究院的雷电监测技术研究团队，是国内最早开展电网防雷的研究机构。20世纪80年代初，由于雷电防护手段缺乏，我国电网遭受雷电破坏的情况较多。为降低雷电造成的损失，实验室老一辈科研人员开始了电网防雷研究。

随着研究的不断深入，为进一步了解雷电，2007年，实验室成员在办公楼楼顶建立了雷电观测室。每当出现雷电时，实验室成员就守在观测室里，利用高速摄像机捕捉雷电的放电过程图像。

“‘捉雷’很难，总是在深夜、凌晨时分以及恶劣天气下进行。我们经常被雨淋得湿透，折腾一夜也没拍到一幅满意的图像。但大家总是互相鼓励继续坚持下去。”实验室成员章涵回忆。功夫不负有心人，2008年到2010年，在这间小小的雷电观测室里，他们成功捕捉到20多张满意的雷电放电过程图像。这些图像清晰呈现了雷电发展的全过程，为后续雷击机理的研究提供了极具价值的光学影像。此后，实验室又用两年研制出自动化、智能化的雷击光学路径综合监测系统，并于2012年成功捕捉到了世界上时空分辨率最高、过程最详尽的电网雷击图像，首次得到下行先导发展速度、分形维数等雷击模拟关键参数，为国内外雷击机理研究提供了高精度、多参量雷击参数。

实现雷电探测和预警

定位精度可达500米以内

有了雷电基础数据，实验室开始研究雷电探测与预警的问题。

实验室观测平台上摆着20多根白色立柱，柱顶椭圆形防护罩内是实验室自主研发的集成电路。“这些是我们研发的雷电探测站和预警站，至今已是第四代。”实验室骨干成员许远根介绍。

雷电会引起大气电磁场变化，同时辐射电磁波。探测站探测电磁波，将两个以上探测站的数据合并分析就能定位雷电位置。预警站监测大气静电场变化，结合雷电定位、气象雷达等数据进行雷电临近和早期预警。“雷电探测站和预警站的原理说来简单，但电磁波的传播速度相当于光速，要准确探测必须解决高低频信号干扰、电磁信号处理、定位时间精度低等难题。这需要我们不断优化电路设计与信号处理方法，反复试验调试。”实验室骨干成员陈扬说。十多年来，实验室不断开展设备调试、软件开发及数据分析，现在研制的雷电探测站可以探测超过150千米远的雷电，同步时间精度达20纳秒，定位精度在500米以内。雷电预警站可实现72小时内的中长期预警，准确率达80%。

如今，实验室在全国输电通道上布有900多个雷电探测站和300多个雷电预警站，监测范围覆盖全国90%以上陆地面积，在实验室大数据中心即可掌握全国的实时雷电数据。基于这些探测站记录的雷电监测数据，实验室成功绘制出我国第一张完整十年（2005年至2014年）的雷电地闪密度图和雷电流幅值累积概率曲线，为电网防雷设计打下重要基础。

雷击风险评估与防护双管齐下

保障线路安全运行

2009年，实验室结合雷电监测数据、地形地貌和电网参数等评估要素，提出了一套差异化防雷技术与策略，为不同地区的输电线路制订差异化的防雷技术改造方案。在“三峡近区电网雷害综合措施研究”项目中，他们首次运用该策略和技术，对15条线路进行了防雷评估改造，使线路整体雷击跳闸率降低了60%。

解决一项又一项难题后，实验室又针对市场需求，于2013年、2014年研制出世界首台±500千伏、±800千伏直流线路避雷器，随后又研制出±400千伏高海拔地区用直流线路避雷器和±660千伏直流线路避雷器。自2019年起，在±400～±800千伏直流线路避雷器研发及规模化应用的基础上，实验室又瞄准世界最高电压等级±1100千伏直流线路避雷器，通过总结经验、优化结构及性能检测，历时3年研制出世界首台±1100千伏直流线路避雷器。

“±1100千伏直流线路避雷器采用了高性能大容量直流氧化锌电阻片，在满足设备电气性能要求的同时，缩小了产品体积，减轻了产品重量。同时，我们首次引入并配置了避雷器动作特性在线监测装置与动态评价平台、避雷器视频微拍装置，可全天候实时监测避雷器投运后外观、塔上姿态及电气性能参数，为后续线路运维及检修提供判定依据。”实验室成员刘新介绍。

截至目前，实验室已研发出全系列电压等级直流线路避雷器，相关产品大规模应用于我国超高压、特高压直流输电工程。公司±500千伏、±800千伏线路雷击重启率（每百千米输电线路每年由雷击引起的重启次数）分别较成果应用前降低约50%和64%，解决了直流输电通道雷击重启率较高的问题。

近年来，电网呈现强弱电复杂混联特点，系统扰动风险点增加且难以预测，加之多重雷击、分叉雷、密集雷暴等非常见雷击现象频发，对电网防雷技术提出了新的挑战。实验室将继续按照“发现问题-分析问题-解决问题-预防问题”的路线，进一步提高雷电监测精确性、评估高效性、防护可靠性和预警准确性，全力支撑新型电力系统构建，保障电网安全稳定运行。（曹伟 张露心 刘婧）

实验室简介

雷电监测与防护技术实验室设于国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，主要围绕雷击及电磁暂态全过程监测辨识技术、复杂混联电网雷击仿真模型及风险评估技术、状态自感知型雷击防护装备研制、“源网荷储”电网形态雷害演变特性及预测技术等方面开展研究。实验室设有18名高校、科研院所等防雷领域知名专家组成的学术委员会，助力实验室科研与管理水平持续提升。

实验室成果展示

●“电网雷害分布确定方法”获得美国发明专利授权

●“电网雷击防护关键技术与应用”获2015年度国家科学技术进步奖二等奖

●2017年，“一种架空输电线路雷击闪络的预警方法”获第十九届中国专利金奖和德国纽伦堡发明展金奖

●“输电通道雷击风险预警关键技术与应用”获2020年度中国电力科学技术进步奖一等奖

●“直流输电通道雷击故障防御关键技术与工程应用”获2022年度中国电力建设科学技术进步奖一等奖

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