李 特，姜文东，王少华，毛航银，周象贤，骆阗彦

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州310004）

0 引言

雷击是影响架空输电线路可靠性的重要因素，电网企业目前已建立的雷电监测体系，可实现雷电流幅值、落雷位置、落雷时间等单次雷电回击参数的监测[1-3]，为雷击故障分析提供了有力手段[4]，也实现了基于雷电监测的地闪密度图、雷害风险分布图的绘制[5-6]，为线路防雷设计、改造决策提供有力支撑。

多重回击是自然界雷电普遍存在的现象[7]，并对电网设备的运行产生影响，如因为多重回击造成线路跳闸后外绝缘去游离过程减慢造成重合失败[8]，多重回击持续时间是影响上述过程的重要因素；目前线路避雷器使用越来越广泛，在实际使用中多次出现避雷器的炸裂故障，其中一个可能原因即为避雷器遭受多重回击造成阀片吸收的能量超过了其设计容量[9]，回击次数和各次回击的雷电流幅值特征是影响吸收能量的主要因素，试验表明多重回击下阀片出现加速破坏，回击数量对阀片的损坏影响显著[10]。针对上述问题，雷电多重回击参数如回击次数、时间间隔、持续时间、各次序回击电流的幅值特征是开展分析的基础，然而当前电力领域的雷电分析极少关注上述雷电多重回击特征问题。气象领域学者对雷电多重回击特征开展了一些研究，文献[11]得到了人工引发和自然闪电回击的后续回击电流幅值特征；文献[12]对皖北一次雷暴过程中的地闪回击次数、回击时间间隔、回击电流幅值特征进行了统计分析；文献[13，14]分别对北京、西藏地区的地闪次数特征、地闪脉冲宽度特征及回击时间间隔进行了分析。

上述研究得到了多重回击的大量特征，对电网设备的防雷可提供重要参考，但没有得到不同主放电电流下的多重回击特性差异，上述差异与避雷器吸收能量密切相关，同时对于架空线路而言，其线路通道内的多重回击特征是影响其运行的重要角色，而过去的多重回击特征研究多针对省、市行政区域，所得结果与线路通道对应参数存在差异。因此本文选取±800 kV宾金线线路走廊浙江段进行雷电多重回击参数统计，得到了多重回击的回击次数、回击间隔和回击雷电流幅值特征，并获得了主放电电流幅值的影响，以期为架空线路多重雷击分析提供基础。

1 数据来源

统计数据来源于浙江省雷电监测系统。浙江省雷电监测系统由分布在湖州、舟山、椒江、仙居、泰顺、临安等地的14个雷电自动探测站组成，实现对全省电网区域的高精度覆盖，利用雷电监测系统可以完整记录各次地闪回击的电流幅值与时间。

雷电参数的统计区域为滨金线两侧各5 km宽度，如图1所示。单次雷电活动的统计特征可能与更大时间尺度下的结果存在差异，因此对2017年6月至9月每个月取3-4个雷电日进行统计。利用雷电监测系统获取的地闪数据，对主放电雷电流幅值、各次主放电所含后续回击次数、后续回击之间的时间间隔、后续回击的雷电流幅值进行统计分析。

图1 ±800 kV宾金线线路走廊浙江段Fig.1 The position of±800 kV Binjin line corridor

2 多回击地闪特征

2.1 后续回击次数特征

2.1.1 整体特征

统计时间内共获得±800 kV宾金线线路走廊6 338次有效放电记录，其中1 308次主放电没有后续回击，1 061次主放电含有后续回击3 969次，可见44.78%的主放电含有后续回击，对所有主放电而言，平均后续回击次数达到1.68次。

对后续回击数量分布进行统计如图2，可知统计样本中最大后续回击次数为17次，随后续回击次数增加，对应的主放电数量逐步减小，但含8次及以上后续回击的主放电占比近6%，其数量不可忽视。

对地闪极性进行分析，正极性放电占比为14.3%，与文献[15，16]结果接近。

对正极性主放电进行分析，共1 004次正极性主放电中911次主放电不含后续回击，其占比为90.7%，正极性主放电的平均后续回击次数为0.13次。对负极性主放电进行分析，1 563次负极性主放电中有595次主放电不含后续回击，占比为38.06%，负极性主放电的平均后续回击次数为2.6次。可见大部分正极性主放电不含后续回击，而大部分负极性主放电含有后续回击。

对于不含后续回击的1 308次主放电，其中713次为正极性放电，正极性比例为54.5%，对于含后续回击的1 061次主放电，其中93次为正极性放电，正极性比例为8.76%。可见不含后续回击的主放电，正极性占比较高，而含后续回击的主放电，正极性比例较低。

图2 ±800 kV宾金线走廊浙江段地闪主放电后续回击次数分布Fig.2 Distribution of subsequent return-stroke times from±800 kV Binjin line

不同地区的多重回击观测数据中，样本数、单回击比例、平均回击次数见表1，可知宾金线浙江段负极性雷电参数单回击比例与Florida观测结果接近，比其他地区略大，同时平均回击次数比其他地区略小；滨金线浙江段正极性参数单回击比例与大兴安岭、北京、兰州观测结果接近，比巴西略大，平均回击次数比其他地区略小。

表1 不同地区的地闪多重回击参数Table 1 Multiple return-stroke parameters from different areas

2.1.2 主放电电流的影响

将具有不同回击次数的主放电电流幅值算数均值作于图3。由于含14次及以上后续回击的主放电数量较少，需要更多的样本其统计值才较为可信，因此图3仅对含13次及以下后续回击的主放电进行分析，同样下文涉及不同回击次数、回击次序的比较，均对含13次及以下后续回击的主放电进行分析。由图3可知随着后续回击次数的增加，主放电电流幅值增加，与文献[24]一致，其中不含后续回击、仅含1次后续回击的主放电，其雷电流幅值算数均值分别为20 kA、26 kA，而含10次及以上后续回击的主放电雷电流幅值均大于45 kA。

将不同雷电流幅值范围的主放电对应含后续回击的比例、平均后续回击次数列于表2，随着雷电流幅值范围从小于45 kA到大于70 kA，对应主放电含后续回击的放电比例增加、平均回击次数增加。雷电流大于100 kA后，含后续回击比例、平均回击次数相比雷电流大于45 kA的情况有所下降，但仍大于45 kA以下的小电流雷击对应数值。

图3 主放电电流幅值算数均值与后续回击次数关系Fig.3 The relationship between the mean value of the main discharge current and the number of subsequent return-stroke

表2 主放电雷电流幅值范围及后续回击特征Table 2 Subsequent return-stroke character with different main discharge current

2.2 地闪持续时间

2.2.1 地闪持续时间整体特征

本文地闪持续时间取主放电时间至最后一次回击时间的时间差，持续时间最长为997 ms，比文献[12]观测到的1.4 s略小。放电持续时间分布如图4（a），带有不同回击次数的主放电平均持续时间如图4（b）所示。

由图4（a）可知，大部分放电的持续时间位于0-500 ms，但持续500 ms以上的放电占比达19%，不可忽视。由图4（b）可知，随着后续回击次数的增加，放电持续时间逐渐增加，但后续回击次数达8次以上后，回击次数增加引发的持续时间增长变缓。

图4 地闪持续时间分布Fig.4 Duration distribution of cloud-to-ground discharge

2.2.2 主放电电流的影响

对样本中多重回击地闪进行统计，将不同主放电电流范围下的地闪持续时间算数均值作于表3，可知45～100 kA主放电对应地闪的平均持续时间相对于0～45 kA、大于100 kA的主放电情况较小。

表3 不同雷电流主放电对应地闪持续时间均值Table 3 Average duration value of flashes containing subsequent return-stroke with different main discharge current

2.3 后续回击间隔

2.3.1 后续回击间隔整体特征

包括主放电与第一次后续回击的间隔在内，后续回击间隔总体分布如图5，其概率密度分布接近于Log-Logistic分布，其中红色曲线为拟合的概率密度分布函数，表达式如式（1），其中dtj为时间间隔概率分布密度、t为回击时间间隔，a、b为分布函数参数，通过分布拟合得到a取值为4.15、b取值为0.484。回击间隔算数均值为88.44 ms，几何均值为61.58 ms，最大值为985 ms，最小值为1.2 ms，分布规律及均值数值与文献[12]接近。

图5 后续回击间隔分布Fig.5 Distribution of subsequent return-stroke interval

各次序后续回击对前一次回击的时间间隔几何均值见图6（a），随着回击次序从1增加至10，与前一次的回击间隔时间呈现先减小后增大的趋势，第6-7次回击与前次回击的间隔时间最短，约在50 ms。

各次序后续回击时间间隔中，大于100 ms比例与小于20 ms比例见图6（b）。可见各次序后续回击中，大于100 ms比例在25%左右波动，小于20 ms比例在7.5%左右变化，大部分回击间隔位于20 ms～100 ms之间。

图6 各次序回击时间间隔特征Fig.6 The interval character with different return-stroke sequence

2.3.2 回击电流的影响

将统计样本中回击间隔与对应回击电流幅值作于图7（a），将其中间隔小于20 ms部分作于图7（b）。

由图7（a）可知，绝大部分后续回击其与前一次回击的间隔小于300 ms、回击电流小于60 kA，电流大于80 kA的后续回击，其回击间隔均小于300 ms，间隔大于400 ms的回击，其回击电流均小于50 kA，可见同时出现长间隔、大电流的后续回击概率极小。

由图7（b）可知，对于间隔小于20 ms的后续回击，其回击电流大部分小于20 kA，从分布密度可知，相同回击间隔的后续回击，回击电流越小，分布密度越大，出现极小间隔、大电流的后续回击概率极小。因此，对于避雷器的多重回击暂态过程计算时，可以忽略极小间隔下的大电流后续回击情况。

图7 后续回击间隔与回击电流分布Fig.7 The distribution of subsequent return-stroke interval with different stroke current peak value

2.4 后续回击强度

2.4.1 后续回击强度整体特征

利用后续回击与主放电雷电流幅值比值k作为判断后续回击强度的标志，k值分布如图8，其概率密度函数同样可用Log-Logistic分布表示，对应式（1）中a、b的取值分别为-0.68、0.44。k值几何均值为0.51，最大为4.98，20%的后续回击k值大于1，与文献[12]结论相近。

对k值与后续回击次序的关系进行分析，各次序回击k值几何均值如图9（a），k＞1及k＜0.5的比例与回击次序的关系如图9（b）。可知随着后续回击次序增加，回击强度几何均值逐渐减小，首次后续回击k值均值为0.65，而第13次回击k值均值仅有0.2；随着后续回击次序增加，k大于1的概率逐渐减少，至第11次后续回击后k值均为0，而k值小于0.5的比例则逐步上升，与文献[12]结论相近。

图8 后续回击强度分布Fig.8 The distribution of subsequent return-stroke strength

图9 后续回击强度与回击次序的关系Fig.9 The relationship between subsequent return-stroke strength and strike sequence

2.4.2 主放电电流的影响

将首次后续回击k值与对应主放电雷电流作于图10，可知随着主放电电流增加，首次后续回击k值总体上减小，k大于2的后续回击对应主放电电流均小于32 kA，k值大于1的后续回击，对应的主放电雷电流幅值最大为72 kA，可知主放电电流越大，出现强度更强的后续回击概率越小。其他次序后续回击强度与首次后续回击的规律接近，此处不再给出。

图10 首次后续回击强度与主放电电流幅值的关系Fig.10 The relation between the first subsequent returnstrike strength and main discharge current

2.4.3 回击间隔的影响

将相邻两次回击中第二次与第一次雷电流的比值k2作为相邻回击强度比，将不同放电时间间隔范围与其对应的k2值特征列于表4，可知随着放电间隔从0增大至400 ms，相邻回击中k2大于1概率增加、k2几何均值增加，间隔400 ms以上回击k2大于1的比例、k2几何均值比间隔在300～400 ms的回击小，但大于间隔300 ms以下的回击。间隔大于150 ms的回击组合整体上“前弱后强”型与“前强后弱”型比例接近1:1，与文献[24]结果接近。

表4 相邻后续回击强度与回击时间间隔Table 4 The adjacent return-strike strength with different strike intervals

3 结论

基于2017年6月至9月的雷电监测数据，对±800 kV宾金线线路走廊浙江段的雷电多重回击特性进行了分析，得到主要结论如下：

1）统计样本中44.78%的主放电含有后续回击，所有主放电平均后续回击次数为1.68次，最大后续回击次数为17次，含多次后续回击的主放电数量不可忽视。

2）正、负极性主放电的后续回击特性存在差异，90.7%的正极性主放电不含后续回击，而61.94%的负极性主放电含有后续回击。

3）地闪持续时间最长为997 ms，绝大部分分布于0～500 ms，回击间隔分布接近Log-Logistic分布，其算数均值为88.44 ms、几何平均为61.58 ms，大部分间隔分布于20～100 ms。

4）后续回击与主放电的雷电流幅值比值的分布接近于Log-Logistic分布，比值随后续回击次序增加而递减。

5）主放电电流幅值与多重回击特性相关，随主放电电流幅值增加，后续回击与主放电的雷电流幅值比值减小，45 kA至70 kA雷电流主放电含后续回击比例最大、平均后续回击次数最多。

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