本项目对雷暴风及强风下输电线路风偏精细化分析展开全面研究。现场实测方面：建立了多点同步的强风实时监测系统，在风偏事故多发的典型输电线路沿线实测获得了超长时间的风速风向记录；开展了湍流尺度内风场的水平向空间相关性研究，提出了空间相关性与风向角、空间间距和平均风速间的数学模型；结合多变量经验模态分解法提出了可考虑风场非均匀性、非平稳性影响的风压不均匀系数计算方法。风洞试验和室内模拟试验方面：开展了二、四、八分裂导线和双联悬垂绝缘子串的气动力风洞试验研究，给出了其阻力系数的合理取值；开展了角钢塔测压风洞试验，获得了输电塔主材、斜材和辅材杆件的风压分布规律和体型系数沿杆件展长的分布，归纳了风荷载对塔身各杆件的作用特点以及体型系数随风向角的变化规律，并与国内外规范结果进行对比；通过地形模型风洞试验研究了山区地貌的三维脉动风场特性；研发了新一代可移动的大口径雷暴冲击风模拟试验装置，实现了静止型和运动型雷暴冲击风场的室内模拟。理论建模方面：构建了静止型和运动型雷暴冲击风三维脉动风速场的实用模拟方法；提出了多跨输电导线单目标和多目标等效静力风荷载、风荷载调整系数的计算方法，并与我国规范取值进行对比；提出了导线平面内、外运动耦合产生的气动阻尼非比例项，建立了合理有效的输电线路风偏精细化频域计算方法。数值模拟方面：发展了运动雷暴冲击风作用下输电线路风偏动态分析的数值模拟方法，给出雷暴风场作用下悬垂绝缘子的最大风偏角及对应的最不利工况；结合地形模型风洞试验结果详细研究了微地形对输电线路风偏影响；针对1000kV超高压线路研究了B类地貌、山区地貌、台风风场下风偏响应随气象及线路结构参数的变化规律；研究了输电线路防风偏闪络优化措施并进行了相应的数值仿真分析。项目成果为输电线路沿线风场及风荷载参数取值提供了实测和风洞试验依据，为输电线路防风偏设计计算建立了更为科学合理的方法，为相关规范的修订提供了技术支撑。

我国输电线路风偏闪络事故频发，严重威胁电网系统正常运行。现有风偏计算方法和相关风载参数不够精准。本课题主要研究：(1)在风偏易发场地进行雷暴风、季节强风多点同步现场实测，研究风场时空特征；(2)研发可移动大口径雷暴风模拟试验装置，开发高精度三维风速同步测试技术，获取非稳态雷暴风风场的变化规律；(3)采用高频天平测力试验，研究各子导线、绝缘子串和跳线串的的平均和脉动气动力特性；(4)进行角钢输电塔刚性节段模型测压试验，研究各构件的风荷载分布；(5)研究导地线、绝缘子与输电塔之间可能发生的非线性耦合振动和内共振，确定杆塔风致三维振动对导线绝缘子串和跳线串的激励特征；(6)开展雷暴风、强风作用下多档距输电塔-导线耦联体系风偏响应的精细化理论分析，把握风偏响应随气象及线路结构参数的变化规律，给出风偏计算实用方法。项目成果可为输电线路防风偏设计计算建立更为科学合理的方法，为规范的修订提供技术支撑。

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。

落雷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。

落雷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。

落雷实验装置及结果

（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。

落雷研究结论

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。

输电线路防雷保护的根本目的就是尽可能地减少由于雷击引起的线路跳闸事故发生的次数并降低雷击事故引起的损失。输电线路的过电压保护和绝缘配合在很大程度上取决于其承受的过电压的幅值和波形，输电线路的绝缘水平以及各种设备(如绝缘子串、变压器和断路器等)的绝缘配合必须能够承受线路上可能出现的过电压。因此，对输电线路的雷击暂态特性进行研究，分析输电线路上可能出现的雷电过电压有利于可靠地设计输电线路及电气设备的绝缘配合，并且有利于实现经济上的最优化。 雷电过电压波在输电线路上传播时会发生衰减和变形，其原因主要是在雷电暂态情况下线路的电晕效应和线路参数的频变效应。本文分别针对这两个方面展开了研究和讨论。 当输电线路上承受的雷电过电压幅值超过电晕起始电压时，电晕开始发生。为减小误差，本文将发生电晕时输电线路的空间电场分成两部分之和，一部分是没有空间电荷时产生的标称场(拉普拉斯场)；另一部分是引入空间电荷所产生的空间电荷场。在求解方程时，用模拟电荷法求解标称场，而用有限元法求解空间电荷场。其中在运用有限元法求解空间电荷场的过程中，首先利用给定的电荷密度初始值计算空间电场，再利用计算得到的合成电场反向计算空间电荷密度，通过逐步迭代计算得到雷击点处发生电晕时的Q-V曲线以及每一时刻输电线路对地的动态电容。对于线路上其它点的电晕过程的考虑，本文采用查表的思路，当该点处的电压达到某一幅值时，即查寻雷击点处的Q-V曲线，得到对应的电晕电荷和动态电容值进行计算。 在考虑参数频变时，输电线路径向参数的频率相关性可用一系列并联的电阻和电感的组合来描述。文中通过计算分析证明了该模型不仅能在很大的频率范围内较精确地表征输电线路的频率相关性，而且不必进行频域和时域的相互变换，节省了计算时间，更重要的是可以很方便地与电晕模型进行衔接。利用收敛速度更快的Newton-type迭代法计算了各RL模块的参数值。若在计算过程中同时考虑线路参数频变特性和电晕效应，则可将频变参数线路模型中描述线路的每一个π型单元的对地电容修改为电晕发生后的动态电容即可。 为了使本文所建立的输电线路暂态特性的分析模型更完整，文中用倾斜导体模型取代了现有的计算杆塔波阻抗时普遍采用的竖直导体模型，能够更好地反映杆塔的实际结构特征，进而建立了较为精确的输电线路杆塔的多波阻抗分析模型。该模型结合绝缘子闪络模型可分析杆塔遭受雷击，由于其电位的升高，引起绝缘子闪络，进而使线路上产生雷电过电压波的整个过程。对于所建立的暂态电路，采用暂态等值计算电路的方法，将电阻、电感以及电容组成的复杂网络转化为仅包含电阻及电流源并联的形式，利用节点电压法求解输电线路上每一点的电压波形。 根据所建立的模型和计算方法，文中计算了双指数雷电波、衰减振荡波和快速脉冲作用下的电晕效应，对其Q-V曲线各分支阶段的物理过程进行了阐述，并在此基础上分析了衰减振荡波作用下的次回环曲线的特性。文中设计了模拟实验，验证了本文所提出的计算方法的有效性。此外，本文分别对仅考虑冲击电晕效应、仅考虑线路参数频变效应以及同时考虑电晕和参数频变效应两方面影响的输电线路暂态特性进行了分析和比较。计算结果也显示电晕效应对于输电线路雷电过电压波形的衰减和畸变作用要大于参数频变效应，但是同时考虑这两方面影响更符合实际情况。文中还比较了不同因素对雷电过电压波的影响，如波头时间短的雷电波以及波尾时间短的雷电波在沿线路传播时其衰减和畸变作用更明显。文中运用matlab程序编写了输电线路过电压分析计算软件，文中的计算方法和结果可为实际线路的雷电防护和绝缘设计提供很好的参考依据。

《输电线路运行故障分析与防治》针对近年来输电网发生较多、影响较大的各类主要故障，如雷击、污闪、风偏、覆冰、鸟害、外力破坏等，进行了深入分析，并列举和分析了诸多案例，提出了一系列有针对性的防治措施。全书共分8章，分别是：输电线路风偏放电与防治；输电线路雷击跳闸与防治；输电线路覆冰分析与防治；OPGW雷击断股分析与防治；输电线路污闪与防治；输电线路鸟害与防治；输电线路接地装置的运行与改造；输电线路外力破坏与防治。　《输电线路运行故障分析与防治》可供输电线路的技术人员和运行管理人员、运行检修人员阅读，同时也可供高等院校电力专业的师生参考。