河北省南部電網(wǎng)地閃密度分析

蘇紅梅，鄭雄偉，劉曉冬，何瑞東

(河北省電力研究院， 石家莊 050021)

雷電定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，國(guó)內(nèi)對(duì)雷電基礎(chǔ)參數(shù)的研究較少。雷電活動(dòng)受地形、地貌、地理位置的影響，隨氣候變化而變化，因而采用通用公式計(jì)算得到的落雷密度并不能科學(xué)反映實(shí)際落雷情況[1]。作為工程防雷計(jì)算基礎(chǔ)的地閃密度Ng是依據(jù)氣象部門提供的雷電日Td，通過(guò)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議33委員會(huì)的推薦公式計(jì)算得到的[2]，它是平均每年單位面積的云-地間閃電次數(shù)，是較理想的雷電活動(dòng)參量，可以精確反映雷暴活動(dòng)的頻度和強(qiáng)度，國(guó)際的防雷設(shè)計(jì)均以此參數(shù)為基礎(chǔ)。

河北省南部電網(wǎng)于20世紀(jì)90年代末建立了雷電定位系統(tǒng)(LIS),通過(guò)對(duì)多年來(lái)LIS系統(tǒng)累積的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了該地區(qū)的實(shí)際地閃密度分布情況，據(jù)此可以做出更有針對(duì)性的防雷設(shè)計(jì)及保護(hù)措施。

1 地閃密度統(tǒng)計(jì)分析方法

1.1 統(tǒng)計(jì)樣本的選擇

雷電定位系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)是研究雷電參數(shù)的基礎(chǔ)資料。測(cè)量數(shù)據(jù)又分探測(cè)站(TDF)原始接收數(shù)據(jù)(RAW)和系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)(FD)。在雷電定位系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)時(shí)收到的兩站及兩站以上的原始接收數(shù)據(jù)(時(shí)間、方向、磁場(chǎng)相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度等)實(shí)時(shí)求解得到的數(shù)據(jù)，包括雷擊點(diǎn)位置的坐標(biāo)、雷擊時(shí)間、雷電流幅值、極性、回?fù)籼匦缘?。系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)(FD)通過(guò)雷電定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)布，主要用于滿足用戶對(duì)雷擊點(diǎn)的快速查詢需求。但是，在處理研究雷電參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)一般選擇原始接收數(shù)據(jù)(RAW)作為基礎(chǔ)資料，而未直接采用系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)，其原因是：

a. 因聯(lián)網(wǎng)原因部分原始接收數(shù)據(jù)未實(shí)時(shí)參與計(jì)算；

b. 部分基于兩站或三站計(jì)算的系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)可能存在一定非真實(shí)性；

c. 自雷電定位系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，雷電定位算法歷經(jīng)多次改進(jìn)，通過(guò)最新的PAM05定位模型直接重算原始接收數(shù)據(jù)，更能保證統(tǒng)計(jì)樣本的完整性和一致性。

1.2 PAM05定位模型

PAM05定位模型采用時(shí)間窗分組機(jī)制選擇原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將相距300 km內(nèi)的探測(cè)站在時(shí)間間隔0.001 s內(nèi)探測(cè)的原始接收數(shù)據(jù)分為一組。按照一組數(shù)據(jù)包含的探測(cè)站數(shù)，采用時(shí)差定位與方向觀測(cè)定位相結(jié)合的冗余法優(yōu)化定位計(jì)算，分為兩站定位、三站定位、大于三站的多站定位。

兩站定位時(shí)采用“時(shí)差+方向”二乘法綜合求解可以直接得到唯一的定位解。

三站定位時(shí)先基于時(shí)差定位計(jì)算求得2個(gè)定位解，再用方向觀測(cè)值來(lái)進(jìn)行優(yōu)選雙解判別，以方向偏差值小的解為最終解。

多站定位時(shí)，將其兩兩組合后基于時(shí)差定位進(jìn)行計(jì)算，得到一組定位解，將每個(gè)解進(jìn)行反算，得到每個(gè)站的時(shí)間偏差(≤1.3 μs為合格)和方向偏差(≤5°為合格)。優(yōu)先選取時(shí)間符合站數(shù)最多的解為最終解；如時(shí)間符合站數(shù)最多的解有多個(gè)，則再計(jì)算各解對(duì)應(yīng)的時(shí)間平均偏差，以時(shí)間平均偏差最小的解為最終解；如還不能選擇出最終解，則再計(jì)算各解對(duì)應(yīng)的方向平均偏差，以方向平均偏差最小的解為最終解。

2 河北省南部電網(wǎng)地閃密度分布情況計(jì)算與分析

河北省南部電網(wǎng)地閃密度分布圖是以PAM05模型計(jì)算所得的雷電定位數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在雷電統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)FlashStat中將河北省南部電網(wǎng)劃分為經(jīng)緯度0.05°×0.05°大小的網(wǎng)格(相當(dāng)于5 km×5 km的網(wǎng)格)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格中單年和多年平均的年地閃密度，從而得到網(wǎng)格地閃密度。

為研究地閃密度空間分布規(guī)律，對(duì)各網(wǎng)格的地閃密度按照自然分割法進(jìn)行分級(jí)。

河北省南部電網(wǎng)2003-2010年各單年及8年平均年的地閃密度空間分布見圖1、圖2。

(a) 2003年 (b) 2004年

(c) 2005年 (d) 2006年

(e) 2007年 (f) 2008年

(g) 2009年 (h) 2010年

圖1 河北省南部電網(wǎng)2003-2010年各單年地閃密度分布

圖2 河北省南部電網(wǎng)2003-2010年平均年地閃密度實(shí)際分布情況

圖1、圖2以平均年的四級(jí)自然分割數(shù)據(jù)將各年的地閃密度分成4個(gè)等級(jí)。分級(jí)界限依次為1.38次/(km2·a)、2.0次/(km2·a)、2.9 次/(km2·a)。通過(guò)地閃密度空間分布圖可分析如下。

a.各年中的雷電活動(dòng)分布存在一定的相似性，均反映出河北省南部電網(wǎng)東南平原地帶雷電活動(dòng)相對(duì)較弱，東部近海地區(qū)雷電活動(dòng)稍強(qiáng)，西部的雷電活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)。由平均年分布圖可知，西部雷電活動(dòng)強(qiáng)于東部，雷電活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在保定、石家莊西部的太行山區(qū)，東南部雷電活動(dòng)最弱。

b. 各年的雷電活動(dòng)存在較大差異性，反映出雷電活動(dòng)的隨機(jī)性，只有多年雷電活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果才具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。一般雷電活動(dòng)受太陽(yáng)電磁暴的影響，考慮到太陽(yáng)黑子的活動(dòng)周期為10年，以10年為1個(gè)周期進(jìn)行雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果更加可靠，因此需要今后繼續(xù)累積數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從已累積的數(shù)據(jù)來(lái)看，2003-2008年雷電活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，2008年之后的2009年和2010年明顯減弱。

c. 河北省南部電網(wǎng)2003-2010年地閃密度平滑圖所示河北省南部電網(wǎng)地閃密度中值為2.1次/(km2·a)。

3 實(shí)際地閃密度與常規(guī)計(jì)算結(jié)果差異比較

電力行業(yè)規(guī)程DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》中推薦：Td=40雷電日時(shí)，γ=0.07 次/(km2·d)，相應(yīng)的Ng=2.8次/(km2·a)。下面的地閃密度則是利用氣象雷電日Td。根據(jù)CIGRE推薦的公式推導(dǎo)而來(lái)，見式(1)。

Ng=0.023Td1.3

(1)

依據(jù)式(1)得到的Ng與Td的關(guān)系曲線如圖3所示。當(dāng)雷電日Td=40 d時(shí)，地閃密度Ng=2.78次/( km2·a)。目前在工程中，一般的線路防雷設(shè)計(jì)均以此數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。

圖3 地閃密度與雷電日關(guān)系曲線

從圖3曲線中可見，當(dāng)雷電日Td=30 d時(shí)，Ng=1.92 次/(km2·a)；當(dāng)雷電日Td=20 d時(shí)，Ng=1.13 次/( km2·a)。以雷電日40 d、30 d、20 d對(duì)應(yīng)的地閃密度2.78 次/ (km2·a)、1.92 次/( km2·a)、1.13 次/( km2·a)為基準(zhǔn)進(jìn)行雷電分區(qū)[3]，得出的河北省南部電網(wǎng)2003-2010年平均年地閃密度空間分布見圖4。

圖4 以常規(guī)計(jì)算方法得出的河北省南部電網(wǎng)平均年地閃密度分布情況

由圖2與圖4比較可知，以同一雷電日參數(shù)作防雷設(shè)計(jì)是不合理的。如按傳統(tǒng)規(guī)程，河北省南部電網(wǎng)一般按照雷電日為40 d進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)[4]，而此時(shí)深色區(qū)域(主要出現(xiàn)在河北省南部電網(wǎng)西部山區(qū)以及滄州、邯鄲市區(qū)周邊地區(qū))的實(shí)際地閃情況比常規(guī)計(jì)算出的設(shè)計(jì)值嚴(yán)重，這一區(qū)域防雷設(shè)計(jì)可能達(dá)不到理想效果；在雷電日少于30 d的其他更為廣闊的區(qū)域內(nèi)將造成防雷投資的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)基于自然分割法進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果得到了河北省南部電網(wǎng)的實(shí)際地閃密度分布圖情況。通過(guò)與規(guī)程推薦的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較認(rèn)為，按照現(xiàn)有規(guī)程(即按氣象雷電日進(jìn)行防雷設(shè)計(jì))可能達(dá)不到理想的防雷效果，建議今后河北省南部電網(wǎng)的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)LIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的地閃密度分布情況而定。

參考文獻(xiàn)：

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