珠江三角洲地區(qū)雷電時空分布規(guī)律的統(tǒng)計研究

劉剛，唐軍，季嚴(yán)飛，許志榮

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640）

珠江三角洲地區(qū)雷電時空分布規(guī)律的統(tǒng)計研究

劉剛，唐軍，季嚴(yán)飛，許志榮

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640）

LIU Gang,TANG Jun,JI Yan-fei,XU Zhi-rong

（School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640，Guangdong Province,China）

National Key Basic Research and Development Program(973Program)。

雷擊是造成輸電線路跳閘的主要原因[1-3]。珠江三角洲地處亞熱帶暖濕氣候分布區(qū)，雷電活動頻繁[4]。隨著珠江三角洲城市群經(jīng)濟社會的發(fā)展和用電需求的增大，電網(wǎng)越來越密集地暴露在空氣中，使其遭受雷擊發(fā)生跳閘事故的壓力越來越大。

輸電線路防雷性能評估是電力部門制定各項防雷策略的重要依據(jù)。我國規(guī)程推薦用于雷擊跳閘率計算的地閃密度，是根據(jù)氣象部門人工記錄的一定范圍內(nèi)的雷暴日數(shù)據(jù)，通過經(jīng)驗公式求取[5]。越來越多的研究證明，各地地閃密度與雷暴日數(shù)的關(guān)系是不一致的，用統(tǒng)一的公式表示地閃密度與雷暴日數(shù)的關(guān)系，與實際情況有較大的誤差[6]。雷電流幅值概率分布是反映雷電流強度的量，各地區(qū)氣候存在差異，因此雷電流幅值概率分布具有很強的地域性[7]。規(guī)程中利用浙江新杭線的數(shù)據(jù)作為其他地區(qū)防雷計算中雷電流幅值概率分布的參考函數(shù)，顯然已經(jīng)不符合不同區(qū)域防雷計算的需要[8]。

通過二十多年的研究和推廣應(yīng)用，我國電網(wǎng)已逐步在各省建立了雷電定位系統(tǒng)。運行十多年來，廣東省雷電定位系統(tǒng)積累了大量的雷電定位原始數(shù)據(jù)，包括雷電流極性、幅值和定位經(jīng)緯度坐標(biāo)。雷電定位系統(tǒng)在電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率和科學(xué)管理水平上產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟和社會效益[9]。越來越多的部門運用雷電定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)域地閃密度和雷電流幅值概率分布，對輸電線路耐雷性能進行評估，指導(dǎo)線路運行部門加強對雷電密集區(qū)段的運行維護，為各項防雷措施的制定提供了有力的保障[10]。本文根據(jù)廣東省雷電定位系統(tǒng)2000—2008年監(jiān)測的雷電原始數(shù)據(jù)分析珠江三角洲地區(qū)雷電地閃密度逐年變化趨勢和分布規(guī)律，分析不同年份雷電流幅值概率分布特征變化趨勢，為電力部門同步制定輸電線路防雷策略提供重要的數(shù)據(jù)保障。

1 輸電線路雷擊跳閘率計算

1.1 反擊跳閘率計算方法

線路反擊跳閘率計算公式為[11]

式中，N1為反擊跳閘率，次/(100km·a)；NL為每100km線路年落雷次數(shù)，這里的NL=Ng(b+4hg)/10，b為2根避雷線之間的距離，hg為避雷線對地等值高度；g為擊桿率，平原地區(qū)雙避雷線線路取為1/6,山區(qū)取1/4；P1為超過雷擊塔頂時耐雷水平I1的雷電流概率；η為建弧率，即絕緣子和空氣間隙在雷電流沖擊之后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧的概率。建弧率與平均運行電壓梯度的關(guān)系也可用式（2）表示

式中，E為絕緣子串的平均運行電壓(有效值)梯度，kV/m。對有效接地系統(tǒng)，有

1.2 繞擊跳閘率計算方法

文獻[12]中規(guī)定，改進的電氣幾何模型計算繞擊跳閘率計算公式為

式中，Ie為線路繞擊耐雷水平；A（I）為當(dāng)雷電流為I時打到導(dǎo)線的概率；P′（I）為雷電流幅值概率密度函數(shù)；Imax為最大繞擊電流。

式中，Rsm為最大擊距；ht為導(dǎo)線對地平均高度；θ為地面傾角；α為避雷線保護角。

綜上所述，在電網(wǎng)防雷計算中需要得出每年每平方千米范圍內(nèi)的落雷次數(shù)Ng、雷電流幅值概率分布P（I）以及雷電流幅值概率密度分布P′（I）。我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式為Ng=γTd（Td為雷暴日，γ為每個雷暴日每平方千米地面上的平均落雷次數(shù)），40雷暴日地區(qū)γ取0.07次/（km2·a）。在依靠人工觀察雷電活動的情況下，國際大電網(wǎng)會議推薦使用公式Ng=0.023T，IEEE推薦的經(jīng)驗公式[14]為Ng=0.04。規(guī)程中推薦的雷電流幅值概率分布lg P=-1/88是通過對浙江新杭線二十多年的實測，并根據(jù)落在桿塔上的106個雷電流幅值的實測值確定的[15]。IEEE評估輸電線路雷電特性工作組推薦的公式[16]為P＝1/（1+（1/31）2.6）。

廣東省雷電定位系統(tǒng)從1997年投入運行，十幾年來積累了大量的雷電定位數(shù)據(jù)，為輸電線路防雷分析提供了有力的依據(jù)[17]。國內(nèi)外對合理利用雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的地閃密度用于防雷計算做了大量研究。文獻[18]采用線路走廊網(wǎng)格法對特高壓線路走廊的雷電參數(shù)進行統(tǒng)計；文獻[19]采用網(wǎng)格法將目標(biāo)對象劃分成若干個連續(xù)的面積近似的虛擬網(wǎng)格，統(tǒng)計各個網(wǎng)格中的年地閃次數(shù)；文獻[20]通過雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)多年的監(jiān)測資料，對全國部分地區(qū)的雷電流幅值概率分布進行了統(tǒng)計，得到一些典型的雷電流幅值分布特征。

2 地閃密度

2.1 區(qū)域平均地閃密度分析

珠江三角洲地區(qū)屬于多雷區(qū)，經(jīng)濟較發(fā)達，變電站密度大，且輸電線路網(wǎng)復(fù)雜，絕大部分采用雙回或多回線路同塔架設(shè)，一旦雷電直擊或繞擊線路，均會引起侵入雷電波，造成較大危害。雷暴作為一種災(zāi)害，與其他災(zāi)害相比，具有時間的瞬時性、季節(jié)性和頻繁性，空間分布則表現(xiàn)出廣泛性、分散性和集中性等特點。作為反映區(qū)域落雷數(shù)量的地閃密度，是評估雷電活動強弱，計算雷擊風(fēng)險，進行防雷設(shè)計的重要參數(shù)[21]。圖1為珠江三角洲全區(qū)域地閃密度與廣東全省地閃密度年際變化曲線對比。

圖1 不同地區(qū)地閃密度均值變化Fig.1 The flash mean density change of different area

從圖1可看出，廣東地區(qū)地閃密度年際變化呈振蕩增長趨勢，其中2001、2004、2007年為地閃密度的“大年”，地閃密度值高于相鄰年份。珠江三角洲地區(qū)地閃密度值較廣東全省均值要小，為15次/（km2·a）左右。

2.2 區(qū)域地閃分布圖

區(qū)域地閃密度參數(shù)可以直接通過廣東省雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得，與依據(jù)雷電日參數(shù)間接推算的地閃密度相比較，監(jiān)測統(tǒng)計的數(shù)據(jù)更科學(xué)。地閃空間分布圖可以直觀描述區(qū)域雷電活動空間分布特征，本文采用網(wǎng)格法[19]對珠江三角洲地區(qū)雷電活動空間分布進行分析。結(jié)合雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測精度及分辨率，本文中網(wǎng)格大小為1km×1km，該網(wǎng)格邊長大于雷電定位系統(tǒng)的平均精度，能夠滿足統(tǒng)計分析的需要，并反映珠江三角洲地區(qū)地閃活動空間分布特征。圖2為2005—2008年珠江三角洲地區(qū)區(qū)域地閃密度空間分布圖示,依次用黑、紅、黃、綠、紫、灰色表示不同等級落雷密度，黑色等級最高，灰色最低。

由圖2可知，珠江三角洲地區(qū)地閃活動主要集中在三角洲中東部地區(qū)，即廣州、佛山、東莞及惠州地區(qū)。整體上，珠江三角洲中部、東部地區(qū)地閃密度大于西部地區(qū)，且較強雷電活動區(qū)域范圍呈現(xiàn)逐年擴大的趨勢。廣州、佛山、東莞、深圳地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，人口眾多，電網(wǎng)密集分布，輸電線路遭受雷擊的“壓力”大于珠三角周邊其他地區(qū)。

2.3 超過輸電線路反擊耐雷水平的雷電地閃分布

在工程實際中，輸電線路防雷性能的優(yōu)劣主要用耐雷水平和雷擊跳閘率2個指標(biāo)來衡量。而耐雷水平是指輸電線路遭受雷擊時所能耐受的不致引起絕緣閃絡(luò)的最大雷電流幅值。根據(jù)電力系統(tǒng)輸電線路長期運行經(jīng)驗，目前常用110～500kV架空輸電線路典型輸電桿塔的耐雷水平如表1所示。

圖2 珠江三角洲地區(qū)區(qū)域地閃密度空間分布圖Fig.2 The regional flash density spatial distribution pearl river delta

表1110 ～500kV架空輸電線路典型桿塔耐雷水平Tab.1 The Lightning resisting level of 110～500kV overhead transmission lines typical tower

輸電線路遭受雷擊引起線路開關(guān)跳閘故障，其承受的雷電流幅值一般都超過線路的耐雷水平，從而使絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，繼而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧。因此，根據(jù)表1所示110～500kV線路典型桿塔耐雷水平，對珠江三角洲地區(qū)2005—2008年雷電定位數(shù)據(jù)中雷電流幅值超過典型桿塔耐雷水平最小值（文中取為40kA）的地閃記錄進行分析。圖3所示為采用1km×1km的網(wǎng)格繪制的超過輸電線路耐雷水平最小值的地閃空間分布圖。

如圖3所示，珠江三角洲地區(qū)超過輸電線路典型桿塔耐雷水平最小值的地閃空間分布呈現(xiàn)中心區(qū)域密集、周邊地區(qū)較為稀疏的分布特征。

圖3 珠三角洲地區(qū)超過輸電線路耐雷水平的地閃空間分布Fig.3 Flash space distribution of pass transmission line of lightning resisting level in pearl river delta area

隨著區(qū)域整體地閃頻次逐年增多，各地區(qū)超過輸電線路耐雷水平最小值的地閃主要的分布區(qū)域范圍也逐年擴大。廣州、東莞、佛山等經(jīng)濟水平相對較高的城市，其區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測的超過輸電線路耐雷水平最小值的地閃頻次及其空間分布顯著高于其他地區(qū)。

3 珠江三角洲雷電流幅值變化規(guī)律

DL/T 620-1997《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定，雷電流是指雷擊于Rj≤30Ω（Rj為被擊物波阻抗）的低接地電阻物體時，流過該物體的電流。雷電流幅值概率分布作為目前防雷工程中評估設(shè)備耐受雷擊性能的參數(shù)之一，其取值及分布直接關(guān)系到輸電線路跳閘率評定的準(zhǔn)確性。雷電流幅值與區(qū)域氣象環(huán)境、下墊面物體等因素有關(guān)，因此只有通過大量實測，才能正確評估其分布規(guī)律。根據(jù)雷電定位數(shù)據(jù)，廣東地區(qū)雷電流幅值從-800～+800kA均有記錄。雷電流幅值概率密度曲線描述連續(xù)雷電流幅值地閃所占比率。通過對廣東全省雷電定位數(shù)據(jù)進行分析，得到如圖4所示的近十年廣東全省與珠江三角洲地區(qū)雷電流幅值概率密度特征曲線。

珠江三角洲地區(qū)的雷電流幅值概率密度與全省分布基本一致，其值分布呈現(xiàn)明顯的堆積特征，雷電流幅值主要分布在10～50kA，但相對所占比例較全省同一幅值段要大。因此可以看出，珠江三角洲地區(qū)輸電線路所選擇的各項防雷指標(biāo)應(yīng)該采取與全省防雷標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別的量級，才能更好做好區(qū)域輸電線路差異化雷電防護工作。

珠江三角洲地區(qū)雷暴活動呈現(xiàn)短周期性波動變化。當(dāng)出現(xiàn)雷暴活動頻次峰值年份時，對峰值年雷電流幅值分布及變化存在的差異進行分析,對指導(dǎo)防雷工程有一定的現(xiàn)實意義。圖5為珠江三角洲地區(qū)近十年中3個短周期及峰值年份雷電流幅值概率密度特征。

圖4 廣東全省與珠江三角洲地區(qū)雷電流幅值概率密度均值比較Fig.4 Compared lightning current amplitude probability density of Guangdong province with pearl river delta

圖5 珠江三角洲地區(qū)雷電流幅值概率密度特征曲線Fig.5 Lightning current amplitude probability density characteristic curve of the Pearl River delta area

從圖5（a）可見，珠江三角洲地區(qū)近十年中，隨著雷暴活動不斷增強，較大幅值雷電流區(qū)段的雷閃出現(xiàn)概率呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，主要集中區(qū)段為20～50kA，其中2005年至2007年變化尤為明顯；而由圖5（b）同樣可以看出，在地閃頻次峰值年份，其雷電流幅值概率分布也存在同樣的變化趨勢，2007年變化極為明顯。這說明雷電活動不斷增強的趨勢不僅表現(xiàn)為地閃頻次增多，也表現(xiàn)為較大幅值的雷電流出現(xiàn)的頻率也逐漸增多。

4 結(jié)論

通過對珠江三角洲地區(qū)雷電時空分布規(guī)律研究，可以得出以下結(jié)論。

1）珠江三角洲地區(qū)地閃密度年際變化呈振蕩增長趨勢，其中2001、2004、2007年為地閃密度的“大年”，地閃密度值高于相鄰年份。珠江三角洲地區(qū)地閃密度值較廣東全省均值要小，為15次/（km2·a）左右。

2）珠江三角洲地區(qū)地閃活動主要集中在三角洲中東部地區(qū)，即廣州、佛山、東莞及惠州地區(qū)。整體上，珠江三角洲中部、東部地區(qū)地閃密度大于西部地區(qū)，且較強雷電活動區(qū)域范圍呈現(xiàn)逐年擴大的趨勢。廣州、佛山、東莞、深圳地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，人口眾多，電網(wǎng)密集分布，輸電線路遭受雷擊的“壓力”大于珠三角周邊其他地區(qū)。

3）隨著區(qū)域整體地閃頻次逐年增多，各地區(qū)超過輸電線路耐雷水平最小值的地閃主要的分布區(qū)域范圍也逐年擴大。廣州、東莞、佛山等經(jīng)濟水平相對較高的城市，其區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測的超過輸電線路耐雷水平最小值的地閃頻次及其空間分布顯著高于其他地區(qū)。

4）珠江三角洲地區(qū)的雷電流幅值概率密度與全省分布基本一致，其分布呈現(xiàn)明顯的堆積特征，雷電流幅值主要分布在10～50kA，相對所占比例較全省同一幅值段要大。珠江三角洲地區(qū)輸電線路所選擇的各項防雷指標(biāo)應(yīng)該采取與全省防雷標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別的量級，才能更好地做好區(qū)域輸電線路差異化雷電防護工作。

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Statistical Studies on Lightning Temporal Distribution of the Pearl River Delta Region

Based on lightning location data observed by Guangdong lightning location system from 2000to 2008,this paper analyzes the characteristics of Guangdong Province′s lightning spatial and temporal distribution in the last decade.By plotting the trends of the average ground flash density over the years and flash density over the years with 1km×1kmsized grid method,the paper also analyzes the flash density variations of the Pearl River Delta region.In addition,lightning current that surpasses transmission lines′lightning-resistant level of different voltage levels has a great impact on the power grid.According to the lightning resisting level of typical lines,this paper maps out lightning ground flash that surpasses transmission lines′counter-lightning-resistant level to analyze power grid′s danger zones which are easily struck by lightning.Lightning current amplitude has great significance on the lightning protection assessment and making of the lightning protection strategies.Based on the statistical analysis,the paper analyzes the distribution of lightning current amplitude in the Pearl River Delta region and Guangdong province,and plots the distribution map of the area where the lightening surpasses the lightning-resistant level of power transmission lines,which can be used as a guide for the transmission operators in different cities in their efforts to strengthen the operation and maintenance in lightning-intensive areas and intensive periods,and which also helps to improve the reference standard of the transmission line insulation strength in lightning-intensive areas and serves as a basis for lightning protection designs.

transmission line;lightning outage rate;lightning protection assessment;Pearl River Delta region;the level of mineresistantback;flash density;lightning currentamplitude distribution;grid method

利用廣東雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測的2000—2008年雷電定位數(shù)據(jù)，分析廣東省近十年雷電時空分布規(guī)律特征。通過繪制的歷年平均地閃密度變化趨勢圖和1km×1km大小網(wǎng)格的網(wǎng)格法繪制的歷年地閃密度圖，分析珠三角地區(qū)地閃密度變化特征。另外，超過各電壓等級輸電線路反擊耐雷水平的雷電流對電網(wǎng)影響很大，以典型線路耐雷水平為依據(jù)，繪制出超過輸電線路反擊耐雷水平的雷電地閃分布圖，分析電網(wǎng)遭受雷擊的危險區(qū)段。雷電流幅值對防雷評估和防雷策略的制定具有重要意義，根據(jù)統(tǒng)計方法分析了珠江三角洲地區(qū)及廣東省雷電流幅值分布規(guī)律的特征，并繪制了超過造成輸電線路耐雷水平的落雷分布圖，指導(dǎo)不同經(jīng)濟水平層次城市的線路運行部門加強對雷電密集區(qū)和密集時段的運行維護，完善落雷密集區(qū)內(nèi)的輸電線路絕緣強度參考標(biāo)準(zhǔn)，并為設(shè)計部門提供新的線路防雷設(shè)計依據(jù)。

輸電線路；雷擊跳閘率；防雷評估；珠江三角洲地區(qū)；反擊耐雷水平；地閃密度；雷電流幅值分布；網(wǎng)格法

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）。

1674-3814（2011）11-0013-07

TM86

B

2011-08-13。

劉 剛（1969—），男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為智能高壓電網(wǎng)、過電壓及其防護、電力設(shè)備外絕緣；

唐 軍（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路雷電防護與絕緣技術(shù)。

（編輯 馮露）