海南省雷電流幅值概率分布研究

吳 清,張丹丹,梁亞峰,黃飛鵬,黃 松,周志強(qiáng)

(1.海南電力技術(shù)研究院,海口 570125；2.華中科技大學(xué),武漢 430074)

海南省雷電流幅值概率分布研究

吳 清1,張丹丹2,梁亞峰1,黃飛鵬2,黃 松1,周志強(qiáng)2

(1.海南電力技術(shù)研究院,?？?570125；2.華中科技大學(xué),武漢 430074)

雷電流幅值概率分布是防雷計(jì)算中的重要參數(shù)。以海南電網(wǎng)雷電電位系統(tǒng)2009—2013年相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對海南省雷電流幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,比較海南省雷電流幅值累積概率曲線與規(guī)程法、電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE,InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)推薦曲線之間的差別。另外,分別依據(jù)規(guī)程法和IEEE推薦的雷電流幅值累積概率公式對海南省雷電流幅值累積概率曲線進(jìn)行了擬合并比較其優(yōu)劣,分析海南各地區(qū)的雷電流幅值分布之間的差異,總結(jié)海南4個(gè)方位代表地區(qū)的雷電流幅值累積概率公式,對海南地區(qū)防雷計(jì)算和防雷裝置配置等工作的科學(xué)開展具有重要意義。

雷電定位系統(tǒng)；雷電流幅值；累積概率分布；海南

雷電流幅值概率分布是表征雷電活動(dòng)強(qiáng)弱的重要特征參數(shù),在反擊和繞擊防雷計(jì)算中占據(jù)重要位置[1]。不同地區(qū)的雷電活動(dòng)有較大的差異性[2-4],對某個(gè)地區(qū)的雷電流幅值概率分布進(jìn)行研究,對該地區(qū)的輸電線路防雷計(jì)算、防雷裝置配置等工作的開展具有重要意義。

受地理氣候環(huán)境的影響,海南省雷電活動(dòng)非常頻繁,年平均雷暴日100多天,每年因雷擊造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失為全國之最[5-7]。以海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)(LightingLocationSystem, LLS)2009—2013年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究海南省雷電流幅值概率分布規(guī)律,并擬合出海南省雷電流幅值概率分布公式,為海南地區(qū)防雷工作的科學(xué)開展提供參考依據(jù)。

1 雷電活動(dòng)數(shù)據(jù)的來源

分析海南省雷電流概率分布的原始數(shù)據(jù)來源于海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)。海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)共設(shè)1個(gè)中心站,位于海南電力技術(shù)研究院, 7個(gè)探測站,分別位于文昌、萬寧、儋州、屯昌、五指山、三亞、東方。雷電定位系統(tǒng)能夠監(jiān)測雷電活動(dòng)的參數(shù)包括地閃發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、雷電流幅值、雷電的極性、回?fù)舸螖?shù)等,本文主要使用其中的雷電流幅值、雷電極性等數(shù)據(jù)。

共收集了海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2009—2013年所記錄的原始雷擊數(shù)據(jù)共723.2萬條(次),其中2009年212.0萬條(次),2010年234.6萬條(次),2011年106.7萬條(次),2012年86.3萬條(次),2013年97.6萬條(次)。需要說明的是,通常氣象站記錄的雷電資料不區(qū)分云閃和地閃,而雷電定位系統(tǒng)只記錄其中的地閃信息[8],地閃也是給人畜、電網(wǎng)造成雷電災(zāi)害的主要雷種,本文提到的雷電活動(dòng)均指地閃部分。

2 常用的雷電流累積概率公式

為滿足線路防雷計(jì)算的需要,我國曾對雷電流概率分布公式進(jìn)行過幾次修訂,目前所采用的公式為1997年修訂,依據(jù)的是新杭線1962—1987年的磁鋼棒檢測結(jié)果,用97個(gè)雷擊塔頂負(fù)極性雷電流幅值總結(jié)得到[9]。國際上,電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE,InstituteofElectricaland ElectronicsEngineers)工作組通過對Anderson-Erikson、Popolansky、Sargent等人歸納出的雷電流幅值累積概率表達(dá)式進(jìn)行總結(jié),推薦了Anderson依據(jù)Berger等人的實(shí)測數(shù)據(jù)提出的雷電流幅值的概率分布的近似對數(shù)正態(tài)分布式[10]。

2.1 規(guī)程法推薦的雷電流幅值累積概率公式

電力行業(yè)規(guī)程DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》推薦的雷電流幅值累積概率公式為

式中,I為雷電流幅值,單位為kA；P1為雷電流大于I的概率；a為雷暴日不同地區(qū)所采用的參數(shù)?！督涣麟姎庋b置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定,在進(jìn)行防雷計(jì)算時(shí),一般地區(qū)a取88,除陜南之外的西北地區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分地區(qū)(這類地區(qū)的平均年雷暴日數(shù)一般在20d及以下)由于雷電流幅值較小,a取44。

2.2 國際組織推薦的雷電流幅值累積概率公式

IEEE推薦的雷電流幅值累積概率公式為

式中,參數(shù)b表示中值電流值,即電流幅值大于b的概率為50%；參數(shù)c反映了曲線變化程度：c值越大,表示幅值概率曲線下降程度越快,電流幅值集中性越強(qiáng)。IEEE推薦的公式中,b= 31,c=2.6。

相比于國內(nèi)規(guī)程法推薦的雷電流幅值累積概率公式,IEEE推薦的公式中的參數(shù)具有具體的意義,能夠更為直觀地反應(yīng)雷電流幅值概率的分布特征。

3 海南雷電流幅值分布統(tǒng)計(jì)

3.1 正、負(fù)極性雷電流幅值累積概率分布

與其他地區(qū)相同,海南省的地閃以負(fù)極性為主,比例達(dá)95.15%。對海南省的正、負(fù)極性地閃的雷電流幅值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到的累計(jì)概率曲線如圖1所示。可以看出,正極性雷電流幅值累積概率曲線相對負(fù)極性更加平緩,雷電流幅值分散性相對較大,出現(xiàn)高幅值雷電流的概率相對較大。另外,由于負(fù)極性地閃在總的地閃次數(shù)中所占的比例較高,所以正負(fù)極性綜合后的雷擊概率曲線與負(fù)極性的累積概率曲線基本重合。

根據(jù)DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》的要求,有避雷線的35kV、110kV、220kV線路的耐雷水平應(yīng)分別到達(dá)30kA、75kA、110kA。對照雷電流累積概率分布曲線,海南省雷電流大于30kA、75kA和110kA的概率分別是14.68%、3.92%、2.19%。

圖1 海南省雷電流幅值雷擊概率曲線

3.2 雷電流幅值累積概率曲線與推薦曲線的對比

為了說明通過對雷電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的海南省綜合正負(fù)極性后的雷電流幅值累積概率曲線與規(guī)程法推薦曲線、IEEE推薦曲線之間的區(qū)別,將三者繪制到一幅圖中進(jìn)行比較(圖2)。從圖2可以看出,海南省雷電流幅值累積概率曲線與規(guī)程法推薦曲線、IEEE推薦曲線均有較大區(qū)別,海南省的曲線與另外兩者之間沒有交點(diǎn),與IEEE推薦曲線的最大偏差達(dá)到50%,對應(yīng)22kA處。海南省的曲線下降更早,這說明海南省的雷電流分布較為集中,且更多的集中于低幅值的區(qū)間。

圖2 海南省雷電流幅值累積概率曲線與推薦曲線的對比

3.3 雷電流幅值累積概率曲線的擬合

分別用公式(1)和公式(2)對海南省綜合正負(fù)極性后的雷電流幅值雷擊概率曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖3所示。從圖3來看,兩種形式的公式均能夠較好擬合海南省的雷電流累積概率曲線。但從數(shù)學(xué)的角度分析,公式 (2)擬合出的公式的誤差平方和(SumofSquaresDueToError)更小,確定系數(shù)(CoefficientofDetermination)更高,因此公式(2)擬合出的公式要稍優(yōu)于公式(1),而且,公式(2)擬合出的公式中的b、c具有更為明確的統(tǒng)計(jì)意義,所以防雷計(jì)算推薦使用公式 (2)擬合出的公式。兩公式擬合出的公式分別為

從公式(4)可以看出,海南省的雷電流幅值的中值電流為9.788kA,即電流幅值大于9.788kA的概率為50%。大部分(超過50%)地閃的雷電流幅值集中于0～10kA的區(qū)間。而IEEE推薦的曲線中的中值電流高達(dá)31kA,與海南的實(shí)際情況有較大的差距。可見,如果防雷計(jì)算和防雷設(shè)計(jì)采用IEEE推薦的曲線將會(huì)引起較大的誤差。

圖3 海南省雷電流幅值累積概率曲線擬合

3.4 不同地區(qū)的雷電流幅值概率分布

考慮到海南省不同地區(qū)的雷電流幅值概率分布可能不同,選取瓊海、三亞、儋州、海口四個(gè)地區(qū)分別作為海南省東、南、西、北四個(gè)方位的地區(qū)代表,研究雷電流強(qiáng)度分布的地域差異。四個(gè)地區(qū)的雷電流累計(jì)概率密度分布曲線如圖4所示。

從圖4可以看出,四個(gè)地區(qū)的雷電流幅值累積概率分布并無明顯的差異,除了海口地區(qū)的曲線分布比另外三個(gè)地區(qū)略為平緩,即較大幅值的雷電流出現(xiàn)的概率相對略高。選用公式 (2)分別對四個(gè)地區(qū)的雷電流幅值累積概率曲線進(jìn)行擬合,得到下列公式

圖4 四個(gè)地區(qū)的雷電流累積概率分布曲線

4 結(jié)論

(1)海南省的地閃以負(fù)極性為主,比例達(dá)95.15%；正極性雷電流幅值累積概率曲線相對負(fù)極性更加平緩,雷電流幅值分散性相對較大,出現(xiàn)高幅值雷電流的概率相對較大。

(2)海南省綜合正負(fù)極性后的雷電流幅值累積概率曲線與規(guī)程法推薦曲線、IEEE推薦曲線有較大的區(qū)別,海南省的曲線與另外兩者之間沒有交點(diǎn),與IEEE推薦曲線的最大偏差達(dá)到50%。

(3)lgP1=-I/a和P1=1/(1+(I/b)c)均能夠很好表達(dá)海南省的雷電流累積概率曲線,但后者更優(yōu)。海南省雷電流累積概率曲線的擬合公式為P1=1/(1+(I/9.788)1.571),雷電流幅值的中值電流為9.788kA,即電流幅值大于9.788kA的概率為50%。

(4)海南的瓊海、三亞、儋州、?？谒膫€(gè)地區(qū)的雷電流幅值累積概率分布并無明顯的差異,除了?？诘貐^(qū)的曲線分布比另外三個(gè)地區(qū)略為平緩,即較大幅值的雷電流出現(xiàn)的概率相對略高。

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1006-4354(2015)04-0024-04

2014-12-21

吳清(1971—),男,漢族,海南?？谌?碩士,高級(jí)工程師,從事電力企業(yè)管理工作。