貴廣高鐵沿線雷電活動(dòng)特征分析

吳安坤,劉　波,張淑霞,曾　勇

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心,貴州　貴陽　550081;2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川　成都　610225)

?

貴廣高鐵沿線雷電活動(dòng)特征分析

吳安坤1,2,劉波1,張淑霞1,曾勇1

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心,貴州貴陽550081;2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225)

采用全國雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的地閃數(shù)據(jù)，通過分析貴廣高鐵沿線9個(gè)市州的雷電活動(dòng)分布特征，發(fā)現(xiàn)高鐵沿線途經(jīng)的兩廣丘陵雷電活動(dòng)強(qiáng)于云貴高原，而云貴高原的閃電強(qiáng)度卻明顯高于丘陵地帶；雷電活動(dòng)主要發(fā)生在3—8月，冬季幾乎沒有閃電發(fā)生；貴州、廣西境內(nèi)閃電時(shí)頻分布大致呈現(xiàn)“雙峰”特征，主要發(fā)生在后半夜和下午；而廣東境內(nèi)極值區(qū)出現(xiàn)在下午，呈現(xiàn)“單峰”變化；肇慶與佛山交界附近為雷電易擊段，貴州黔南的都勻、貴定境內(nèi)為雷電易損段，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)。進(jìn)一步選取高鐵沿線周邊5 km的地閃數(shù)據(jù)擬合雷電流幅值分布曲線，認(rèn)為電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的雷電流幅值概率分布曲線不能準(zhǔn)確反映走廊沿線雷電流幅值分布情況，建議采用文中沿線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合曲線進(jìn)行分段區(qū)域防雷設(shè)計(jì)，確保安全穩(wěn)定運(yùn)營。

貴廣高鐵；雷電活動(dòng)；幅值概率分布

1　引言

近年來隨著高速鐵路運(yùn)營里程的增加和運(yùn)行速度的提高，保障列車可靠、安全運(yùn)行，提高鐵路服役性能已成為世界各國不斷追求的目標(biāo)[1-2]。但由于列車運(yùn)行環(huán)境的特殊性，鐵路接觸網(wǎng)具有面廣、線長(zhǎng)且無備用系統(tǒng)等特點(diǎn)，雷擊可能會(huì)引起設(shè)備損壞、列車失電，導(dǎo)致運(yùn)輸中斷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成行車事故和人員傷亡[3]，比較典型的如“7·23”甬溫線特大鐵路交通事故。近年來，對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷技術(shù)的研究引起極大的關(guān)注[4-6]。但是長(zhǎng)期以來，采用氣象部門提供的雷暴日數(shù)據(jù)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的雷電流幅值概率分布，作為電氣化鐵路接觸網(wǎng)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并不能精細(xì)化的反映接觸網(wǎng)沿線的雷電活動(dòng)參數(shù)特征，從而在防雷安全設(shè)計(jì)上存在一定的偏差。

貴廣高鐵線始于貴州省貴陽市觀山湖區(qū)東側(cè)的貴陽北站，終于廣州交通樞紐廣州南站，全長(zhǎng)約857 km。沿線常年受亞熱帶季風(fēng)及副熱帶高壓的影響，途徑海拔1 500 m以上的云貴高原、200 m以下兩廣丘陵，穿越復(fù)雜的喀斯特地質(zhì)區(qū)域，跨越510座山谷，地形、地貌、氣象、氣候條件變化多樣，雷電活動(dòng)復(fù)雜多變。因此，本文采用全國雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)近3 a(2013—2015年)的閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析貴廣高鐵沿線走廊的雷電活動(dòng)分布特征，為鐵路接觸網(wǎng)日后維護(hù)采取針對(duì)性的防雷措施和差異化設(shè)計(jì)提供參考。

2　沿線臨近區(qū)域雷電活動(dòng)

2.1空間分布

地閃密度是指單位面積內(nèi)的閃電次數(shù)，表征閃擊放電頻繁程度。M.Suzuki[7]提出地閃密度為雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的閃電次數(shù)除以統(tǒng)計(jì)面積。據(jù)此，通過提取貴廣高鐵途徑的貴州、廣西以及廣東3個(gè)省的雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照0.1°×0.1°的網(wǎng)格繪制的年平均地閃密度分布如圖1所示。閃電活動(dòng)?xùn)|部高于西部、南部高于北部，具體表現(xiàn)為兩廣丘陵雷電活動(dòng)強(qiáng)于云貴高原，這種分布與季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)影響有很大關(guān)系。其中兩廣丘陵大部分區(qū)域地閃密度>4.5次/(km2·a)，而云貴高原地閃密度大多<4.5次/(km2·a)。對(duì)兩廣丘陵來說，地閃密度高值區(qū)主要集中在廣西貴港、賀州以及廣東肇慶、佛山、廣州，地閃密度>8.0次/(km2·a)。

2.2時(shí)間分布

圖2所示：利用全國雷電監(jiān)測(cè)定位資料分析沿線9個(gè)市州雷電活動(dòng)的的月頻、時(shí)頻分布。貴廣高鐵沿線雷電活動(dòng)基本上都是始于3月份，4月份閃電活動(dòng)頻繁程度有所回落，5—6月出現(xiàn)峰值，7—8月份閃電活動(dòng)有所減少，9份仍然有一定數(shù)量的閃電活動(dòng)，10—2月份閃電活動(dòng)很少，尤其是冬季，幾乎沒有閃電發(fā)生。具體分析各市州閃電活動(dòng)月頻變化，南北向上存在一定的差異。高鐵南段的桂林、賀州、肇慶、佛山、廣州閃電活動(dòng)峰值出現(xiàn)在5月，早于北段的貴陽、黔南、黔東南及柳州閃電活動(dòng)峰值出現(xiàn)在6月；此外，北段的貴陽、黔南、黔東南閃電活動(dòng)月頻變化趨勢(shì)大體一致，呈現(xiàn)逐漸上升至峰值后迅速下降，具體表現(xiàn)為百分比變化自3月經(jīng)5月到6月逐漸增至全年的極值點(diǎn)，而后7月直接回落至15%以下；而南段與之截然不同，迅速上升至峰值后逐漸下降，百分比變化自3月經(jīng)4月回落至10%以下后，5月直接上升至25%以上，為全年中的峰值點(diǎn)，而后6月卻緩慢回落至20%左右。

圖1　貴廣高鐵臨近區(qū)域年均地閃密度Fig.1　Annual average ground flash density in the vicinity ofGuiyang-Guangzhou high-speed railway

圖2　沿線臨近區(qū)域時(shí)間分布(a-c:月頻分布；d-f:時(shí)頻分布)Fig.2　Time distribution of lightning activity along the railway(a-c.monthly; d-f.time)

由于受地形、地理因素的影響，高鐵沿線9市州雷電活動(dòng)時(shí)頻變化也存在極大的差異。貴州境內(nèi)貴陽、黔南、黔東南閃電活動(dòng)主要發(fā)生在下午和后半夜，而前半夜、上午時(shí)段閃電活動(dòng)相對(duì)較少；廣西境內(nèi)的柳州、桂林、賀州閃電活動(dòng)主要發(fā)生在下午、前半夜及后半夜，而上午時(shí)段閃電活動(dòng)相對(duì)較少；到了廣東境內(nèi)，肇慶、佛山、廣州閃電活動(dòng)主要發(fā)生在下午，前半夜次之，而后半夜及上午最少，呈現(xiàn)“單峰”變化。此外，受地形因素的影響，廣東境內(nèi)各市閃電活動(dòng)時(shí)頻分布相對(duì)集中，比貴州、廣西境內(nèi)各市州閃電活動(dòng)時(shí)頻分布更為一致。

3　線路走廊沿線雷電活動(dòng)

為進(jìn)一步細(xì)致的了解線路走廊沿線的雷電活動(dòng)分布，并考慮雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的定位誤差，將沿線左右各取5 km 作為統(tǒng)計(jì)區(qū)域[8]，分別采用點(diǎn)密度、反距離插值生成0.01°×0.01°、0.05°×0.05°的沿線地閃密度、強(qiáng)度，以此分析貴廣高鐵沿線走廊地閃密度、閃電強(qiáng)度變化。

由于受沿途所經(jīng)區(qū)域地理、地勢(shì)、氣象、氣候條件的影響，線路走廊地閃密度、強(qiáng)度差異性較大。如圖3a所示：線路走廊沿線年均地閃密度從北到南地閃密度數(shù)值逐漸增大，介于2～10次/(km2·a)；其中貴州段、廣西段地閃密度變化不大，各區(qū)段地閃密度在2～4次/(km2·a)范圍，而進(jìn)入廣東境內(nèi)后地閃密度數(shù)值明顯增大，地閃密度均>6次/(km2·a)。然而，平均地閃強(qiáng)度與年均地閃密度呈現(xiàn)截然相反的變化。沿線走廊整體呈現(xiàn)北部閃電強(qiáng)度高于南部，呈現(xiàn)依次遞減的變化。其中貴州境內(nèi)的貴陽段、黔南段的大部分區(qū)域閃電強(qiáng)度均>40 kA，黔東南段介于30～40 kA之間；進(jìn)廣西境內(nèi)后，平均地閃強(qiáng)度值在30 kA左右，局部線路段可達(dá)40 kA。

圖3　沿線雷電活動(dòng)分布(a.地閃密度分布；b.地閃強(qiáng)度分布)Fig.3　The distribution of lightning activity along the line (a.flash density; b.ground flash intensity)

貴廣高鐵線路走廊年均閃電密度的極值區(qū)出現(xiàn)在肇慶與佛山交界附近，密度值高達(dá)10/(km2·a)，為全線的易受雷擊段；平均閃電強(qiáng)度在貴州黔南的都勻段、貴定段存在極值，強(qiáng)度值高達(dá)100 kA，為全線的雷擊易損段。

4　雷電流幅值分布特征

雷電流幅值累積概率是國內(nèi)外防雷界非常重視的雷電參數(shù)之一，是表征雷電活動(dòng)頻度，計(jì)算雷擊鐵路接觸網(wǎng)閃絡(luò)率的必要參數(shù)，其取值精確性直接關(guān)系著接觸網(wǎng)雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算精確性。貴廣高鐵途徑貴州、廣西、廣東3省，文中選取近3 a線路接觸網(wǎng)周邊10 km范圍內(nèi)閃電發(fā)生的雷電流幅值，統(tǒng)計(jì)地閃165 818次，依次分析貴州、廣西、廣東段的雷電流幅值分布情況。

目前，我國鐵道行業(yè)防雷計(jì)算中雷電流幅值分布選用的是電力行業(yè)規(guī)程《DL/T 620-1997》中推薦的雷電流幅值累積概率分布曲線lgPI=-I/88。根據(jù)Pobolansky[9]、CIGRE[10]及IEEE工作組[11]分別提出雷電流幅值累積概率表達(dá)式，結(jié)合其特點(diǎn)，歸納表達(dá)式為PI=1/[1+(I/a)b]。據(jù)此，選取近3 a線路接觸網(wǎng)周邊10 km范圍內(nèi)閃電發(fā)生的雷電流幅值，統(tǒng)計(jì)地閃165 818次，依次對(duì)貴州、廣西、廣東段雷電流幅值累積概率分布進(jìn)行擬合(表1)。

表1　雷電流幅值累積概率分布曲線參數(shù)

各段分布曲線擬合優(yōu)度R2均>0.9，殘差平方和RSS<0.001，擬合效果很好。小電流部分貴州段較廣西、廣東段下降得更快，大電流部分則較為平緩(圖4a)。進(jìn)一步分析各段幅值概率密度分布概率曲線如圖4b所示，貴州段、廣西段、廣東段雷電流幅值分布分別集中在1～123 kA、6～90 kA、8～75 kA，約占92.8%、97.3%、98.1%；峰值點(diǎn)分別為17 kA、29 kA、28 kA，均值分別為56.9 kA、41.1 kA、35.1 kA。進(jìn)一步分析幅值分布變化情況，貴州段、廣西段、廣東段均呈現(xiàn)先上升后下降的分布規(guī)律，并呈現(xiàn)正偏態(tài)分布。但貴州段峰度較小，較廣西段、廣東段變化緩慢。

圖4　雷電流幅值分布(a.累計(jì)概率分布；b.概率密度分布)Fig.4　Amplitude distribution of lightning current (a.cumulative probability; b.probability density)

對(duì)比分析利用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合曲線與電力規(guī)程推薦曲線，發(fā)現(xiàn)存在差異性。從雷電流幅值累積概率分布曲線來看，電力規(guī)程推薦曲線在小電流部分下降更快，在大電流部分更為平緩；進(jìn)一步對(duì)比概率密度分布曲線，規(guī)程推薦得到的對(duì)數(shù)式分布與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合嚴(yán)重不符，不能夠依次作為沿線接觸網(wǎng)繞擊和反擊的防雷參數(shù)計(jì)算。建議采用文中表1擬合的曲線進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域差異性設(shè)防。

5　結(jié)論

①貴廣高鐵沿線走廊整體呈現(xiàn)北部平均地閃強(qiáng)度高于南部，而年均地閃密度呈現(xiàn)南部高于北部。具體表現(xiàn)為兩廣丘陵雷電活動(dòng)強(qiáng)于云貴高原，而山區(qū)的閃電強(qiáng)度明顯高于丘陵。

②沿線區(qū)域雷電活動(dòng)主要發(fā)生在3—8月，冬季幾乎沒有閃電發(fā)生。南段的桂林、賀州、肇慶、佛山、廣州閃電月頻變化峰值出現(xiàn)在5月，早于北段的其他區(qū)域。貴州、廣西境內(nèi)閃電時(shí)頻分布大致呈現(xiàn)“雙峰”特征，主要發(fā)生在后半夜和下午；而廣東境內(nèi)極值區(qū)出現(xiàn)在下午，呈現(xiàn)“單峰”變化。

③貴廣高鐵沿線肇慶與佛山交界附近、貴州黔南的都勻段、貴定段為線路走廊的重點(diǎn)雷電防護(hù)區(qū)段。

④電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的雷電流幅值概率分布曲線不能準(zhǔn)確反映走廊沿線雷電流幅值分布情況，建議采用文中沿線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合曲線進(jìn)行分段區(qū)域防雷設(shè)計(jì)，在確保安全穩(wěn)定運(yùn)營的同時(shí)，更為經(jīng)濟(jì)合理。

由于文中的閃電資料來源于全國雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的閃電數(shù)據(jù)采用二維定位，即不能監(jiān)測(cè)云閃，必定導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。因此，在后續(xù)的工作中將考慮結(jié)合三維閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)云閃資料缺失，從而得到更為全面的結(jié)論。

[1] Glickenstein H.High-speed trains[J].IEEE Vehicular Technology Magazine,2009,4(4):9-14.

[2] 徐雨晴,何吉成. 中國鐵路雷電災(zāi)害時(shí)空分布特征[J]. 電氣化鐵道,2015(1):47-50.

[3] 周利軍,高峰,李瑞芳,等. 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護(hù)體系[J]. 高電壓技術(shù),2013(2):399-406.

[4] 李康,劉家軍,卓元志,等. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源,2012(7):39-45.

[5] 李德勝. 高速鐵路接觸網(wǎng)落雷特性及防雷技術(shù)的探討[J]. 電氣化鐵道,2013(3):1-4.

[6] 盧澤軍,谷山強(qiáng),馮萬興,等. 高速鐵路接觸網(wǎng)綜合防雷對(duì)策分析[J]. 電氣化鐵道,2014(2):30-33.

[7] Suzuki M，Katagiri N，Ishikawa K． Establishment of estimation lightning density method with lightning location system data[C]/ /IEEE Power Engineering Society-1999 Winter Meeting． New York，USA: IEEE，1999:1 322-1 326．

[8] 向念文,谷山強(qiáng),陳維江,等. 京滬高鐵沿線臨近區(qū)域雷電分布特征[J]. 高電壓技術(shù),2015(1):49-55.

[9] Shim E B，Woo J W，Han S O，et al. Lightning characteristics in Korea and lightning performance of power systems[C]. Proceedings of the IEEE/PES,2002,1(3):534-539.

[10]James T W, William A C. Estimating lightning performance of transmission lines II-updates to analytical models[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1993,8(3):1 254-1 267.

[11]IEEE Std 1243-1997.IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines [S].New York;IEEE Inc.,1997.

Characteristics Analysis of Lightning Activities along Guiyang-Guangzhou High-speed Railway

WU Ankun1,2,LIU Bo1,ZHANG Shuxia1,ZENG Yong1

(1.Guizhou Lightning Protection and Disaster Reduction Center, Guiyang 550081, China; 2.College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

The lightning activity distribution characteristics of 9 cities along the high speed railway line were analyzed by using the data of lightning detection and location system in China, it's found along the railway of Guangdong and Guangxi hills lightning activity is stronger than the Yunnan Guizhou Plateau, and the Yunnan Guizhou Plateau lightning intensity is significantly higher than hilly area. Lightning activities mainly occurred in 3—8 months, there was almost no lightning occurred in winter. The frequency distribution of lightning in Guangxi and Guizhou appear like bimodal, which mainly occurred in the night and afternoon, while the extreme area of Guangdong appears in the afternoon and presented a single peak. It should be focused on strengthening the contact network of lightning protection near the border between Zhaoqing and Foshan for lightning strike and Guiding, Duyun territory for the lightning vulnerable segment. Further selection along the railway surrounding 5km flash data fitting lightning current amplitude distribution curve recommended by the electric power industry standard lightning flow amplitude probability distribution curve can’t accurately reflect the corridor along the lightning current amplitude distribution. So it is recommended that the fitting curve of the data fitting curve be used in the paper to design the lightning protection in the section area, to ensure the safe and stable operation.

Guiyang-Guangzhou high-speed railway; lightning activity; amplitude probability distribution

1003-6598(2016)03-0070-05

2016-01-26

吳安坤(1986-)，男，工程師，主要從事雷電科學(xué)與防護(hù)技術(shù)研究，E-mail：wak-mail@163.com。

P427.32+1

B