微地形氣候環(huán)境下郴州電網(wǎng)雷害活動分布規(guī)律分析

何昌雄，劉運平，唐軍

（國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電分公司，湖南郴州423000)

微地形氣候環(huán)境下郴州電網(wǎng)雷害活動分布規(guī)律分析

何昌雄，劉運平，唐軍

（國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電分公司，湖南郴州423000)

以雷電定位系統(tǒng)記錄的2012—2016年雷電定位數(shù)據(jù)為樣本，結(jié)合郴州地區(qū)地理氣候特征，分析該地區(qū)雷電地閃頻次的年變化趨勢、月度分布規(guī)律、正/負地閃變化規(guī)律；根據(jù)網(wǎng)格法繪制了2012—2016年的地閃密度分布圖和近5年的平均地閃密度分布圖，對輸電線路雷擊故障點分布情況進行相關性分析；擬合了2012—2016年的雷電流幅值概率分布函數(shù)，并對前、后汛期的雷電流幅值概率分布曲線的差異進行了對比分析。為郴州電網(wǎng)輸電線路防雷計算和防雷措施的制定提供了依據(jù)。

雷電定位系統(tǒng)；雷電參數(shù)；地閃密度；雷電流幅值概率分布

雷擊是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要威脅之一，約70%以上的輸、配電線路跳閘都是由雷擊引起的〔1－4〕。研究區(qū)域雷電活動分布規(guī)律，進行區(qū)域電網(wǎng)的雷擊風險評估，從而采取相應的防護措施，是降低雷擊跳閘故障率，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要手段〔5－6〕。

雷電活動的分布特征與氣候、地理、地質(zhì)、環(huán)境、土壤等條件有著密切的關系，具有很強的地域性。郴州地處南嶺山脈北麓，東部是羅霄山脈，西部是郴道盆地，全市總面積的80%均屬于山地、丘陵，氣候除了亞熱帶濕潤氣候特征外，還有明顯的地方性小氣候特征，雷電活動高發(fā)，雷擊等自然災害是郴州電網(wǎng)安全的最主要危險源。掌握郴州地區(qū)的地閃頻次和雷電流幅值變化特征，對準確評估境內(nèi)輸電線路雷擊跳閘率具有重要的意義。

文中根據(jù)2012—2016年雷電定位系統(tǒng)記錄的郴州地區(qū)雷電原始參數(shù)，分析近5年來郴州的雷電地閃分布特征和雷電流幅值概率分布特征，為該地區(qū)輸電線路防雷風險評估提供相應的數(shù)據(jù)支撐和計算依據(jù)。

1 地閃時空分布規(guī)律分析

1.1 雷電地閃頻次分布特征

圖1為2012—2016年郴州地區(qū)年落雷次數(shù)變化趨勢。由圖1可知，郴州地區(qū)在2012年、2014年、2016年雷電活動頻繁，2013年、2015年雷電地閃次數(shù)相對較少，但總體呈現(xiàn)出周期為2年振蕩增長趨勢。圖2為2012—2016年正/負地閃的變化趨勢圖。圖3為2012—2016年雷電地閃頻次的月度分布情況對比。

圖1 郴州地區(qū)2012—2016年落雷次數(shù)變化趨勢

圖2 郴州地區(qū)2012—2016年正/負地閃的變化趨勢

圖3 郴州地區(qū)2012—2016年雷電地閃頻次的月度分布情況對比

近5年負/正地閃次數(shù)的比值在3.2～4.0之間變化，平均比值為3.66。負地閃的變化趨勢曲線與圖2地閃變化趨勢相似，正地閃次數(shù)2014年最多，2015年最少，說明地閃活動振蕩增長主要是負地閃次數(shù)的增長引起的。

華南地區(qū)的雨季可以分為前汛期和后汛期，其中3—6月上旬為前汛期，6月下旬—8月為后汛期〔7〕。由圖3可知，郴州每年的3—8月落雷活動最為頻繁，3—5月為一個高峰期，7—8月為另一個高峰期，總體上后汛期的地閃活動頻次要強于前汛期。2016年前汛期雷電活動最強，2014年的后汛期雷電活動最強，2012年4月、7月雷電活動較強，9月到第二年2月雷暴偏少。

1.2 地閃密度分布圖

將郴州地區(qū)劃分為若干個2 km×2 km大小的小方格，以小方格為單位統(tǒng)計地閃密度，根據(jù)自然分割法劃分等級，并用不同顏色表示從低到高的不同地閃等級，得到2012—2016年的雷電地閃分布。

郴州境內(nèi)存在3個重雷區(qū)，至西向東依次是:桂陽中、北部地區(qū)，郴州中心城區(qū)向北延伸至永興中部地區(qū)和資興東部至桂東西北部的地區(qū)。這3個區(qū)域均為典型的微地形氣候區(qū)域，微地形下由于山地起伏有利于氣流的抬升導致空氣對流活動加強，海拔因素使雷云與大地的高度相對較低，這兩方面的因素都導致了微地形區(qū)域更容易雷擊〔8－9〕。此外，郴州絕大部分的覆冰線路都在以上3個區(qū)域，微地形氣候使雷區(qū)和冰區(qū)存在重疊。

1.3 雷擊跳閘故障點相關性分析

統(tǒng)計2016年某電壓等級輸電線路跳閘故障點分布與地閃分布的對比情況。

輸電線路跳閘與雷電地閃分布、地形地貌、桿塔形狀等因素有關，微地形下輸電線路走廊經(jīng)過山腰、山脊、跨越山谷、河流、爬越山坡，均使線路的暴露弧面增大，更容易遭受雷電繞擊〔8－9〕。圖5中黑色標記為某電壓等級輸電線路故障點位置所在，超90%的輸電線路故障點都分布于高地閃密度的深色區(qū)域。雷電地閃密度越大，線路雷擊閃絡故障的風險也越大，因此地閃分布圖可作為輸、配電線路防雷措施安裝點選擇的參考，重落雷區(qū)相應加強雷電防護措施。

2 雷電流幅值概率分布情況分析

2.1 雷電流幅值概率分布函數(shù)

雷電流幅值概率分布函數(shù)與地區(qū)氣候、地形地貌，地質(zhì)、緯度等因素有關，雷電定位系統(tǒng)的成熟應用為研究雷電流幅值概率分布函數(shù)積累了大量的實測數(shù)據(jù)〔10〕。文獻 〔11〕在IEEE標準推薦公式的基礎上，擬合了計算雷電流幅值概率的計算公式，即:

式中 P為雷電流幅值概率分布函數(shù)；I為雷電流幅值(kA)；系數(shù)α為中值雷電流幅值，即為當P＝0.5時的雷電流幅值；系數(shù) β的大小基本在[2.4，3.0]范圍內(nèi)變化。β越大，表示雷電流在較小幅值和較大幅值的情況下越集中，在中值電流附近越分散。根據(jù)雷電定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計的2012—2016年郴州地區(qū)的雷電流幅值概率密度和雷電流幅值概率分布曲線對比如圖4所示。

圖4 郴州地區(qū)2012—2016年雷電流幅值概率分布曲線對比

由圖4可知，除2012年外，2013—2016年的雷電流幅值概率分布曲線基本重疊。概率為50%對應的雷電流幅值越高，表明高幅值雷電流所占比例越大，曲線下降速度越快，中值附近的雷電流占比越小，低幅值的雷電流占比越大，2012年、2014年的概率曲線下降速度較慢，說明高幅值雷電流所占比例越大。根據(jù)公式(1)分別對5年的雷電流幅值概率分布曲線進行擬合，得到2012—2016年的雷電流幅值概率分布函數(shù)系數(shù)α，β取值，見表1。

表1 郴州地區(qū)2012—2016年雷電流幅值概率分布函數(shù)系數(shù)α，β取值對比

文獻 〔12〕擬合了廣東省的雷電流幅值概率分布函數(shù)，得到歷年的中值雷電流幅值在十幾千安到三十幾千安之間變化，平均中值雷電流幅值為22.8 kA。相對于廣東地區(qū)的中值雷電流幅值，郴州地區(qū)要稍小些，山區(qū)雷電流幅值要比平原小，緯度越高，雷電流幅值越低〔12〕。對2012—2016年的綜合雷電流幅值概率分布曲線進行擬合，得到2012—2016年的雷電流幅值概率分布函數(shù)如公式(2)所示:

擬合得到曲線與實際曲線的相關性系數(shù)為0.99，具有很強的相關性。

2.2 前/后汛期對比

根據(jù)郴州地區(qū)雷雨季節(jié)的氣候特征，前、后汛期形成雷暴的因素不同使得雷電流幅值分布特征產(chǎn)生差異，2014年、2016年為為強雷暴年，圖5為2014年、2016年前/后汛期雷電流幅值概率密度曲線對比。

圖5 前、后汛期雷電流幅值概率密度曲線對比

由圖5可知，2014年、2016年的前汛期雷電流幅值概率密度曲線基本吻合，后汛期密度曲線也基本吻合。但前、后汛期存在明顯差異，前汛期的幅值在約18～30 kA范圍內(nèi)的雷電流所占比例要高于后汛期，幅值在約30～80 kA范圍內(nèi)的雷電流所占比例要低于后汛期，說明前汛期的雷電流強度總體上要低于后汛期，后汛期的雷電流活動在幅值上表現(xiàn)更為強烈。

2014年受來自印度洋、孟加拉灣的大氣環(huán)流和西太平洋熱帶氣旋的影響，6—8月份降雨偏多，雷電高發(fā)。2012—2016年的厄爾尼諾現(xiàn)象使郴州地區(qū)3—5月份雷電活動程度較往年有大幅增長。前汛期雷電流幅值偏弱，2016年前汛期雷電高發(fā)，將導致全年的雷電流幅值偏低。后汛期雷電流幅值偏強，2014年后汛期雷電高發(fā)，導致了全年雷電流副值偏高。

輸電線路雷擊跳閘故障的發(fā)生有其特有的特征，它與絕緣水平、桿塔結(jié)構(gòu)、地面傾角和接地電阻等因素的影響有關，可以認為在某些雷電流幅值區(qū)間的地閃才能引起雷電事故。因此，可依據(jù)電網(wǎng)的絕緣裕度和桿塔結(jié)構(gòu)，計算不同電壓等級下可能發(fā)生繞擊、反擊的危險電流區(qū)間，各危險電流區(qū)間的選取均使該電壓等級內(nèi)絕大多數(shù)塔型的危險雷電流都在所選危險范圍內(nèi)〔11〕。本文對輸電線路的危險電流區(qū)間進行評估反擊采用規(guī)程法，繞擊采用電氣幾何模型求得，地面傾角山區(qū)取15°，平原取0°，求取得到不同電壓等級下典型桿塔輸電線路危險電流區(qū)間見表2。

表2 典型桿塔下不同電壓等級輸電線路雷擊跳閘危險電流區(qū)間kA

郴州近5年雷電定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示:前汛期的幅值在約18～30 kA范圍內(nèi)的雷電流所占比例要高于后汛期，幅值在約30～80 kA范圍內(nèi)的雷電流所占比例要低于后汛期。由表2可知，對于110 kV輸電線路，反擊危險電流區(qū)間大于40 kA，后汛期線路遭受雷電反擊跳閘風險大，郴州大部分地區(qū)屬山地、丘陵地帶，繞擊危險電流區(qū)間小于20 kA，前、后汛期雷電流幅值概率分布曲線的差異對繞擊的影響較小，但后汛期地閃頻次要高于前汛期，因此后汛期遭受繞擊跳閘的風險更大。對于220 kV輸電線路，繞擊危險電流區(qū)間在10～30 kA之間，前汛期這部分幅值范圍內(nèi)雷電流所占比例大，因此前汛期220 kV輸電線路遭繞擊跳閘的危險性高。同理，500 kV輸電線路在前汛期遭受繞擊跳閘的危險性高。

3 結(jié)論

1)近5年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，郴州地區(qū)的年地閃密度呈現(xiàn)出了周期為2年的振蕩增長趨勢，2012年、2014年、2016年為雷電活動的大年，2013年、2015年為雷電活動的小年。負/正地閃次數(shù)比例在3.2～4.0之間，負地閃頻次增長快。

2)郴州境內(nèi)存在3個重雷區(qū)，至西向東依次是:桂陽中、北部地區(qū)，郴州中心城區(qū)向北延伸至永興中部地區(qū)和資興東部至桂東西北部的地區(qū)。絕大部分的輸電線路雷擊故障點均發(fā)生在以上區(qū)域。

3)近5年郴州地區(qū)的雷電流幅值概率曲線和雷電流幅值概率密度曲線基本吻合，擬合得到雷電流幅值概率分布函數(shù)曲線的均值雷電流約為19.9 kA，小于廣東省的數(shù)值。前汛期在18～30 kA范圍內(nèi)的雷電流比例大，對220 kV及以上電壓等級輸電線路繞擊跳閘威脅大，后汛期在30～80 kV范圍內(nèi)的雷電流比例大，對110 kV輸電線路反擊威脅大。

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Analysis of Lightning Activity Distribution of Chenzhou Power Grid under Micro Topography and Climate Environment

HE Changxiong，LIU Yunping，TANG Jun
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Chenzhou Power Supply Company，Chenzhou 423000，China)

Based on the 2012—2016 lightning location data recorded by lightning location system，combing with the geographical and climatic features of Chenzhou area，it analyzes the area of lightning flash frequency of annual variation trend，monthly distribution and positive/negative CG changes.Using the grid method to draw up 2012—2016 flash density distribution map nearly 5 years of flash density distribution，it makes correlation analysis with transmission line lightning fault point distribution.Amplitude probability distribution function of flow of lightning in 2012—2016 years is of fit，and it makes comparing analysis of differences before and after the flood of lightning current amplitude probability distribution curves.It can provide reference to the calculation and the development of lightning protection measures of lightning protection at transmission line in Chenzhou power grid.

lightning location system；lightning parameters；ground lightning density；lightning current amplitude probability distribution

TM863

B

1008-0198(2017)04-0041-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.012

2017-01-18 改回日期:2017-04-27