石家莊地區(qū)輸電線路雷擊事故發(fā)生的氣象指標(biāo)研究

張翠華，張文煜

(1.河北省石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081;2.鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

引 言

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來輸電線路長度擴(kuò)展和傳輸容量的快速增長，輸電線路容易受雷電、大風(fēng)、冰雪、霧霾等氣象因素的影響而產(chǎn)生雷擊、風(fēng)害、電線積冰、污閃等輸電事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)設(shè)備的安全性和可靠性[1]。近年來，我國電力設(shè)施遭受雷擊次數(shù)較多[2]，公用及家用電子設(shè)備受損嚴(yán)重[3]，森林草原雷擊火災(zāi)直線上升[4]，全球每年雷擊受傷人數(shù)可能是雷擊死亡人數(shù)的5～10倍[5]，這與輸電線路和輸變電設(shè)備露天分布較廣而遭受雷擊概率較大有關(guān)[6]。

我國雷電災(zāi)害次數(shù)呈逐年波動增長趨勢[7-8]，雷電密度分布呈明顯的地域性差異，農(nóng)田、山地、水域等野外開闊區(qū)域?yàn)槔纂姙?zāi)害發(fā)生的敏感孕災(zāi)環(huán)境[9-10]，且隨海拔升高雷電密度有所增加[11]，我國華南地區(qū)、中東部地區(qū)及四川盆地為雷電密度高值區(qū)，華北地區(qū)為次高值區(qū)[12]。頻繁活躍的雷電活動是導(dǎo)致雷電災(zāi)害的主要致災(zāi)因子[13]，而雷電活動與氣象要素又有密切關(guān)系，我國從緯度較低地區(qū)或氣候潮濕地區(qū)到緯度較高地區(qū)或氣候干旱地區(qū)，雷電活動與降水的相關(guān)性增強(qiáng)[14]；北京地區(qū)雷電活動與對流活動區(qū)降水量及面積呈明顯線性相關(guān)關(guān)系[15]；大氣低層濕度不高、中層高濕、高層偏干的環(huán)境有利于雷電活動發(fā)生[16-17]。因此氣象要素對由雷電災(zāi)害引發(fā)的輸電線路雷擊事故有重要影響[18]。

河北省雷電災(zāi)害集中在燕山南麓、太行山東麓和中南部平原[19]，石家莊地處河北省中南部，西部為太行山中段東麓，東部為中南部平原，雷電活動發(fā)生頻繁[20]，是導(dǎo)致當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)事故發(fā)生頻率較高的氣象災(zāi)害[21]。雷電是對流層云層碰撞形成的放電現(xiàn)象，當(dāng)雷電貼近陸地表面與輸電線路相遇，雷擊電流在線路上形成巨大電位差和能量釋放，進(jìn)而損毀線路或其他設(shè)備，導(dǎo)致線路跳閘故障產(chǎn)生。目前河北地區(qū)有關(guān)輸電線路舞動災(zāi)害、覆冰風(fēng)險與氣象條件的相關(guān)分析較多[22-23]，而輸電線路發(fā)生雷擊的氣象指標(biāo)研究較少，本文以1990—2017年石家莊地區(qū)102次輸電線路雷擊事故為樣本，分析該地區(qū)輸電線路雷擊事故前6 h的氣象要素變化，以期為輸電線路雷擊事故預(yù)報(bào)預(yù)警[24]及進(jìn)一步防范輸電線路雷擊事故的發(fā)生提供科技支撐。

1 資料及方法

所用資料為1990—2017年石家莊地區(qū)102次輸電線路雷擊事故的發(fā)生時間、故障地點(diǎn)、故障現(xiàn)象描述等資料，及臨近輸電線路雷擊事故地點(diǎn)的75個國家站或區(qū)域自動站在輸電線路雷擊事故發(fā)生前6 h內(nèi)氣象要素(定時風(fēng)向、氣壓、相對濕度、氣溫、地表溫度)資料。輸電線路雷擊事故集中出現(xiàn)在石家莊西部的井陘縣、平山縣和主城區(qū)，西部觀測站點(diǎn)分布比較密集，雷擊事故點(diǎn)與臨近觀測站點(diǎn)的距離約2～6 km。

利用發(fā)生概率和線性趨勢[25]分析輸電線路雷擊的發(fā)生規(guī)律，發(fā)生概率是輸電線路雷擊發(fā)生次數(shù)占雷電活動發(fā)生次數(shù)的百分比；利用發(fā)生頻率和波動幅度[26]分析輸電線路雷擊發(fā)生前6 h內(nèi)定時風(fēng)向、氣壓、相對濕度、氣溫和地表溫度變化。發(fā)生頻率是輸電線路雷擊發(fā)生前1 h或3 h或6 h氣象要素在一定波動范圍的雷擊次數(shù)占總雷擊次數(shù)的百分比；波動幅度是輸電線路雷擊發(fā)生前到輸電線路雷擊發(fā)生時氣象要素的變化值。統(tǒng)計(jì)輸電線路雷擊前1、3、6 h氣象要素的波動幅度及對應(yīng)雷擊發(fā)生頻率，確定輸電線路雷擊發(fā)生的氣象指標(biāo)，并利用EC數(shù)值預(yù)報(bào)和氣象站實(shí)況對比，檢驗(yàn)2018年石家莊地區(qū)發(fā)生輸電線路雷擊事故等級預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果分析

2.1 輸電線路雷擊事故的時間變化

石家莊西部山區(qū)雷電活動發(fā)生頻繁，引發(fā)輸電線路雷擊事故發(fā)生概率增大。圖1為1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊次數(shù)及發(fā)生概率的年際、月際、日變化。可以看出，石家莊輸電線路雷擊次數(shù)呈逐年明顯增加趨勢(R=0.6451，且通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn))，存在3個高峰期，分別為2007—2009年、2011—2013年和2015—2017年；石家莊輸電線路雷擊事故主要發(fā)生在6—8月，其中8月發(fā)生概率最大，其次是6月和7月；石家莊輸電線路雷擊事故主要發(fā)生在午后至次日清晨，其中03:00—04:00(北京時，下同)發(fā)生概率最大，其次是07:00—08:00。

圖1 1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊次數(shù)及發(fā)生概率的年際(a)、月際(b)、日(c)變化Fig.1 The inter-annual (a), monthly (b) and diurnal (c) variation of the number and probability of transmission line lighting strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

2.2 輸電線路雷擊事故發(fā)生前氣象要素變化

表1列出1990—2017年石家莊輸電線路雷擊事故發(fā)生前1、3、6 h的地面定時風(fēng)向發(fā)生頻率?？梢钥闯?，輸電線路雷擊事故發(fā)生前6 h所有風(fēng)向都有出現(xiàn)，其中NE風(fēng)向發(fā)生頻率最高(15.7%)，其次是ESE風(fēng)向(14.3%)；輸電線路雷擊事故發(fā)生前3 h除WSW和WNW風(fēng)向外，其他風(fēng)向都有出現(xiàn)，其中SE風(fēng)向發(fā)生頻率最高(17.2%)，其次是E、ENE和ESE風(fēng)向，發(fā)生頻率均為11.4%；輸電線路雷擊事故發(fā)生前1 h，NE風(fēng)向發(fā)生頻率最高(14.3%)，其次是E和ENE風(fēng)向，發(fā)生頻率均為12.8%，而SW、SSW、WNW和C風(fēng)向沒有出現(xiàn)，即這4種風(fēng)向發(fā)生頻率為0。由此可見，石家莊輸電線路雷擊事故發(fā)生前6 h內(nèi)偏東風(fēng)發(fā)生頻率較大。

表1 1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊事故發(fā)生前6 h內(nèi)定時風(fēng)向的發(fā)生頻率Tab.1 The frequency of timing wind direction in 6 hours before the transmission line lightning strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017 單位：%

表2列出1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊事故發(fā)生前6 h內(nèi)氣象要素的波動幅度及對應(yīng)雷擊發(fā)生頻率(LF)?？梢钥闯觯瑲鈮汉拖鄬穸壬仙?，或氣溫和地表溫度下降時，輸電線路雷擊發(fā)生次數(shù)較多；反之氣壓和相對濕度下降，或氣溫和地表溫度上升時，輸電線路雷擊發(fā)生次數(shù)較少。雷暴云向前移動時，云下的雷暴高壓也隨之向前移動，會發(fā)生如氣溫下降、氣壓涌升、相對濕度上升等氣象要素的明顯變化，致使雷暴時輸電線路雷擊發(fā)生概率較大，而雷暴后輸電線路雷擊發(fā)生概率較小。氣壓和相對濕度上升，或氣溫和地表溫度下降時，氣象要素的波動幅度較大，其中，氣壓、相對濕度、氣溫、地表溫度的最大波動幅度分別為6.5～25.1 hPa、51%～66%、12.3～13.6 ℃、24.3～37.9 ℃；氣壓和相對濕度下降，或氣溫和地表溫度上升時，氣象要素的波動幅度較小，其中，氣壓、相對濕度、氣溫、地表溫度的最大波動幅度分別為1.2～6.6 hPa、16%～34%、1.0～9.6 ℃、3.8～17.8 ℃。

表2 1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊事故發(fā)生前6 h內(nèi)氣象要素的波動幅度及對應(yīng)雷擊發(fā)生頻率Tab.2 The fluctuation range of meteorological elements and corresponding frequency of lightning strikes in 6 hours before the transmission line lightning strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

2.3 輸電線路雷擊發(fā)生的氣象指標(biāo)

綜上所述，輸電線路雷擊的發(fā)生與定時風(fēng)向、氣壓、相對濕度、氣溫和地表溫度有密切關(guān)系，因此統(tǒng)計(jì)輸電線路雷擊發(fā)生前6、3、1 h不同氣象要素波動幅度及對應(yīng)雷擊發(fā)生頻率，確定輸電線路雷擊發(fā)生的氣象要素指標(biāo)，并劃分輸電線路雷擊風(fēng)險等級：將不會發(fā)生輸電線路雷擊定義為一級；輸電線路雷擊發(fā)生前6、3、1 h的累計(jì)LF為10%時定義為二級(可能發(fā)生輸電線路雷擊)；輸電線路雷擊發(fā)生前6、3、1 h的累計(jì)LF為40%時定義為三級(容易發(fā)生輸電線路雷擊)；輸電線路雷擊發(fā)生前6、3、1 h的累計(jì)LF為50%時定義為四級(極易發(fā)生輸電線路雷擊)。表3列出1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊事故發(fā)生的氣象指標(biāo)及對應(yīng)雷擊發(fā)生頻率?？梢钥闯?，當(dāng)氣壓P6、P3、P1的波動幅度在-2.0～0.0 hPa或2.0～5.0 hPa，相對濕度RH6、RH3、RH1的波動幅度在14%～40%，氣溫T6、T3、T1的波動幅度在-9.0～-3.0 ℃或0.0～1.0 ℃，地表溫度LST6、LST3、LST1的波動幅度在-21.0～-6.5 ℃或0.0～3.0 ℃，定時風(fēng)向F6、F3、F1為ENE、N、NNE、S、SSE、NW時，輸電線路雷擊風(fēng)險等級為三級(容易發(fā)生輸電線路雷擊)；當(dāng)P6、P3、P1的波動幅度在0.0～2.0 hPa，RH6、RH3、RH1的波動幅度在0～14%，T6、T3、T1的波動幅度在-3.0～0.0 ℃，LST6、LST3、LST1的波動幅度在-6.5～0.0 ℃，F(xiàn)6、F3、F1為NE、SE、ESE、E時，輸電線路雷擊風(fēng)險等級為四級(極易發(fā)生輸電線路雷擊)。

表3 1990—2017年河北石家莊輸電線路雷擊事故的氣象指標(biāo)及對應(yīng)雷擊發(fā)生頻率Tab.3 Meteorological index and corresponding frequency of transmission line lightning strike accidents in Shijiazhuang of Hebei Province during 1990-2017

2.4 輸電線路雷擊氣象指標(biāo)的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

上述分析基于1990—2017年石家莊輸電線路雷擊事故和氣象要素資料，2018年8月8日下午預(yù)報(bào)9日石家莊井陘縣出現(xiàn)雷雨天氣，鑒于石家莊輸電線路雷擊發(fā)生規(guī)律(井陘縣為輸電線路雷擊高發(fā)中心，且夜間至次日清晨雷擊發(fā)生概率較大)，利用EC數(shù)值預(yù)報(bào)的8月8日20:00至9日08:00逐3 h定時風(fēng)向、氣壓、相對濕度、氣溫和地表溫度，并與自動站實(shí)況對比得出其波動幅度，發(fā)現(xiàn)8月9日08:00預(yù)報(bào)值與實(shí)況值對比得出的氣象要素波動幅度及定時風(fēng)向?yàn)椋篜3上升1.5 hPa，為四級極易發(fā)生輸電線路雷擊的氣壓波動范圍(0.0～2.0 hPa)；HR3上升1%，為四級極易發(fā)生輸電線路雷擊的相對濕度波動范圍(0～14%)；F3為SW，為二級可能發(fā)生輸電線路雷擊的定時風(fēng)向范圍(F3=C,SW,SSW,NNW,W,WSW)；T3上升0.4 ℃，為三級容易發(fā)生輸電線路雷擊的氣溫波動范圍(-9.0～-3.0 ℃或0.0～1.0 ℃)；LST3上升2.1 ℃，為三級容易發(fā)生輸電線路雷擊的地表溫度波動范圍(-21.0～-6.5 ℃或0.0～3.0 ℃)。5項(xiàng)氣象要素指標(biāo)中有4項(xiàng)為輸電線路雷擊風(fēng)險較高等級，因此此次輸電線路雷擊風(fēng)險預(yù)報(bào)為三級(容易發(fā)生輸電線路雷擊)，8月9日07:47井陘縣的電壓等級為110 kV的秀清線發(fā)生輸電線路雷擊事故，A相、C相絕緣子反擊閃絡(luò)造成大面積停電，輸電線路雷擊風(fēng)險預(yù)報(bào)與雷擊事故發(fā)生實(shí)況吻合，因此輸電線路雷擊的發(fā)生規(guī)律和氣象指標(biāo)得到較好的預(yù)測檢驗(yàn)。

3 結(jié)論與討論

(1)河北石家莊輸電線路雷擊事故呈逐年明顯增加趨勢；6—8月是高發(fā)期，其中8月發(fā)生概率最大；輸電線路雷擊主要發(fā)生在午后至次日清晨，其中03:00—04:00發(fā)生概率最大，其次是07:00—08:00。

(2)從輸電線路雷擊發(fā)生前6 h內(nèi)氣象要素的波動幅度可以看出，當(dāng)出現(xiàn)偏東風(fēng)，氣壓和相對濕度上升，氣溫和地表溫度下降時，輸電線路雷擊發(fā)生次數(shù)較多；氣壓和相對濕度下降，或氣溫和地表溫度上升時，輸電線路雷擊發(fā)生次數(shù)較少。

(3)P6、P3、P1的波動范圍在-2.0～0.0 hPa或2.0～5.0 hPa，RH6、RH3、RH1的波動范圍在14%～40%，T6、T3、T1的波動范圍在-9.0～-3.0 ℃或0.0～1.0 ℃，LST6、LST3、LST1的波動范圍在-21.0～-6.5 ℃或0.0～3.0 ℃，F(xiàn)6、F3、F1為ENE、N、NNE、S、SSE、NW時，輸電線路雷擊風(fēng)險等級為三級(容易發(fā)生輸電線路雷擊)。

(4)當(dāng)P6、P3、P1的波動范圍在0.0～2.0 hPa，RH6、RH3、RH1的波動范圍在0～14%，T6、T3、T1的波動范圍在-3.0～0.0 ℃，LST6、LST3、LST1的波動范圍在-6.5～0.0 ℃，F(xiàn)6、F3、F1為NE、SE、ESE、E時，輸電線路雷擊風(fēng)險等級為四級(極易發(fā)生輸電線路雷擊)。

基于1990—2017年石家莊輸電線路雷擊事故和氣象要素資料分析該地區(qū)輸電線路雷擊的發(fā)生規(guī)律和氣象指標(biāo)，并對2018年8月9日石家莊井陘縣輸電線路雷擊事故發(fā)生的可能性進(jìn)行了預(yù)測檢驗(yàn)，經(jīng)供電部門反饋，僅出現(xiàn)的1次輸電線路雷擊事故被成功預(yù)測，通過檢驗(yàn)輸電線路雷擊發(fā)生前6 h內(nèi)氣象要素，除定時風(fēng)向?yàn)槎壙赡馨l(fā)生輸電線路雷擊的范圍外，氣壓、相對濕度、氣溫和地表溫度的波動幅度均在三級容易發(fā)生或四級極易發(fā)生輸電線路雷擊的變化范圍內(nèi)。利用EC數(shù)值預(yù)報(bào)可以較好地預(yù)測可能發(fā)生雷擊事故區(qū)域內(nèi)臨近自動站的輸電線路，但現(xiàn)有自動站不夠精密，且自動站實(shí)況資料使用有一定局限性，對距離觀測站點(diǎn)較遠(yuǎn)的輸電線路雷擊事故預(yù)測把握不大，需要在輸電線路或桿塔上安裝微氣象站，亦或隨著自動站精度和密度建設(shè)的推進(jìn)，可以更加精準(zhǔn)界定在可能發(fā)生雷擊事故區(qū)域內(nèi)將要發(fā)生雷擊事故的具體輸電線路，輸電線路雷擊的氣象指標(biāo)也將在應(yīng)用實(shí)踐中得到進(jìn)一步修正和完善。