河北省南部電網地閃密度分析

蘇紅梅，鄭雄偉，劉曉冬，何瑞東

(河北省電力研究院， 石家莊 050021)

雷電定位系統(tǒng)出現之前，由于經濟和技術條件的限制，國內對雷電基礎參數的研究較少。雷電活動受地形、地貌、地理位置的影響，隨氣候變化而變化，因而采用通用公式計算得到的落雷密度并不能科學反映實際落雷情況[1]。作為工程防雷計算基礎的地閃密度Ng是依據氣象部門提供的雷電日Td，通過國際大電網會議33委員會的推薦公式計算得到的[2]，它是平均每年單位面積的云-地間閃電次數，是較理想的雷電活動參量，可以精確反映雷暴活動的頻度和強度，國際的防雷設計均以此參數為基礎。

河北省南部電網于20世紀90年代末建立了雷電定位系統(tǒng)(LIS),通過對多年來LIS系統(tǒng)累積的海量監(jiān)測數據進行分析，得到了該地區(qū)的實際地閃密度分布情況，據此可以做出更有針對性的防雷設計及保護措施。

1 地閃密度統(tǒng)計分析方法

1.1 統(tǒng)計樣本的選擇

雷電定位系統(tǒng)的測量數據是研究雷電參數的基礎資料。測量數據又分探測站(TDF)原始接收數據(RAW)和系統(tǒng)定位數據(FD)。在雷電定位系統(tǒng)運行中，系統(tǒng)定位數據是根據實時收到的兩站及兩站以上的原始接收數據(時間、方向、磁場相對信號強度等)實時求解得到的數據，包括雷擊點位置的坐標、雷擊時間、雷電流幅值、極性、回擊特性等。系統(tǒng)定位數據(FD)通過雷電定位系統(tǒng)實時發(fā)布，主要用于滿足用戶對雷擊點的快速查詢需求。但是，在處理研究雷電參數長時間統(tǒng)計樣本時一般選擇原始接收數據(RAW)作為基礎資料，而未直接采用系統(tǒng)定位數據，其原因是：

a. 因聯(lián)網原因部分原始接收數據未實時參與計算；

b. 部分基于兩站或三站計算的系統(tǒng)定位數據可能存在一定非真實性；

c. 自雷電定位系統(tǒng)投入運行以來，雷電定位算法歷經多次改進，通過最新的PAM05定位模型直接重算原始接收數據，更能保證統(tǒng)計樣本的完整性和一致性。

1.2 PAM05定位模型

PAM05定位模型采用時間窗分組機制選擇原始監(jiān)測數據，將相距300 km內的探測站在時間間隔0.001 s內探測的原始接收數據分為一組。按照一組數據包含的探測站數，采用時差定位與方向觀測定位相結合的冗余法優(yōu)化定位計算，分為兩站定位、三站定位、大于三站的多站定位。

兩站定位時采用“時差+方向”二乘法綜合求解可以直接得到唯一的定位解。

三站定位時先基于時差定位計算求得2個定位解，再用方向觀測值來進行優(yōu)選雙解判別，以方向偏差值小的解為最終解。

多站定位時，將其兩兩組合后基于時差定位進行計算，得到一組定位解，將每個解進行反算，得到每個站的時間偏差(≤1.3 μs為合格)和方向偏差(≤5°為合格)。優(yōu)先選取時間符合站數最多的解為最終解；如時間符合站數最多的解有多個，則再計算各解對應的時間平均偏差，以時間平均偏差最小的解為最終解；如還不能選擇出最終解，則再計算各解對應的方向平均偏差，以方向平均偏差最小的解為最終解。

2 河北省南部電網地閃密度分布情況計算與分析

河北省南部電網地閃密度分布圖是以PAM05模型計算所得的雷電定位數據庫為基礎，在雷電統(tǒng)計分析平臺FlashStat中將河北省南部電網劃分為經緯度0.05°×0.05°大小的網格(相當于5 km×5 km的網格)，統(tǒng)計每個網格中單年和多年平均的年地閃密度，從而得到網格地閃密度。

為研究地閃密度空間分布規(guī)律，對各網格的地閃密度按照自然分割法進行分級。

河北省南部電網2003-2010年各單年及8年平均年的地閃密度空間分布見圖1、圖2。

(a) 2003年 (b) 2004年

(c) 2005年 (d) 2006年

(e) 2007年 (f) 2008年

(g) 2009年 (h) 2010年

圖1 河北省南部電網2003-2010年各單年地閃密度分布

圖2 河北省南部電網2003-2010年平均年地閃密度實際分布情況

圖1、圖2以平均年的四級自然分割數據將各年的地閃密度分成4個等級。分級界限依次為1.38次/(km2·a)、2.0次/(km2·a)、2.9 次/(km2·a)。通過地閃密度空間分布圖可分析如下。

a.各年中的雷電活動分布存在一定的相似性，均反映出河北省南部電網東南平原地帶雷電活動相對較弱，東部近海地區(qū)雷電活動稍強，西部的雷電活動相對較強。由平均年分布圖可知，西部雷電活動強于東部，雷電活動較強的區(qū)域主要集中在保定、石家莊西部的太行山區(qū)，東南部雷電活動最弱。

b. 各年的雷電活動存在較大差異性，反映出雷電活動的隨機性，只有多年雷電活動的統(tǒng)計結果才具有較強的參考價值。一般雷電活動受太陽電磁暴的影響，考慮到太陽黑子的活動周期為10年，以10年為1個周期進行雷電參數統(tǒng)計的結果更加可靠，因此需要今后繼續(xù)累積數據進行統(tǒng)計分析。從已累積的數據來看，2003-2008年雷電活動逐漸增強，2008年之后的2009年和2010年明顯減弱。

c. 河北省南部電網2003-2010年地閃密度平滑圖所示河北省南部電網地閃密度中值為2.1次/(km2·a)。

3 實際地閃密度與常規(guī)計算結果差異比較

電力行業(yè)規(guī)程DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中推薦：Td=40雷電日時，γ=0.07 次/(km2·d)，相應的Ng=2.8次/(km2·a)。下面的地閃密度則是利用氣象雷電日Td。根據CIGRE推薦的公式推導而來，見式(1)。

Ng=0.023Td1.3

(1)

依據式(1)得到的Ng與Td的關系曲線如圖3所示。當雷電日Td=40 d時，地閃密度Ng=2.78次/( km2·a)。目前在工程中，一般的線路防雷設計均以此數據為基準。

圖3 地閃密度與雷電日關系曲線

從圖3曲線中可見，當雷電日Td=30 d時，Ng=1.92 次/(km2·a)；當雷電日Td=20 d時，Ng=1.13 次/( km2·a)。以雷電日40 d、30 d、20 d對應的地閃密度2.78 次/ (km2·a)、1.92 次/( km2·a)、1.13 次/( km2·a)為基準進行雷電分區(qū)[3]，得出的河北省南部電網2003-2010年平均年地閃密度空間分布見圖4。

圖4 以常規(guī)計算方法得出的河北省南部電網平均年地閃密度分布情況

由圖2與圖4比較可知，以同一雷電日參數作防雷設計是不合理的。如按傳統(tǒng)規(guī)程，河北省南部電網一般按照雷電日為40 d進行防雷設計[4]，而此時深色區(qū)域(主要出現在河北省南部電網西部山區(qū)以及滄州、邯鄲市區(qū)周邊地區(qū))的實際地閃情況比常規(guī)計算出的設計值嚴重，這一區(qū)域防雷設計可能達不到理想效果；在雷電日少于30 d的其他更為廣闊的區(qū)域內將造成防雷投資的浪費。

4 結束語

根據基于自然分割法進行數據分級的統(tǒng)計分析結果得到了河北省南部電網的實際地閃密度分布圖情況。通過與規(guī)程推薦的設計標準進行比較認為，按照現有規(guī)程(即按氣象雷電日進行防雷設計)可能達不到理想的防雷效果，建議今后河北省南部電網的防雷設計應依據LIS數據統(tǒng)計分析得到的地閃密度分布情況而定。

參考文獻：

[1] 杜澍春．高壓輸電線路防雷保護的若干問題[J]．電網技術，1996，20(12)：53-56.

[2] DL/T 620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[3] 陳家宏，鄭家松，馮萬興，等．雷電日統(tǒng)計方法[J]．高電壓技術，2006，32(11)：115-118.

[4] 劉曉冬，蘇紅梅，孫增杰，等．應用雷電定位系統(tǒng)對河北省南部電網雷電活動的分析[J].河北電力技術， 2002，21(5):12-14.