閃電監測數據在菏澤市雷擊風險評估中的應用

程萌 陳楠 程德海

摘 要：利用由山東省閃電定位系統獲取的菏澤地區2006年7月—2014年6月雷電監測資料，分析評估周圍5km范圍內的地閃密度、地閃隨時間變化規律以及雷電幅值參數。結果表明：利用閃電定位系統監測數據計算得到的雷擊大地密度與人工觀測數據差距較大，前者更準確；雷電活動隨時間有明顯變化，應根據變化規律合理安排生產運行進程，規避風險；分析雷電流強度變化得出雷電流強度分布和累積概率，在計算電涌保護器每一保護模式的沖擊電流值時，實測值較推薦值更合理。

關鍵詞：閃電；風險評估；監測數據；應用

中圖分類號 P427.32 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）12-0132-03

The Application of Lightning Monitoring Data in the Risk Assessment of Lightning in Heze

Cheng Meng1 et al.

（1Meteorological Bureau of Juye，Juye 274900，China）

Abstract：The lightning monitoring data from June 2014 to July 2006 in Heze area，which is acquired by lightning location system of Shandong Province，is used to analyze the variation law of the lightning density with the time in the range of 5km，and the parameters of lightning amplitude. The results show that the lightning density acquired by the lightning monitoring and artificial observation differs greatly，the former is more accurate；lightning activity have obvious change over time，we should make arrangement for production and operation process reasonably and avoid risk according to changes. It is concluded that the intensity of lightning current and cumulative probability distribution according to the analysis of lightning current intensity changes，in the calculation of the impact of current value for each protected mode of surge protection device，the measured values is more reasonable than the recommended value.

Key words：Lightning；Risk assessment；Monitoring data；Application

雷擊風險評估是根據雷擊大地導致人員、財產損害程度確定雷電防護等級、類別的一種綜合計算、分析方法。有利于建設項目選址、功能分區布局、確定防雷類別與防雷措施、提出雷災事故應急方案、保障人民生命和財產安全。

近年來，一些學者針對雷擊風險評估方法及其應用進行了探索性研究[1-8]。例如，趙軍等基于風險評估的基本思路，總結了雷電災害的作用機制和雷擊風險評估的理論和方法[1]。問楠臻等利用廣州市雷電監測網數據，按1km2的網格進行區域劃分，通過加權得到地閃密度[2]。錢強寒等根據在以IEC62305—2進行雷擊風險評估進行風險評估實踐中時的一些經驗，介紹了各雷擊風險分量的鑒別方法[3]。樊榮等從落雷密度的概念出發，利用克里金（Kriging）插值法，計算任一經緯度上的多年平均雷暴日數，并使用C#語言編制出計算落雷密度的軟件。還有些學者通過對各地的雷擊大地年平均密度和多年平均雷暴日的分析，總結出了符合當地特點的兩者的關系式[5-6]。以上研究，部分涉及雷擊大地密度，但均沒有綜合研究閃電監測數據得出閃電時空分布規律并運用到雷擊風險評估中。目前尚未見到針對菏澤市雷電監測數據的處理，并將其應用于雷擊風險評估業務。因此，對該地區評估對象附近的地閃密度、雷電活動時間變化、雷電強度分布的研究，有利于評估參數的準確取值，得出科學的評估結論。

1 利用閃電監測數據確定地閃密度（Ng）及其在雷擊風險評估中的應用

1.1 利用人工觀測資料計算Ng的局限性 雷擊風險評估的傳統方法中，通常采用當地氣象部門提供的所在城市的年平均雷暴日（Td）來計算評估點的Ng值，即Ng=0.1Td。該年平均雷暴日來源于觀測人員的觀測數據，1d內只要觀測到1次或1次以上的雷聲就算是1個雷暴日。但由于人工觀測的局限性（人的監聽范圍通常半徑為8～12km），以行政區域為代表的雷電參數并不能代表該轄區的雷電特征。因此，在進行年雷擊次數的估算時，應以在評估對象所在區域測得的地閃密度為準。

1.2 利用閃電監測數據確定Ng

1.2.1 山東省閃電定位系統簡介 山東省閃電定位系統是LD-II型閃電定位系統，主要由13個分布在全省各地的閃電定位儀、一個中心數據處理系統和圖形顯示終端構成，采用磁定向時差遙測法進行閃電定位，各個定位儀將接收到的閃電信息和GPS時間信息，通過通信網絡傳送至中心站計算機，通過中心數據處理系統的計算，得到閃擊的時間、位置、極性、強度等參數。該系統時鐘同步精度可達到0.1μs，山東省內大部分地區閃電探測效率理論值為95%，定位精度可達到300m。

1.2.2 以具體評估對象為實例確定Ng 根據雷擊大地的年平均密度的含義即一年里某一確定地區的地閃次數，通過閃電定位系統提供的一年中某地區的地閃次數再除以該地區的面積可以得到更為精確的雷擊大地的年平均密度。計算公式為

（1）

其中：D—一年中的地閃次數（次/a），S—面積（km2）。

菏澤市轄區內某化工企業中心點經緯度為：E115.530778，N35.09000，在山東省閃電定位監測數據中提取8年來（2006年7月—2014年6月）距離該點一定距離之內（以方圓5km為例）的閃電數據，期間共發生地閃1 406次，平均每年176次，根據公式（1）計算出雷擊大地密度為1.76次/km2·a，而根據觀測的雷暴日計算出的雷擊大地密度為3.06次/km2·a，兩者有較大差異。根據地閃的分布，利用surfer8.0繪制出地閃密度分布漸變圖（圖1），可以清晰的顯示出方圓5km內各位置雷擊密度的大小，為雷擊風險評估結論提供參考。

2 利用閃電監測數據分析閃電月變化規律及其在雷擊風險評估中的應用

該區域發生的1 406次地閃中，負地閃1 377次，占總地閃的98%，正地閃29次，占總地閃的2%（表1）。

由圖2可以看出，該地域地閃月分布呈單峰狀，始于2月，結束于11月。峰值出現在8月，地閃總數為723次，約為其余11個月的總和。雷電主要活動期為6、7、8月，共1 260次，占總閃數的89.6%，1、2、9、10、11、12月基本沒有地閃發生。該地區閃電月變化規律，為雷擊風險評估的指導意見提供了參考依據。該化工企業每年6月份前需對化工戶外裝置、罐區、樓房、機房、配電室等進行防雷裝置安全檢測。企業的集體戶外活動要盡量避開6、7、8月，可以安排在防雷設施完善的建筑物內。每次雷雨天氣后，安全人員要檢查防雷接地裝置是否損壞，電源和信號系統的浪涌保護器工作狀態是否正常，如有異常，要及時整改。辦公人員使用電腦等電器時也要避開閃電多發期，降低閃電電涌侵入造成人員傷亡的風險。

3 利用閃電監測數據分析閃電時變化規律及其在雷擊風險評估中的應用

該地區的地閃時分布呈多峰狀，2個最大的峰值出現在00：05和11：00左右，地閃數占總閃數的44%，16：00和19：00左右雷電活動也較頻繁。雷電活動隨時段的不同有明顯變化，企業施工運行時應根據日變化合理安排工作進程，可將潛在雷擊危險顯著降低，建議6、7、8月份的00：05和11：00不安排施工。

4 利用閃電監測數據分析雷電流強度變化及其在雷擊風險評估中的應用

由圖4可知，該地區雷電流強度在5～10kA的地閃數為412次，占地閃總數的比例最大，為29.3%，其次為10～15kA的地閃402次，所占比例為28.6%，0～35kA的地閃所占比例為98.9%，大于35kA的地閃只占1.1%，沒發生過大于55kA的地閃。負地閃的雷電流強度分布和總地閃的吻合度很好。

在進行雷擊風險評估時，電源線路上電涌保護器安裝位置和選型將直接影響評估因子的取值。而雷電流幅值是確定電涌保護器雷電流參數的一個重要的依據。電源總配電箱處所裝設的電涌保護器，其每一保護模式的沖擊電流值，當電源線路無屏蔽層時宜按式（2）計算，當有屏蔽層是宜按式（3）計算[10]：

式中：I—雷電流，取200kA、150kA、100kA；n—地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數；m—每一線路內導體芯線的總根數；Rs—屏蔽層每km的電阻（Ω/km）；Rc—芯線每km的電阻（Ω/km）。

給定的首次正閃擊雷電流的幅值參考值，第一類、第二類、第三類防雷建筑物對應分別為200kA、150kA、100kA。如果評估中采用上述推薦值，得出的計算結果并不能真正反映評估對象所需要的電涌保護器的雷電流參數。由圖5可以看出，雷電流大于5kA的累積概率為81.9%，大于10kA的累積概率為52.6%，大于50kA的累積概率為1%，大于55kA的累積概率為0，也就是說此區域內8年來未出現過大于55kA的地閃，若采用推薦值150kA（該企業為第二類防雷建筑物）計算，需要安裝的SPD通流容量偏大，鑒于雷擊風險評估的目的是尋求最低雷電災害事故率、最少的雷電災害損失和最優的防雷安全投資效益，I取55kA較為合適。

5 結論與討論

利用由山東省閃電定位系統獲取的菏澤地區2006年7月—2014年6月閃電監測數據，計算得到評估對象周圍5km范圍的雷擊密度，地閃月分布規律、地閃時分布規律以及雷電幅值參數，分析發現：（1）利用閃電定位系統監測數據計算得到的雷擊大地密度為1.76次/km2·a，而根據觀測的雷暴日計算出的雷擊大地密度為3.06次/km2·a，兩者有較大差異，前者更符合實際。（2）雷電活動隨月份和時段的不同有明顯變化，評估對象應根據月變化和日變化規律合理安排生產運行進程，并在閃電高發期前進行防雷裝置安全檢測，規避雷電災害風險。（3）通過閃電監測數據分析雷電流強度變化得出雷電流強度分布和累積概率，此區域內8年來未出現過大于55 kA的地閃，計算電涌保護器每一保護模式的沖擊電流值時，I取55kA較規范推薦值合理。

山東省閃電定位系統在全省范圍內有13個閃電定位儀，隨著該系統的進一步完善，閃電定位儀的增加，該系統同步精度和定位精度將進一步減小，閃電探測效率也將進一步提升，為雷擊風險評估的各參數的選取提供更準確的監測數據，評估結論也更科學。

參考文獻

[1]趙軍，郭在華.雷擊風險評估方法綜合應用研究[J].成都信息工程學院學報，2007，22（8）：48-50.

[2]問楠臻，高文俊.基于IEC62305雷擊風險評估計算方法[J].建筑電氣，2008，27（7）：34-37.

[3]錢強寒，陳勇斌，楊磊.強雷擊風險評估實踐中各風險分量的鑒別[J].浙江氣象，2006，28（3）：41-46.

[4]樊榮，肖穩安，李霞，等.基于GB/T 21714.2的雷擊風險評估軟件設計及參數探討[J].南京信息工程大學學報：自然科學版，2009，1（4）：343-349.

[5]馬金福，馮志偉.雷擊地閃密度與雷暴日數的關系分析[J].氣象科學，2009，29（5）：674-678.

[6]鐘穎穎，馮民學，周曾奎，等.閃電定位資料與目測雷暴日的對比分析[J].氣象科學.2010，30（8）：851-855.

[7]陳家宏，童雪芳，谷山強，等.雷電定位系統測量的雷電流幅值分布特征[J].高壓電技術，2008，34（9）：1893-1897.

[8]易高流. 雷電監測資料在雷擊損害風險評估中的應用[J].江西氣象科技，2004，27（4）：45-47.

[9]張日高，張良春，余建華.利用監測與人工觀測數據計算的雷擊大地密度比較[J].氣象與減災研究，2010.

[10]住房和城鄉建設部.建筑物防雷設計規范（GB50057—2010）[S].北京：中國計劃出版社，2011.

（責編：張長青）