珠江三角洲地区雷电时空分布规律的统计研究

刘刚，唐军，季严飞，许志荣

（华南理工大学电力学院，广东广州510640）

珠江三角洲地区雷电时空分布规律的统计研究

刘刚，唐军，季严飞，许志荣

（华南理工大学电力学院，广东广州510640）

LIU Gang,TANG Jun,JI Yan-fei,XU Zhi-rong

（School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640，Guangdong Province,China）

National Key Basic Research and Development Program(973Program)。

雷击是造成输电线路跳闸的主要原因[1-3]。珠江三角洲地处亚热带暖湿气候分布区，雷电活动频繁[4]。随着珠江三角洲城市群经济社会的发展和用电需求的增大，电网越来越密集地暴露在空气中，使其遭受雷击发生跳闸事故的压力越来越大。

输电线路防雷性能评估是电力部门制定各项防雷策略的重要依据。我国规程推荐用于雷击跳闸率计算的地闪密度，是根据气象部门人工记录的一定范围内的雷暴日数据，通过经验公式求取[5]。越来越多的研究证明，各地地闪密度与雷暴日数的关系是不一致的，用统一的公式表示地闪密度与雷暴日数的关系，与实际情况有较大的误差[6]。雷电流幅值概率分布是反映雷电流强度的量，各地区气候存在差异，因此雷电流幅值概率分布具有很强的地域性[7]。规程中利用浙江新杭线的数据作为其他地区防雷计算中雷电流幅值概率分布的参考函数，显然已经不符合不同区域防雷计算的需要[8]。

通过二十多年的研究和推广应用，我国电网已逐步在各省建立了雷电定位系统。运行十多年来，广东省雷电定位系统积累了大量的雷电定位原始数据，包括雷电流极性、幅值和定位经纬度坐标。雷电定位系统在电力系统安全生产、提高劳动生产率和科学管理水平上产生了较大的经济和社会效益[9]。越来越多的部门运用雷电定位数据统计区域地闪密度和雷电流幅值概率分布，对输电线路耐雷性能进行评估，指导线路运行部门加强对雷电密集区段的运行维护，为各项防雷措施的制定提供了有力的保障[10]。本文根据广东省雷电定位系统2000—2008年监测的雷电原始数据分析珠江三角洲地区雷电地闪密度逐年变化趋势和分布规律，分析不同年份雷电流幅值概率分布特征变化趋势，为电力部门同步制定输电线路防雷策略提供重要的数据保障。

1 输电线路雷击跳闸率计算

1.1 反击跳闸率计算方法

线路反击跳闸率计算公式为[11]

式中，N1为反击跳闸率，次/(100km·a)；NL为每100km线路年落雷次数，这里的NL=Ng(b+4hg)/10，b为2根避雷线之间的距离，hg为避雷线对地等值高度；g为击杆率，平原地区双避雷线线路取为1/6,山区取1/4；P1为超过雷击塔顶时耐雷水平I1的雷电流概率；η为建弧率，即绝缘子和空气间隙在雷电流冲击之后，转变为稳定的工频电弧的概率。建弧率与平均运行电压梯度的关系也可用式（2）表示

式中，E为绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度，kV/m。对有效接地系统，有

1.2 绕击跳闸率计算方法

文献[12]中规定，改进的电气几何模型计算绕击跳闸率计算公式为

式中，Ie为线路绕击耐雷水平；A（I）为当雷电流为I时打到导线的概率；P′（I）为雷电流幅值概率密度函数；Imax为最大绕击电流。

式中，Rsm为最大击距；ht为导线对地平均高度；θ为地面倾角；α为避雷线保护角。

综上所述，在电网防雷计算中需要得出每年每平方千米范围内的落雷次数Ng、雷电流幅值概率分布P（I）以及雷电流幅值概率密度分布P′（I）。我国电力行业标准中的计算公式为Ng=γTd（Td为雷暴日，γ为每个雷暴日每平方千米地面上的平均落雷次数），40雷暴日地区γ取0.07次/（km2·a）。在依靠人工观察雷电活动的情况下，国际大电网会议推荐使用公式Ng=0.023T，IEEE推荐的经验公式[14]为Ng=0.04。规程中推荐的雷电流幅值概率分布lg P=-1/88是通过对浙江新杭线二十多年的实测，并根据落在杆塔上的106个雷电流幅值的实测值确定的[15]。IEEE评估输电线路雷电特性工作组推荐的公式[16]为P＝1/（1+（1/31）2.6）。

广东省雷电定位系统从1997年投入运行，十几年来积累了大量的雷电定位数据，为输电线路防雷分析提供了有力的依据[17]。国内外对合理利用雷电定位系统数据统计的地闪密度用于防雷计算做了大量研究。文献[18]采用线路走廊网格法对特高压线路走廊的雷电参数进行统计；文献[19]采用网格法将目标对象划分成若干个连续的面积近似的虚拟网格，统计各个网格中的年地闪次数；文献[20]通过雷电定位监测系统多年的监测资料，对全国部分地区的雷电流幅值概率分布进行了统计，得到一些典型的雷电流幅值分布特征。

2 地闪密度

2.1 区域平均地闪密度分析

珠江三角洲地区属于多雷区，经济较发达，变电站密度大，且输电线路网复杂，绝大部分采用双回或多回线路同塔架设，一旦雷电直击或绕击线路，均会引起侵入雷电波，造成较大危害。雷暴作为一种灾害，与其他灾害相比，具有时间的瞬时性、季节性和频繁性，空间分布则表现出广泛性、分散性和集中性等特点。作为反映区域落雷数量的地闪密度，是评估雷电活动强弱，计算雷击风险，进行防雷设计的重要参数[21]。图1为珠江三角洲全区域地闪密度与广东全省地闪密度年际变化曲线对比。

图1 不同地区地闪密度均值变化Fig.1 The flash mean density change of different area

从图1可看出，广东地区地闪密度年际变化呈振荡增长趋势，其中2001、2004、2007年为地闪密度的“大年”，地闪密度值高于相邻年份。珠江三角洲地区地闪密度值较广东全省均值要小，为15次/（km2·a）左右。

2.2 区域地闪分布图

区域地闪密度参数可以直接通过广东省雷电定位系统监测的数据统计获得，与依据雷电日参数间接推算的地闪密度相比较，监测统计的数据更科学。地闪空间分布图可以直观描述区域雷电活动空间分布特征，本文采用网格法[19]对珠江三角洲地区雷电活动空间分布进行分析。结合雷电定位系统的监测精度及分辨率，本文中网格大小为1km×1km，该网格边长大于雷电定位系统的平均精度，能够满足统计分析的需要，并反映珠江三角洲地区地闪活动空间分布特征。图2为2005—2008年珠江三角洲地区区域地闪密度空间分布图示,依次用黑、红、黄、绿、紫、灰色表示不同等级落雷密度，黑色等级最高，灰色最低。

由图2可知，珠江三角洲地区地闪活动主要集中在三角洲中东部地区，即广州、佛山、东莞及惠州地区。整体上，珠江三角洲中部、东部地区地闪密度大于西部地区，且较强雷电活动区域范围呈现逐年扩大的趋势。广州、佛山、东莞、深圳地区经济发达，人口众多，电网密集分布，输电线路遭受雷击的“压力”大于珠三角周边其他地区。

2.3 超过输电线路反击耐雷水平的雷电地闪分布

在工程实际中，输电线路防雷性能的优劣主要用耐雷水平和雷击跳闸率2个指标来衡量。而耐雷水平是指输电线路遭受雷击时所能耐受的不致引起绝缘闪络的最大雷电流幅值。根据电力系统输电线路长期运行经验，目前常用110～500kV架空输电线路典型输电杆塔的耐雷水平如表1所示。

图2 珠江三角洲地区区域地闪密度空间分布图Fig.2 The regional flash density spatial distribution pearl river delta

表1110 ～500kV架空输电线路典型杆塔耐雷水平Tab.1 The Lightning resisting level of 110～500kV overhead transmission lines typical tower

输电线路遭受雷击引起线路开关跳闸故障，其承受的雷电流幅值一般都超过线路的耐雷水平，从而使绝缘子串发生闪络，继而转化为稳定的工频电弧。因此，根据表1所示110～500kV线路典型杆塔耐雷水平，对珠江三角洲地区2005—2008年雷电定位数据中雷电流幅值超过典型杆塔耐雷水平最小值（文中取为40kA）的地闪记录进行分析。图3所示为采用1km×1km的网格绘制的超过输电线路耐雷水平最小值的地闪空间分布图。

如图3所示，珠江三角洲地区超过输电线路典型杆塔耐雷水平最小值的地闪空间分布呈现中心区域密集、周边地区较为稀疏的分布特征。

图3 珠三角洲地区超过输电线路耐雷水平的地闪空间分布Fig.3 Flash space distribution of pass transmission line of lightning resisting level in pearl river delta area

随着区域整体地闪频次逐年增多，各地区超过输电线路耐雷水平最小值的地闪主要的分布区域范围也逐年扩大。广州、东莞、佛山等经济水平相对较高的城市，其区域范围内监测的超过输电线路耐雷水平最小值的地闪频次及其空间分布显著高于其他地区。

3 珠江三角洲雷电流幅值变化规律

DL/T 620-1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》规定，雷电流是指雷击于Rj≤30Ω（Rj为被击物波阻抗）的低接地电阻物体时，流过该物体的电流。雷电流幅值概率分布作为目前防雷工程中评估设备耐受雷击性能的参数之一，其取值及分布直接关系到输电线路跳闸率评定的准确性。雷电流幅值与区域气象环境、下垫面物体等因素有关，因此只有通过大量实测，才能正确评估其分布规律。根据雷电定位数据，广东地区雷电流幅值从-800～+800kA均有记录。雷电流幅值概率密度曲线描述连续雷电流幅值地闪所占比率。通过对广东全省雷电定位数据进行分析，得到如图4所示的近十年广东全省与珠江三角洲地区雷电流幅值概率密度特征曲线。

珠江三角洲地区的雷电流幅值概率密度与全省分布基本一致，其值分布呈现明显的堆积特征，雷电流幅值主要分布在10～50kA，但相对所占比例较全省同一幅值段要大。因此可以看出，珠江三角洲地区输电线路所选择的各项防雷指标应该采取与全省防雷标准有所区别的量级，才能更好做好区域输电线路差异化雷电防护工作。

珠江三角洲地区雷暴活动呈现短周期性波动变化。当出现雷暴活动频次峰值年份时，对峰值年雷电流幅值分布及变化存在的差异进行分析,对指导防雷工程有一定的现实意义。图5为珠江三角洲地区近十年中3个短周期及峰值年份雷电流幅值概率密度特征。

图4 广东全省与珠江三角洲地区雷电流幅值概率密度均值比较Fig.4 Compared lightning current amplitude probability density of Guangdong province with pearl river delta

图5 珠江三角洲地区雷电流幅值概率密度特征曲线Fig.5 Lightning current amplitude probability density characteristic curve of the Pearl River delta area

从图5（a）可见，珠江三角洲地区近十年中，随着雷暴活动不断增强，较大幅值雷电流区段的雷闪出现概率呈现逐渐增大趋势，主要集中区段为20～50kA，其中2005年至2007年变化尤为明显；而由图5（b）同样可以看出，在地闪频次峰值年份，其雷电流幅值概率分布也存在同样的变化趋势，2007年变化极为明显。这说明雷电活动不断增强的趋势不仅表现为地闪频次增多，也表现为较大幅值的雷电流出现的频率也逐渐增多。

4 结论

通过对珠江三角洲地区雷电时空分布规律研究，可以得出以下结论。

1）珠江三角洲地区地闪密度年际变化呈振荡增长趋势，其中2001、2004、2007年为地闪密度的“大年”，地闪密度值高于相邻年份。珠江三角洲地区地闪密度值较广东全省均值要小，为15次/（km2·a）左右。

2）珠江三角洲地区地闪活动主要集中在三角洲中东部地区，即广州、佛山、东莞及惠州地区。整体上，珠江三角洲中部、东部地区地闪密度大于西部地区，且较强雷电活动区域范围呈现逐年扩大的趋势。广州、佛山、东莞、深圳地区经济发达，人口众多，电网密集分布，输电线路遭受雷击的“压力”大于珠三角周边其他地区。

3）随着区域整体地闪频次逐年增多，各地区超过输电线路耐雷水平最小值的地闪主要的分布区域范围也逐年扩大。广州、东莞、佛山等经济水平相对较高的城市，其区域范围内监测的超过输电线路耐雷水平最小值的地闪频次及其空间分布显著高于其他地区。

4）珠江三角洲地区的雷电流幅值概率密度与全省分布基本一致，其分布呈现明显的堆积特征，雷电流幅值主要分布在10～50kA，相对所占比例较全省同一幅值段要大。珠江三角洲地区输电线路所选择的各项防雷指标应该采取与全省防雷标准有所区别的量级，才能更好地做好区域输电线路差异化雷电防护工作。

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Statistical Studies on Lightning Temporal Distribution of the Pearl River Delta Region

Based on lightning location data observed by Guangdong lightning location system from 2000to 2008,this paper analyzes the characteristics of Guangdong Province′s lightning spatial and temporal distribution in the last decade.By plotting the trends of the average ground flash density over the years and flash density over the years with 1km×1kmsized grid method,the paper also analyzes the flash density variations of the Pearl River Delta region.In addition,lightning current that surpasses transmission lines′lightning-resistant level of different voltage levels has a great impact on the power grid.According to the lightning resisting level of typical lines,this paper maps out lightning ground flash that surpasses transmission lines′counter-lightning-resistant level to analyze power grid′s danger zones which are easily struck by lightning.Lightning current amplitude has great significance on the lightning protection assessment and making of the lightning protection strategies.Based on the statistical analysis,the paper analyzes the distribution of lightning current amplitude in the Pearl River Delta region and Guangdong province,and plots the distribution map of the area where the lightening surpasses the lightning-resistant level of power transmission lines,which can be used as a guide for the transmission operators in different cities in their efforts to strengthen the operation and maintenance in lightning-intensive areas and intensive periods,and which also helps to improve the reference standard of the transmission line insulation strength in lightning-intensive areas and serves as a basis for lightning protection designs.

transmission line;lightning outage rate;lightning protection assessment;Pearl River Delta region;the level of mineresistantback;flash density;lightning currentamplitude distribution;grid method

利用广东雷电定位系统监测的2000—2008年雷电定位数据，分析广东省近十年雷电时空分布规律特征。通过绘制的历年平均地闪密度变化趋势图和1km×1km大小网格的网格法绘制的历年地闪密度图，分析珠三角地区地闪密度变化特征。另外，超过各电压等级输电线路反击耐雷水平的雷电流对电网影响很大，以典型线路耐雷水平为依据，绘制出超过输电线路反击耐雷水平的雷电地闪分布图，分析电网遭受雷击的危险区段。雷电流幅值对防雷评估和防雷策略的制定具有重要意义，根据统计方法分析了珠江三角洲地区及广东省雷电流幅值分布规律的特征，并绘制了超过造成输电线路耐雷水平的落雷分布图，指导不同经济水平层次城市的线路运行部门加强对雷电密集区和密集时段的运行维护，完善落雷密集区内的输电线路绝缘强度参考标准，并为设计部门提供新的线路防雷设计依据。

输电线路；雷击跳闸率；防雷评估；珠江三角洲地区；反击耐雷水平；地闪密度；雷电流幅值分布；网格法

国家重点基础研究发展计划（973计划）。

1674-3814（2011）11-0013-07

TM86

B

2011-08-13。

刘 刚（1969—），男，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向为智能高压电网、过电压及其防护、电力设备外绝缘；

唐 军（1988—），男，硕士研究生，主要研究方向为输电线路雷电防护与绝缘技术。

（编辑 冯露）