闪电监测数据在菏泽市雷击风险评估中的应用

程萌 陈楠 程德海

摘 要：利用由山东省闪电定位系统获取的菏泽地区2006年7月—2014年6月雷电监测资料，分析评估周围5km范围内的地闪密度、地闪随时间变化规律以及雷电幅值参数。结果表明：利用闪电定位系统监测数据计算得到的雷击大地密度与人工观测数据差距较大，前者更准确；雷电活动随时间有明显变化，应根据变化规律合理安排生产运行进程，规避风险；分析雷电流强度变化得出雷电流强度分布和累积概率，在计算电涌保护器每一保护模式的冲击电流值时，实测值较推荐值更合理。

关键词：闪电；风险评估；监测数据；应用

中图分类号 P427.32 文献标识码 A 文章编号 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

雷击风险评估是根据雷击大地导致人员、财产损害程度确定雷电防护等级、类别的一种综合计算、分析方法。有利于建设项目选址、功能分区布局、确定防雷类别与防雷措施、提出雷灾事故应急方案、保障人民生命和财产安全。

近年来，一些学者针对雷击风险评估方法及其应用进行了探索性研究[1-8]。例如，赵军等基于风险评估的基本思路，总结了雷电灾害的作用机制和雷击风险评估的理论和方法[1]。问楠臻等利用广州市雷电监测网数据，按1km2的网格进行区域划分，通过加权得到地闪密度[2]。钱强寒等根据在以IEC62305—2进行雷击风险评估进行风险评估实践中时的一些经验，介绍了各雷击风险分量的鉴别方法[3]。樊荣等从落雷密度的概念出发，利用克里金（Kriging）插值法，计算任一经纬度上的多年平均雷暴日数，并使用C#语言编制出计算落雷密度的软件。还有些学者通过对各地的雷击大地年平均密度和多年平均雷暴日的分析，总结出了符合当地特点的两者的关系式[5-6]。以上研究，部分涉及雷击大地密度，但均没有综合研究闪电监测数据得出闪电时空分布规律并运用到雷击风险评估中。目前尚未见到针对菏泽市雷电监测数据的处理，并将其应用于雷击风险评估业务。因此，对该地区评估对象附近的地闪密度、雷电活动时间变化、雷电强度分布的研究，有利于评估参数的准确取值，得出科学的评估结论。

1 利用闪电监测数据确定地闪密度（Ng）及其在雷击风险评估中的应用

1.1 利用人工观测资料计算Ng的局限性 雷击风险评估的传统方法中，通常采用当地气象部门提供的所在城市的年平均雷暴日（Td）来计算评估点的Ng值，即Ng=0.1Td。该年平均雷暴日来源于观测人员的观测数据，1d内只要观测到1次或1次以上的雷声就算是1个雷暴日。但由于人工观测的局限性（人的监听范围通常半径为8～12km），以行政区域为代表的雷电参数并不能代表该辖区的雷电特征。因此，在进行年雷击次数的估算时，应以在评估对象所在区域测得的地闪密度为准。

1.2 利用闪电监测数据确定Ng

1.2.1 山东省闪电定位系统简介 山东省闪电定位系统是LD-II型闪电定位系统，主要由13个分布在全省各地的闪电定位仪、一个中心数据处理系统和图形显示终端构成，采用磁定向时差遥测法进行闪电定位，各个定位仪将接收到的闪电信息和GPS时间信息，通过通信网络传送至中心站计算机，通过中心数据处理系统的计算，得到闪击的时间、位置、极性、强度等参数。该系统时钟同步精度可达到0.1μs，山东省内大部分地区闪电探测效率理论值为95%，定位精度可达到300m。

1.2.2 以具体评估对象为实例确定Ng 根据雷击大地的年平均密度的含义即一年里某一确定地区的地闪次数，通过闪电定位系统提供的一年中某地区的地闪次数再除以该地区的面积可以得到更为精确的雷击大地的年平均密度。计算公式为

（1）

其中：D—一年中的地闪次数（次/a），S—面积（km2）。

菏泽市辖区内某化工企业中心点经纬度为：E115.530778，N35.09000，在山东省闪电定位监测数据中提取8年来（2006年7月—2014年6月）距离该点一定距离之内（以方圆5km为例）的闪电数据，期间共发生地闪1 406次，平均每年176次，根据公式（1）计算出雷击大地密度为1.76次/km2·a，而根据观测的雷暴日计算出的雷击大地密度为3.06次/km2·a，两者有较大差异。根据地闪的分布，利用surfer8.0绘制出地闪密度分布渐变图（图1），可以清晰的显示出方圆5km内各位置雷击密度的大小，为雷击风险评估结论提供参考。

2 利用闪电监测数据分析闪电月变化规律及其在雷击风险评估中的应用

该区域发生的1 406次地闪中，负地闪1 377次，占总地闪的98%，正地闪29次，占总地闪的2%（表1）。

由图2可以看出，该地域地闪月分布呈单峰状，始于2月，结束于11月。峰值出现在8月，地闪总数为723次，约为其余11个月的总和。雷电主要活动期为6、7、8月，共1 260次，占总闪数的89.6%，1、2、9、10、11、12月基本没有地闪发生。该地区闪电月变化规律，为雷击风险评估的指导意见提供了参考依据。该化工企业每年6月份前需对化工户外装置、罐区、楼房、机房、配电室等进行防雷装置安全检测。企业的集体户外活动要尽量避开6、7、8月，可以安排在防雷设施完善的建筑物内。每次雷雨天气后，安全人员要检查防雷接地装置是否损坏，电源和信号系统的浪涌保护器工作状态是否正常，如有异常，要及时整改。办公人员使用电脑等电器时也要避开闪电多发期，降低闪电电涌侵入造成人员伤亡的风险。

3 利用闪电监测数据分析闪电时变化规律及其在雷击风险评估中的应用

该地区的地闪时分布呈多峰状，2个最大的峰值出现在00：05和11：00左右，地闪数占总闪数的44%，16：00和19：00左右雷电活动也较频繁。雷电活动随时段的不同有明显变化，企业施工运行时应根据日变化合理安排工作进程，可将潜在雷击危险显著降低，建议6、7、8月份的00：05和11：00不安排施工。

4 利用闪电监测数据分析雷电流强度变化及其在雷击风险评估中的应用

由图4可知，该地区雷电流强度在5～10kA的地闪数为412次，占地闪总数的比例最大，为29.3%，其次为10～15kA的地闪402次，所占比例为28.6%，0～35kA的地闪所占比例为98.9%，大于35kA的地闪只占1.1%，没发生过大于55kA的地闪。负地闪的雷电流强度分布和总地闪的吻合度很好。

在进行雷击风险评估时，电源线路上电涌保护器安装位置和选型将直接影响评估因子的取值。而雷电流幅值是确定电涌保护器雷电流参数的一个重要的依据。电源总配电箱处所装设的电涌保护器，其每一保护模式的冲击电流值，当电源线路无屏蔽层时宜按式（2）计算，当有屏蔽层是宜按式（3）计算[10]：

式中：I—雷电流，取200kA、150kA、100kA；n—地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数；m—每一线路内导体芯线的总根数；Rs—屏蔽层每km的电阻（Ω/km）；Rc—芯线每km的电阻（Ω/km）。

给定的首次正闪击雷电流的幅值参考值，第一类、第二类、第三类防雷建筑物对应分别为200kA、150kA、100kA。如果评估中采用上述推荐值，得出的计算结果并不能真正反映评估对象所需要的电涌保护器的雷电流参数。由图5可以看出，雷电流大于5kA的累积概率为81.9%，大于10kA的累积概率为52.6%，大于50kA的累积概率为1%，大于55kA的累积概率为0，也就是说此区域内8年来未出现过大于55kA的地闪，若采用推荐值150kA（该企业为第二类防雷建筑物）计算，需要安装的SPD通流容量偏大，鉴于雷击风险评估的目的是寻求最低雷电灾害事故率、最少的雷电灾害损失和最优的防雷安全投资效益，I取55kA较为合适。

5 结论与讨论

利用由山东省闪电定位系统获取的菏泽地区2006年7月—2014年6月闪电监测数据，计算得到评估对象周围5km范围的雷击密度，地闪月分布规律、地闪时分布规律以及雷电幅值参数，分析发现：（1）利用闪电定位系统监测数据计算得到的雷击大地密度为1.76次/km2·a，而根据观测的雷暴日计算出的雷击大地密度为3.06次/km2·a，两者有较大差异，前者更符合实际。（2）雷电活动随月份和时段的不同有明显变化，评估对象应根据月变化和日变化规律合理安排生产运行进程，并在闪电高发期前进行防雷装置安全检测，规避雷电灾害风险。（3）通过闪电监测数据分析雷电流强度变化得出雷电流强度分布和累积概率，此区域内8年来未出现过大于55 kA的地闪，计算电涌保护器每一保护模式的冲击电流值时，I取55kA较规范推荐值合理。

山东省闪电定位系统在全省范围内有13个闪电定位仪，随着该系统的进一步完善，闪电定位仪的增加，该系统同步精度和定位精度将进一步减小，闪电探测效率也将进一步提升，为雷击风险评估的各参数的选取提供更准确的监测数据，评估结论也更科学。

参考文献

[1]赵军，郭在华.雷击风险评估方法综合应用研究[J].成都信息工程学院学报，2007，22（8）：48-50.

[2]问楠臻，高文俊.基于IEC62305雷击风险评估计算方法[J].建筑电气，2008，27（7）：34-37.

[3]钱强寒，陈勇斌，杨磊.强雷击风险评估实践中各风险分量的鉴别[J].浙江气象，2006，28（3）：41-46.

[4]樊荣，肖稳安，李霞，等.基于GB/T 21714.2的雷击风险评估软件设计及参数探讨[J].南京信息工程大学学报：自然科学版，2009，1（4）：343-349.

[5]马金福，冯志伟.雷击地闪密度与雷暴日数的关系分析[J].气象科学，2009，29（5）：674-678.

[6]钟颖颖，冯民学，周曾奎，等.闪电定位资料与目测雷暴日的对比分析[J].气象科学.2010，30（8）：851-855.

[7]陈家宏，童雪芳，谷山强，等.雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征[J].高压电技术，2008，34（9）：1893-1897.

[8]易高流. 雷电监测资料在雷击损害风险评估中的应用[J].江西气象科技，2004，27（4）：45-47.

[9]张日高，张良春，余建华.利用监测与人工观测数据计算的雷击大地密度比较[J].气象与减灾研究，2010.

[10]住房和城乡建设部.建筑物防雷设计规范（GB50057—2010）[S].北京：中国计划出版社，2011.

（责编：张长青）