贵广高铁沿线雷电活动特征分析

吴安坤,刘　波,张淑霞,曾　勇

(1.贵州省防雷减灾中心,贵州　贵阳　550081;2.成都信息工程大学大气科学学院，四川　成都　610225)



贵广高铁沿线雷电活动特征分析

吴安坤1,2,刘波1,张淑霞1,曾勇1

(1.贵州省防雷减灾中心,贵州贵阳550081;2.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225)

采用全国雷电监测定位系统的地闪数据，通过分析贵广高铁沿线9个市州的雷电活动分布特征，发现高铁沿线途经的两广丘陵雷电活动强于云贵高原，而云贵高原的闪电强度却明显高于丘陵地带；雷电活动主要发生在3—8月，冬季几乎没有闪电发生；贵州、广西境内闪电时频分布大致呈现“双峰”特征，主要发生在后半夜和下午；而广东境内极值区出现在下午，呈现“单峰”变化；肇庆与佛山交界附近为雷电易击段，贵州黔南的都匀、贵定境内为雷电易损段，应重点加强接触网的雷电防护。进一步选取高铁沿线周边5 km的地闪数据拟合雷电流幅值分布曲线，认为电力行业标准推荐的雷电流幅值概率分布曲线不能准确反映走廊沿线雷电流幅值分布情况，建议采用文中沿线监测数据拟合曲线进行分段区域防雷设计，确保安全稳定运营。

贵广高铁；雷电活动；幅值概率分布

1　引言

近年来随着高速铁路运营里程的增加和运行速度的提高，保障列车可靠、安全运行，提高铁路服役性能已成为世界各国不断追求的目标[1-2]。但由于列车运行环境的特殊性，铁路接触网具有面广、线长且无备用系统等特点，雷击可能会引起设备损坏、列车失电，导致运输中断，严重时还会造成行车事故和人员伤亡[3]，比较典型的如“7·23”甬温线特大铁路交通事故。近年来，对高速铁路接触网的防雷技术的研究引起极大的关注[4-6]。但是长期以来，采用气象部门提供的雷暴日数据和电力行业标准推荐的雷电流幅值概率分布，作为电气化铁路接触网的雷电防护设计的基础数据，并不能精细化的反映接触网沿线的雷电活动参数特征，从而在防雷安全设计上存在一定的偏差。

贵广高铁线始于贵州省贵阳市观山湖区东侧的贵阳北站，终于广州交通枢纽广州南站，全长约857 km。沿线常年受亚热带季风及副热带高压的影响，途径海拔1 500 m以上的云贵高原、200 m以下两广丘陵，穿越复杂的喀斯特地质区域，跨越510座山谷，地形、地貌、气象、气候条件变化多样，雷电活动复杂多变。因此，本文采用全国雷电监测定位系统近3 a(2013—2015年)的闪电监测数据，分析贵广高铁沿线走廊的雷电活动分布特征，为铁路接触网日后维护采取针对性的防雷措施和差异化设计提供参考。

2　沿线临近区域雷电活动

2.1空间分布

地闪密度是指单位面积内的闪电次数，表征闪击放电频繁程度。M.Suzuki[7]提出地闪密度为雷电定位系统监测的闪电次数除以统计面积。据此，通过提取贵广高铁途径的贵州、广西以及广东3个省的雷电监测数据，按照0.1°×0.1°的网格绘制的年平均地闪密度分布如图1所示。闪电活动东部高于西部、南部高于北部，具体表现为两广丘陵雷电活动强于云贵高原，这种分布与季风和台风等天气系统影响有很大关系。其中两广丘陵大部分区域地闪密度>4.5次/(km2·a)，而云贵高原地闪密度大多<4.5次/(km2·a)。对两广丘陵来说，地闪密度高值区主要集中在广西贵港、贺州以及广东肇庆、佛山、广州，地闪密度>8.0次/(km2·a)。

2.2时间分布

图2所示：利用全国雷电监测定位资料分析沿线9个市州雷电活动的的月频、时频分布。贵广高铁沿线雷电活动基本上都是始于3月份，4月份闪电活动频繁程度有所回落，5—6月出现峰值，7—8月份闪电活动有所减少，9份仍然有一定数量的闪电活动，10—2月份闪电活动很少，尤其是冬季，几乎没有闪电发生。具体分析各市州闪电活动月频变化，南北向上存在一定的差异。高铁南段的桂林、贺州、肇庆、佛山、广州闪电活动峰值出现在5月，早于北段的贵阳、黔南、黔东南及柳州闪电活动峰值出现在6月；此外，北段的贵阳、黔南、黔东南闪电活动月频变化趋势大体一致，呈现逐渐上升至峰值后迅速下降，具体表现为百分比变化自3月经5月到6月逐渐增至全年的极值点，而后7月直接回落至15%以下；而南段与之截然不同，迅速上升至峰值后逐渐下降，百分比变化自3月经4月回落至10%以下后，5月直接上升至25%以上，为全年中的峰值点，而后6月却缓慢回落至20%左右。

图1　贵广高铁临近区域年均地闪密度Fig.1　Annual average ground flash density in the vicinity ofGuiyang-Guangzhou high-speed railway

图2　沿线临近区域时间分布(a-c:月频分布；d-f:时频分布)Fig.2　Time distribution of lightning activity along the railway(a-c.monthly; d-f.time)

由于受地形、地理因素的影响，高铁沿线9市州雷电活动时频变化也存在极大的差异。贵州境内贵阳、黔南、黔东南闪电活动主要发生在下午和后半夜，而前半夜、上午时段闪电活动相对较少；广西境内的柳州、桂林、贺州闪电活动主要发生在下午、前半夜及后半夜，而上午时段闪电活动相对较少；到了广东境内，肇庆、佛山、广州闪电活动主要发生在下午，前半夜次之，而后半夜及上午最少，呈现“单峰”变化。此外，受地形因素的影响，广东境内各市闪电活动时频分布相对集中，比贵州、广西境内各市州闪电活动时频分布更为一致。

3　线路走廊沿线雷电活动

为进一步细致的了解线路走廊沿线的雷电活动分布，并考虑雷电监测定位系统的定位误差，将沿线左右各取5 km 作为统计区域[8]，分别采用点密度、反距离插值生成0.01°×0.01°、0.05°×0.05°的沿线地闪密度、强度，以此分析贵广高铁沿线走廊地闪密度、闪电强度变化。

由于受沿途所经区域地理、地势、气象、气候条件的影响，线路走廊地闪密度、强度差异性较大。如图3a所示：线路走廊沿线年均地闪密度从北到南地闪密度数值逐渐增大，介于2～10次/(km2·a)；其中贵州段、广西段地闪密度变化不大，各区段地闪密度在2～4次/(km2·a)范围，而进入广东境内后地闪密度数值明显增大，地闪密度均>6次/(km2·a)。然而，平均地闪强度与年均地闪密度呈现截然相反的变化。沿线走廊整体呈现北部闪电强度高于南部，呈现依次递减的变化。其中贵州境内的贵阳段、黔南段的大部分区域闪电强度均>40 kA，黔东南段介于30～40 kA之间；进广西境内后，平均地闪强度值在30 kA左右，局部线路段可达40 kA。

图3　沿线雷电活动分布(a.地闪密度分布；b.地闪强度分布)Fig.3　The distribution of lightning activity along the line (a.flash density; b.ground flash intensity)

贵广高铁线路走廊年均闪电密度的极值区出现在肇庆与佛山交界附近，密度值高达10/(km2·a)，为全线的易受雷击段；平均闪电强度在贵州黔南的都匀段、贵定段存在极值，强度值高达100 kA，为全线的雷击易损段。

4　雷电流幅值分布特征

雷电流幅值累积概率是国内外防雷界非常重视的雷电参数之一，是表征雷电活动频度，计算雷击铁路接触网闪络率的必要参数，其取值精确性直接关系着接触网雷击闪络率的计算精确性。贵广高铁途径贵州、广西、广东3省，文中选取近3 a线路接触网周边10 km范围内闪电发生的雷电流幅值，统计地闪165 818次，依次分析贵州、广西、广东段的雷电流幅值分布情况。

目前，我国铁道行业防雷计算中雷电流幅值分布选用的是电力行业规程《DL/T 620-1997》中推荐的雷电流幅值累积概率分布曲线lgPI=-I/88。根据Pobolansky[9]、CIGRE[10]及IEEE工作组[11]分别提出雷电流幅值累积概率表达式，结合其特点，归纳表达式为PI=1/[1+(I/a)b]。据此，选取近3 a线路接触网周边10 km范围内闪电发生的雷电流幅值，统计地闪165 818次，依次对贵州、广西、广东段雷电流幅值累积概率分布进行拟合(表1)。

表1　雷电流幅值累积概率分布曲线参数

各段分布曲线拟合优度R2均>0.9，残差平方和RSS<0.001，拟合效果很好。小电流部分贵州段较广西、广东段下降得更快，大电流部分则较为平缓(图4a)。进一步分析各段幅值概率密度分布概率曲线如图4b所示，贵州段、广西段、广东段雷电流幅值分布分别集中在1～123 kA、6～90 kA、8～75 kA，约占92.8%、97.3%、98.1%；峰值点分别为17 kA、29 kA、28 kA，均值分别为56.9 kA、41.1 kA、35.1 kA。进一步分析幅值分布变化情况，贵州段、广西段、广东段均呈现先上升后下降的分布规律，并呈现正偏态分布。但贵州段峰度较小，较广西段、广东段变化缓慢。

图4　雷电流幅值分布(a.累计概率分布；b.概率密度分布)Fig.4　Amplitude distribution of lightning current (a.cumulative probability; b.probability density)

对比分析利用实际监测数据拟合曲线与电力规程推荐曲线，发现存在差异性。从雷电流幅值累积概率分布曲线来看，电力规程推荐曲线在小电流部分下降更快，在大电流部分更为平缓；进一步对比概率密度分布曲线，规程推荐得到的对数式分布与监测数据拟合严重不符，不能够依次作为沿线接触网绕击和反击的防雷参数计算。建议采用文中表1拟合的曲线进行分段设计，以实现区域差异性设防。

5　结论

①贵广高铁沿线走廊整体呈现北部平均地闪强度高于南部，而年均地闪密度呈现南部高于北部。具体表现为两广丘陵雷电活动强于云贵高原，而山区的闪电强度明显高于丘陵。

②沿线区域雷电活动主要发生在3—8月，冬季几乎没有闪电发生。南段的桂林、贺州、肇庆、佛山、广州闪电月频变化峰值出现在5月，早于北段的其他区域。贵州、广西境内闪电时频分布大致呈现“双峰”特征，主要发生在后半夜和下午；而广东境内极值区出现在下午，呈现“单峰”变化。

③贵广高铁沿线肇庆与佛山交界附近、贵州黔南的都匀段、贵定段为线路走廊的重点雷电防护区段。

④电力行业标准推荐的雷电流幅值概率分布曲线不能准确反映走廊沿线雷电流幅值分布情况，建议采用文中沿线监测数据拟合曲线进行分段区域防雷设计，在确保安全稳定运营的同时，更为经济合理。

由于文中的闪电资料来源于全国雷电监测定位系统，该系统监测的闪电数据采用二维定位，即不能监测云闪，必定导致数据不完整。因此，在后续的工作中将考虑结合三维闪电监测数据，弥补云闪资料缺失，从而得到更为全面的结论。

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Characteristics Analysis of Lightning Activities along Guiyang-Guangzhou High-speed Railway

WU Ankun1,2,LIU Bo1,ZHANG Shuxia1,ZENG Yong1

(1.Guizhou Lightning Protection and Disaster Reduction Center, Guiyang 550081, China; 2.College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

The lightning activity distribution characteristics of 9 cities along the high speed railway line were analyzed by using the data of lightning detection and location system in China, it's found along the railway of Guangdong and Guangxi hills lightning activity is stronger than the Yunnan Guizhou Plateau, and the Yunnan Guizhou Plateau lightning intensity is significantly higher than hilly area. Lightning activities mainly occurred in 3—8 months, there was almost no lightning occurred in winter. The frequency distribution of lightning in Guangxi and Guizhou appear like bimodal, which mainly occurred in the night and afternoon, while the extreme area of Guangdong appears in the afternoon and presented a single peak. It should be focused on strengthening the contact network of lightning protection near the border between Zhaoqing and Foshan for lightning strike and Guiding, Duyun territory for the lightning vulnerable segment. Further selection along the railway surrounding 5km flash data fitting lightning current amplitude distribution curve recommended by the electric power industry standard lightning flow amplitude probability distribution curve can’t accurately reflect the corridor along the lightning current amplitude distribution. So it is recommended that the fitting curve of the data fitting curve be used in the paper to design the lightning protection in the section area, to ensure the safe and stable operation.

Guiyang-Guangzhou high-speed railway; lightning activity; amplitude probability distribution

1003-6598(2016)03-0070-05

2016-01-26

吴安坤(1986-)，男，工程师，主要从事雷电科学与防护技术研究，E-mail：wak-mail@163.com。

P427.32+1

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