微地形气候环境下郴州电网雷害活动分布规律分析

何昌雄，刘运平，唐军

（国网湖南省电力公司郴州供电分公司，湖南郴州423000)

微地形气候环境下郴州电网雷害活动分布规律分析

何昌雄，刘运平，唐军

（国网湖南省电力公司郴州供电分公司，湖南郴州423000)

以雷电定位系统记录的2012—2016年雷电定位数据为样本，结合郴州地区地理气候特征，分析该地区雷电地闪频次的年变化趋势、月度分布规律、正/负地闪变化规律；根据网格法绘制了2012—2016年的地闪密度分布图和近5年的平均地闪密度分布图，对输电线路雷击故障点分布情况进行相关性分析；拟合了2012—2016年的雷电流幅值概率分布函数，并对前、后汛期的雷电流幅值概率分布曲线的差异进行了对比分析。为郴州电网输电线路防雷计算和防雷措施的制定提供了依据。

雷电定位系统；雷电参数；地闪密度；雷电流幅值概率分布

雷击是电网安全稳定运行的主要威胁之一，约70%以上的输、配电线路跳闸都是由雷击引起的〔1－4〕。研究区域雷电活动分布规律，进行区域电网的雷击风险评估，从而采取相应的防护措施，是降低雷击跳闸故障率，保障电网安全稳定运行的重要手段〔5－6〕。

雷电活动的分布特征与气候、地理、地质、环境、土壤等条件有着密切的关系，具有很强的地域性。郴州地处南岭山脉北麓，东部是罗霄山脉，西部是郴道盆地，全市总面积的80%均属于山地、丘陵，气候除了亚热带湿润气候特征外，还有明显的地方性小气候特征，雷电活动高发，雷击等自然灾害是郴州电网安全的最主要危险源。掌握郴州地区的地闪频次和雷电流幅值变化特征，对准确评估境内输电线路雷击跳闸率具有重要的意义。

文中根据2012—2016年雷电定位系统记录的郴州地区雷电原始参数，分析近5年来郴州的雷电地闪分布特征和雷电流幅值概率分布特征，为该地区输电线路防雷风险评估提供相应的数据支撑和计算依据。

1 地闪时空分布规律分析

1.1 雷电地闪频次分布特征

图1为2012—2016年郴州地区年落雷次数变化趋势。由图1可知，郴州地区在2012年、2014年、2016年雷电活动频繁，2013年、2015年雷电地闪次数相对较少，但总体呈现出周期为2年振荡增长趋势。图2为2012—2016年正/负地闪的变化趋势图。图3为2012—2016年雷电地闪频次的月度分布情况对比。

图1 郴州地区2012—2016年落雷次数变化趋势

图2 郴州地区2012—2016年正/负地闪的变化趋势

图3 郴州地区2012—2016年雷电地闪频次的月度分布情况对比

近5年负/正地闪次数的比值在3.2～4.0之间变化，平均比值为3.66。负地闪的变化趋势曲线与图2地闪变化趋势相似，正地闪次数2014年最多，2015年最少，说明地闪活动振荡增长主要是负地闪次数的增长引起的。

华南地区的雨季可以分为前汛期和后汛期，其中3—6月上旬为前汛期，6月下旬—8月为后汛期〔7〕。由图3可知，郴州每年的3—8月落雷活动最为频繁，3—5月为一个高峰期，7—8月为另一个高峰期，总体上后汛期的地闪活动频次要强于前汛期。2016年前汛期雷电活动最强，2014年的后汛期雷电活动最强，2012年4月、7月雷电活动较强，9月到第二年2月雷暴偏少。

1.2 地闪密度分布图

将郴州地区划分为若干个2 km×2 km大小的小方格，以小方格为单位统计地闪密度，根据自然分割法划分等级，并用不同颜色表示从低到高的不同地闪等级，得到2012—2016年的雷电地闪分布。

郴州境内存在3个重雷区，至西向东依次是:桂阳中、北部地区，郴州中心城区向北延伸至永兴中部地区和资兴东部至桂东西北部的地区。这3个区域均为典型的微地形气候区域，微地形下由于山地起伏有利于气流的抬升导致空气对流活动加强，海拔因素使雷云与大地的高度相对较低，这两方面的因素都导致了微地形区域更容易雷击〔8－9〕。此外，郴州绝大部分的覆冰线路都在以上3个区域，微地形气候使雷区和冰区存在重叠。

1.3 雷击跳闸故障点相关性分析

统计2016年某电压等级输电线路跳闸故障点分布与地闪分布的对比情况。

输电线路跳闸与雷电地闪分布、地形地貌、杆塔形状等因素有关，微地形下输电线路走廊经过山腰、山脊、跨越山谷、河流、爬越山坡，均使线路的暴露弧面增大，更容易遭受雷电绕击〔8－9〕。图5中黑色标记为某电压等级输电线路故障点位置所在，超90%的输电线路故障点都分布于高地闪密度的深色区域。雷电地闪密度越大，线路雷击闪络故障的风险也越大，因此地闪分布图可作为输、配电线路防雷措施安装点选择的参考，重落雷区相应加强雷电防护措施。

2 雷电流幅值概率分布情况分析

2.1 雷电流幅值概率分布函数

雷电流幅值概率分布函数与地区气候、地形地貌，地质、纬度等因素有关，雷电定位系统的成熟应用为研究雷电流幅值概率分布函数积累了大量的实测数据〔10〕。文献 〔11〕在IEEE标准推荐公式的基础上，拟合了计算雷电流幅值概率的计算公式，即:

式中 P为雷电流幅值概率分布函数；I为雷电流幅值(kA)；系数α为中值雷电流幅值，即为当P＝0.5时的雷电流幅值；系数 β的大小基本在[2.4，3.0]范围内变化。β越大，表示雷电流在较小幅值和较大幅值的情况下越集中，在中值电流附近越分散。根据雷电定位数据统计的2012—2016年郴州地区的雷电流幅值概率密度和雷电流幅值概率分布曲线对比如图4所示。

图4 郴州地区2012—2016年雷电流幅值概率分布曲线对比

由图4可知，除2012年外，2013—2016年的雷电流幅值概率分布曲线基本重叠。概率为50%对应的雷电流幅值越高，表明高幅值雷电流所占比例越大，曲线下降速度越快，中值附近的雷电流占比越小，低幅值的雷电流占比越大，2012年、2014年的概率曲线下降速度较慢，说明高幅值雷电流所占比例越大。根据公式(1)分别对5年的雷电流幅值概率分布曲线进行拟合，得到2012—2016年的雷电流幅值概率分布函数系数α，β取值，见表1。

表1 郴州地区2012—2016年雷电流幅值概率分布函数系数α，β取值对比

文献 〔12〕拟合了广东省的雷电流幅值概率分布函数，得到历年的中值雷电流幅值在十几千安到三十几千安之间变化，平均中值雷电流幅值为22.8 kA。相对于广东地区的中值雷电流幅值，郴州地区要稍小些，山区雷电流幅值要比平原小，纬度越高，雷电流幅值越低〔12〕。对2012—2016年的综合雷电流幅值概率分布曲线进行拟合，得到2012—2016年的雷电流幅值概率分布函数如公式(2)所示:

拟合得到曲线与实际曲线的相关性系数为0.99，具有很强的相关性。

2.2 前/后汛期对比

根据郴州地区雷雨季节的气候特征，前、后汛期形成雷暴的因素不同使得雷电流幅值分布特征产生差异，2014年、2016年为为强雷暴年，图5为2014年、2016年前/后汛期雷电流幅值概率密度曲线对比。

图5 前、后汛期雷电流幅值概率密度曲线对比

由图5可知，2014年、2016年的前汛期雷电流幅值概率密度曲线基本吻合，后汛期密度曲线也基本吻合。但前、后汛期存在明显差异，前汛期的幅值在约18～30 kA范围内的雷电流所占比例要高于后汛期，幅值在约30～80 kA范围内的雷电流所占比例要低于后汛期，说明前汛期的雷电流强度总体上要低于后汛期，后汛期的雷电流活动在幅值上表现更为强烈。

2014年受来自印度洋、孟加拉湾的大气环流和西太平洋热带气旋的影响，6—8月份降雨偏多，雷电高发。2012—2016年的厄尔尼诺现象使郴州地区3—5月份雷电活动程度较往年有大幅增长。前汛期雷电流幅值偏弱，2016年前汛期雷电高发，将导致全年的雷电流幅值偏低。后汛期雷电流幅值偏强，2014年后汛期雷电高发，导致了全年雷电流副值偏高。

输电线路雷击跳闸故障的发生有其特有的特征，它与绝缘水平、杆塔结构、地面倾角和接地电阻等因素的影响有关，可以认为在某些雷电流幅值区间的地闪才能引起雷电事故。因此，可依据电网的绝缘裕度和杆塔结构，计算不同电压等级下可能发生绕击、反击的危险电流区间，各危险电流区间的选取均使该电压等级内绝大多数塔型的危险雷电流都在所选危险范围内〔11〕。本文对输电线路的危险电流区间进行评估反击采用规程法，绕击采用电气几何模型求得，地面倾角山区取15°，平原取0°，求取得到不同电压等级下典型杆塔输电线路危险电流区间见表2。

表2 典型杆塔下不同电压等级输电线路雷击跳闸危险电流区间kA

郴州近5年雷电定位数据统计结果显示:前汛期的幅值在约18～30 kA范围内的雷电流所占比例要高于后汛期，幅值在约30～80 kA范围内的雷电流所占比例要低于后汛期。由表2可知，对于110 kV输电线路，反击危险电流区间大于40 kA，后汛期线路遭受雷电反击跳闸风险大，郴州大部分地区属山地、丘陵地带，绕击危险电流区间小于20 kA，前、后汛期雷电流幅值概率分布曲线的差异对绕击的影响较小，但后汛期地闪频次要高于前汛期，因此后汛期遭受绕击跳闸的风险更大。对于220 kV输电线路，绕击危险电流区间在10～30 kA之间，前汛期这部分幅值范围内雷电流所占比例大，因此前汛期220 kV输电线路遭绕击跳闸的危险性高。同理，500 kV输电线路在前汛期遭受绕击跳闸的危险性高。

3 结论

1)近5年的统计数据显示，郴州地区的年地闪密度呈现出了周期为2年的振荡增长趋势，2012年、2014年、2016年为雷电活动的大年，2013年、2015年为雷电活动的小年。负/正地闪次数比例在3.2～4.0之间，负地闪频次增长快。

2)郴州境内存在3个重雷区，至西向东依次是:桂阳中、北部地区，郴州中心城区向北延伸至永兴中部地区和资兴东部至桂东西北部的地区。绝大部分的输电线路雷击故障点均发生在以上区域。

3)近5年郴州地区的雷电流幅值概率曲线和雷电流幅值概率密度曲线基本吻合，拟合得到雷电流幅值概率分布函数曲线的均值雷电流约为19.9 kA，小于广东省的数值。前汛期在18～30 kA范围内的雷电流比例大，对220 kV及以上电压等级输电线路绕击跳闸威胁大，后汛期在30～80 kV范围内的雷电流比例大，对110 kV输电线路反击威胁大。

〔1〕李家启，申双和，廖瑞金，等.重庆地区雷电流幅值变化特征分析 〔J〕.高电压技术，2010，36(12):2918-2923.

〔2〕孙萍.220 kV新杭线雷电流幅值实测结果的统计分析 〔J〕.中国电力，2000，33(3):72-75.

〔3〕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〕.高电压技术，2008，34(9):1893-1897.

〔4〕潘丹青.对输电线路防雷计算中几个问题的看法 〔J〕.高电压技术，2001，27(4):65-69.

〔5〕刘刚，唐军，张鸣.根据雷电定位数据对输电线路雷击跳闸率计算方法修正的探讨 〔J〕.电瓷避雷器，2011(12): 95-102.

〔6〕李家启，申双和，夏伯成，等.重庆地区1999—2008年雷电参数变化特征 〔J〕.长江流域资源与环境，2012，21(2): 242-250.

〔7〕何昌雄，唐军，姚子睿.2015－2016年超强厄尔尼诺现象下郴州地区雷暴活动特征分析 〔J〕.湖南电力，2017，37(2): 33-36.

〔8〕林峰，林韩，廖福旺，等.统计分析输电线路雷害与微地形关系的新方法 〔J〕.高电压技术，2009，35(6):1362-1369.

〔9〕马御堂，吴广宇，曹晓斌，等.微地形下输电线路绕击闪络率的计算方法 〔J〕.中国电机工程学报，2011，31(22): 135-141.

〔10〕冯志伟，肖稳安，马金福，等.基于地闪数据的雷电流幅值累积频率公式探讨 〔J〕.气象科技，2012，40(1):137-14.

〔11〕李瑞芳，吴广宁，曹晓斌，等.雷电流幅值概率计算公式〔J〕.电工技术学报，2011，26(4):161-167.

〔12〕刘刚，唐军，孙雷雷，等.不同地形地貌的雷电流幅值概率分布对输电线路雷击跳闸的影响 〔J〕.高电压技术，2013，39(1):17-24.

Analysis of Lightning Activity Distribution of Chenzhou Power Grid under Micro Topography and Climate Environment

HE Changxiong，LIU Yunping，TANG Jun
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Chenzhou Power Supply Company，Chenzhou 423000，China)

Based on the 2012—2016 lightning location data recorded by lightning location system，combing with the geographical and climatic features of Chenzhou area，it analyzes the area of lightning flash frequency of annual variation trend，monthly distribution and positive/negative CG changes.Using the grid method to draw up 2012—2016 flash density distribution map nearly 5 years of flash density distribution，it makes correlation analysis with transmission line lightning fault point distribution.Amplitude probability distribution function of flow of lightning in 2012—2016 years is of fit，and it makes comparing analysis of differences before and after the flood of lightning current amplitude probability distribution curves.It can provide reference to the calculation and the development of lightning protection measures of lightning protection at transmission line in Chenzhou power grid.

lightning location system；lightning parameters；ground lightning density；lightning current amplitude probability distribution

TM863

B

1008-0198(2017)04-0041-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.012

2017-01-18 改回日期:2017-04-27