司文榮，張錦秀，顧承昱，鄭 旭

（1.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.上海市電力公司，上海 200122）

0 引言

目前開(kāi)展的實(shí)際雷電活動(dòng)下的線路雷擊跳閘率計(jì)算，以雷電日和落雷密度為參數(shù)的輸電線路雷擊跳閘率計(jì)算的對(duì)比分析以及基于雷電定位系統(tǒng)的雷電流幅值統(tǒng)計(jì)分析等［1］，其主題就是欲根據(jù)不同地區(qū)實(shí)際的落雷分布情況以及參數(shù)特征，尋找方法和途徑，對(duì)輸電線路防雷設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用［2］。但是，大多數(shù)的研究結(jié)果，只依據(jù)了幾年的累積數(shù)據(jù)，要得出可信度較高的雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一般需要10年的數(shù)據(jù)積累。因?yàn)槔纂娀顒?dòng)與太陽(yáng)黑子有關(guān)，太陽(yáng)黑子的活動(dòng)周期約為10年。此外，雷電流幅值概率作為雷擊閃絡(luò)計(jì)算的參數(shù)之一去取值，其精確性直接關(guān)系到雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算精確性［3］。因此，找出相對(duì)精確的雷電流幅值概率計(jì)算公式十分必要。

我國(guó)大多數(shù)省市目前均已建立雷電定位系統(tǒng)，并且積累了多年的數(shù)據(jù)，在確定雷擊故障點(diǎn)的位置方面發(fā)揮了很好的作用，受到運(yùn)行調(diào)度和安監(jiān)等部門(mén)的歡迎。但在雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)方面的應(yīng)用開(kāi)拓較少，需要進(jìn)一步發(fā)揮該系統(tǒng)在雷電參數(shù)測(cè)量方面的作用，以制訂各地區(qū)的雷電參數(shù)，改進(jìn)防雷保護(hù)措施。

本文基于上海電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)積累的2001年至2010年的落雷數(shù)據(jù)，對(duì)上海市整體區(qū)域以及所屬11個(gè)子區(qū)域的正極性、負(fù)極性及綜合雷電流幅值的累積概率分布和均值分布變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和描述。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理方法

上海地區(qū)雷電定位系統(tǒng)［4］目前由8個(gè)雷電探測(cè)站組成，地理位置分布如圖1所示。雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本覆蓋了上海市11個(gè)主要行政區(qū)域，是一套全自動(dòng)、大面積、高精度、實(shí)時(shí)的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用遙測(cè)法，依據(jù)M.A.Uman提出的地閃回?fù)魣?chǎng)模型得到雷電流幅值數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)獲取的落雷電流峰值采用統(tǒng)一的雷電流幅值歸一化（100km）修正模型。在給出上海地區(qū)落雷電流幅值分布前，對(duì)目前已有的國(guó)內(nèi)電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、IEEE導(dǎo)則及CIGRE推薦的雷電流幅值分布計(jì)算式進(jìn)行介紹和認(rèn)識(shí)。

圖1 上海地區(qū)雷電定位系統(tǒng)探測(cè)站分布

2 推薦的雷電流幅值分布計(jì)算式

在雷電定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，國(guó)內(nèi)對(duì)雷電的基本參數(shù)研究較少，一些工程設(shè)計(jì)的防雷計(jì)算公式來(lái)自于國(guó)外。例如：1962—1987年在浙江新杭線安裝鋼棒進(jìn)行線路雷擊測(cè)量研究，共測(cè)得703次雷擊數(shù)據(jù)，得到了25年雷電流幅值擬合式lgPI＝－I／87.6。1997年我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL／T 620—1997）即采用了這次結(jié)果，將雷電流幅值概率取為lgPI＝－I／88.0。

早在1977年，Pobolansky根據(jù)歐洲、澳洲和美國(guó)對(duì)雷擊的觀測(cè)結(jié)果，提出用PI＝（1＋（I／25）2.0）－1計(jì)算雷電流幅值概率。以后的研究者根據(jù)不同地區(qū)的觀測(cè)，也提出了不同的計(jì)算公式，如Eriksson和Anderson提出用PI＝（1＋（I／31）2.6）－1計(jì)算雷電流幅值概率，并被IEEE Std推薦使用。還有一些類似的計(jì)算式，只是其中參數(shù)取值不同，如CIGRE推薦用PI＝（1＋（I／12）2.7）－1計(jì)算雷電流幅值概率。而算式中的參數(shù)25，31，12是反映中值電流；參數(shù)2.0，2.6，2.7是陡度系數(shù)。以中值電流25為例，大于25kA電流的概率為50%，陡度系數(shù)為2.0，反映的是該概率曲線的陡度，數(shù)值越大，表明概率曲線變化越快或越陡，參見(jiàn)圖2中的CIGRE概率曲線。反之，數(shù)值越小則表明此概率曲線越平緩，參見(jiàn)圖2中的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)概率曲線。

圖2 推薦的雷電流幅值概率分布

由f（I）＝（1－PI）′，電流取值為2kA≤I≤200kA，可以求得圖2對(duì)應(yīng)的各幅值累積概率密度分布［5］，如圖3所示。

圖3 對(duì)應(yīng)圖2的雷電流幅值概率密度分布

3 上海市整體區(qū)域的雷電流幅值分布統(tǒng)計(jì)

3.1 雷電流幅值累積概率分布

采用IEEE推薦的PI＝（1＋（I／I＇）α）－1雷電流幅值概率計(jì)算式，統(tǒng)計(jì)的上海市2001—2010年整體區(qū)域雷電流幅值分布參數(shù)，如表1所示。

表1 上海市整體區(qū)域的雷電流幅值分布參數(shù)

在2001—2010年中，雷電流幅值分布參數(shù)變化較大，其中正極性雷電流幅值分布中值參數(shù)變化區(qū)間為［17.3，68.5］，其陡度系數(shù)的變化區(qū)間為［1.4，3.5］；而負(fù)極性雷電流幅值分布中值參數(shù)變化區(qū)間為［16.8，42.1］，其陡度系數(shù)的變化區(qū)間為［2.0，3.1］，體現(xiàn)了雷電活動(dòng)隨著年份的變化，具有一定的隨機(jī)性。圖4對(duì)上海市整體區(qū)域2001—2010年數(shù)據(jù)的雷電流幅值累積概率分布給予示例。其中，負(fù)極性幅值分布的中值電流為26.669kA，陡度參數(shù)為2.344，與IEEE Std推薦算式的參數(shù)較接近。正極性幅值分布的中值電流為23.669kA，與負(fù)極性分布的中值電流相差不大，但陡度系數(shù)較小，僅為1.520。

圖4 2001—2010年的雷電流幅值累積概率分布

正、負(fù)極性10年落雷數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)后分布的中值電流為26.562kA，陡度系數(shù)為2.302，與負(fù)極性分布的兩個(gè)參數(shù)幾乎一致，這是由于正極性雷擊次數(shù)相對(duì)于負(fù)極性雷次數(shù)來(lái)說(shuō)很小引起的。

由f（I）＝（1－PI）′和表1數(shù)據(jù)，可得10年落雷數(shù)據(jù)正、負(fù)極性雷電流幅值的概率密度計(jì)算公式分別為式（1）、式（2）和圖5所示（綜合的計(jì)算公式這里不再給出，僅在圖5中給出曲線）：

可以看出，正、負(fù)極性雷電流幅值的概率密度分布相差較遠(yuǎn)。

圖5 對(duì)應(yīng)圖4的雷電流幅值概率密度分布

3.2 雷電流平均幅值

圖6 為上海市整體區(qū)域正、負(fù)極性及綜合雷電流平均幅值隨年份變化的曲線。

圖6 上海市整體區(qū)域10年的雷電流平均幅值

由圖6可以看出，正極性的雷電流平均幅值均大于負(fù)極性的雷電流平均幅值。剔除2001年和2002年兩個(gè)異常數(shù)據(jù)后，正、負(fù)極性雷電流平均幅值隨年份變化存在弱相關(guān)性，隨機(jī)性大，其中正極性雷電流平均幅值的中值電流為39.4kA，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.15kA，而負(fù)極性雷電流平均幅值的中值電流為32.0kA，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.39kA。此外，綜合雷電流平均幅值與負(fù)極性隨年份變化的分布曲線幾乎一致，這同樣是由于正極性雷擊次數(shù)相對(duì)于負(fù)極性雷擊次數(shù)來(lái)說(shuō)很小引起的。

4 上海市各行政區(qū)域的雷電流幅值分布統(tǒng)計(jì)

表2給出了上海市各行政區(qū)域2001—2010年落雷數(shù)據(jù)，依據(jù)PI＝（1＋（I／I＇）α）－1統(tǒng)計(jì)獲取的正、負(fù)極性雷電流幅值分布參數(shù)，綜合雷電流幅值統(tǒng)計(jì)的參數(shù)與負(fù)極性的參數(shù)相近，不再給出。

表2 上海各行政區(qū)域10年的雷電流幅值分布參數(shù)

表2中正極性雷電流幅值分布的中值參數(shù)其變化區(qū)間為［17.1，33.3］，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.26；陡度系數(shù)變化區(qū)間為［1.4，1.8］，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.146；而負(fù)極性雷電流幅值分布中值參數(shù)變化區(qū)間為［23.1，30.5］，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.18；陡度系數(shù)變化區(qū)間為［2.2，2.8］，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.172。體現(xiàn)了上海地區(qū)落雷電流幅值分布隨地理位置的變化，具有一定的隨機(jī)性。所得參數(shù)整體上與Pobolansky和IEEE Std推薦公式的參數(shù)較相近。

由f（I）＝（1－PI）′和表2數(shù)據(jù)，可得上海各行政區(qū)域2001—2010年負(fù)極性雷電流幅值的概率密度計(jì)算式，如表3所示。正極性雷電流幅值的概率密度計(jì)算式這里不再給出，可參考負(fù)極性的表達(dá)式形式。

表3 負(fù)極性雷電流幅值概率密度計(jì)算式

5 結(jié)論

1）上海市整體區(qū)域正、負(fù)極性雷電流平均幅值隨年份變化隨機(jī)性大，其中，正極性雷電流平均幅值的中值為39.4kA，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.15kA，而負(fù)極性雷電流平均幅值的中值為32.0kA，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.39kA。

2）上海市整體區(qū)域和各子區(qū)域2001—2010年雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲取的落雷數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到的雷電流幅值累積概率分布與IEEE Std推薦公式近似，綜合落雷電流幅值分布的中值為26.562 kA，陡度系數(shù)為2.302。

3）給出了上海市各行政區(qū)域落雷電流幅值概率密度計(jì)算式，可為上海地區(qū)輸電線路防雷差異化設(shè)計(jì)、改造和評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

［1］陳家宏，馮萬(wàn)興，童雪芳，等.雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（10）：6－10.

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