丁 旻，李 強(qiáng)，吳安坤

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.浙江防雷中心，浙江 杭州 310017)

0 引言

雷電災(zāi)害是我國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。僅貴州地區(qū)2000年以來(lái)發(fā)生比較嚴(yán)重的雷電災(zāi)害就達(dá)上千起，人員傷亡達(dá)827人，造成經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元。雷電災(zāi)害已成為“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的極嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害，被 IEC稱為“電子時(shí)代的一大公害”。閃電包括云閃和地閃，其中地閃與電力、通訊系統(tǒng)、交通運(yùn)輸?shù)扰c國(guó)民經(jīng)濟(jì)關(guān)系較大的許多領(lǐng)域緊密相關(guān)，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。由地閃引發(fā)的雷擊事故正逐漸引起人們的重視。近年來(lái)，隨著閃電監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用閃電資料分析閃電特征及其防護(hù)效率能夠更加科學(xué)有效地指導(dǎo)防雷工作的開展。

1 資料來(lái)源及統(tǒng)計(jì)方法

貴州省閃電定位系統(tǒng)采用中國(guó)科學(xué)院與空間科學(xué)應(yīng)用研究中心開發(fā)的ADTD閃電定位系統(tǒng)于2007年在貴州省建成并投入使用，由分布在貴州不同地理位置的12套閃電定位儀組成，主要探測(cè)地閃，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全省閃電的實(shí)時(shí)、不間斷地監(jiān)測(cè)。每個(gè)閃電資料包括發(fā)生地的閃電經(jīng)緯度、閃電時(shí)間、強(qiáng)度、陡度和正負(fù)極性等參數(shù)。

根據(jù)貴州地區(qū)2007—2011年 ADTD閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的2 631 725次地閃數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析正、負(fù)閃電次數(shù)及其概率;把閃電強(qiáng)度≤250 kA的閃電數(shù)據(jù)以每10 kA間隔分成25個(gè)閃電強(qiáng)度段，分別統(tǒng)計(jì)各閃電強(qiáng)度段內(nèi)的地閃次數(shù)及其概率。取24時(shí)整點(diǎn)逐時(shí)段的地閃次數(shù)(如00∶00—01∶00，01∶00—02∶00，…，23∶00—00∶00)，采用這5年的平均數(shù)統(tǒng)計(jì)一年中每月地閃次數(shù);某一地區(qū)的年平均閃電密度(次/(km2·a))根據(jù)每平方公里的年平均地閃次數(shù)求出。

2 結(jié)果與分析

2.1 地閃總體特性

通過(guò)統(tǒng)計(jì)2007—2011年的地閃資料表明，貴州地區(qū)年地閃次數(shù)在4×105～74×105次之間，年均地閃次數(shù)為526 345次。這5年共監(jiān)測(cè)到地閃2 631 725次，其中正地閃 94 091次，負(fù)地閃2 537 634次，分別占總地閃數(shù)的3.6%、96.4%。主要原因是對(duì)流云體的下部主要為負(fù)電荷，云體的上部主要為正電荷，因此，負(fù)閃云更易發(fā)生在主體部分和地面之間。貴州地區(qū)正地閃占總地閃數(shù)的概率，與焦雪［1］等研究的江蘇省2006—2009年正地閃占總地閃數(shù)的4.2%、王學(xué)良［2］等研究的2006—2007年湖北地區(qū)正地閃占總地閃數(shù)的3.8%基本一致，但與北京、山東［3－4］等地區(qū)的正地閃概率在12%左右有較大差別。平均地閃強(qiáng)度為38.0 kA，平均負(fù)地閃強(qiáng)度為37.4 kA，平均正地閃強(qiáng)度為54.2 kA，正地閃強(qiáng)度高于負(fù)閃，此監(jiān)測(cè)結(jié)果與之前一些學(xué)者的結(jié)論一致［1］。根據(jù)云中電荷守恒的原理，負(fù)閃發(fā)生的次數(shù)多于正閃，單次正閃的強(qiáng)度就應(yīng)比負(fù)閃強(qiáng)。

表1 地閃總體特征Table 1 The general characteristics of lightning

2.2 地閃次數(shù)日變化

從圖1可以看出，貴州地區(qū)正地閃和負(fù)地閃的發(fā)生存在明顯的日變化，呈單峰型。正地閃的高頻發(fā)生時(shí)段主要在18時(shí)至次日05時(shí)，每小時(shí)的發(fā)生頻次在4.5%～7.3%。負(fù)地閃集中出現(xiàn)在15時(shí)至次日02時(shí)，占全天的79.3%，每小時(shí)的發(fā)生頻次在5.1% ～7.2%，說(shuō)明貴州地區(qū)此段時(shí)間是對(duì)流性雷電天氣相對(duì)集中發(fā)生期，也是雷電防御的關(guān)鍵時(shí)段。正地閃次數(shù)變化出現(xiàn)明顯落后于負(fù)地閃次數(shù)變化的現(xiàn)象，落后3個(gè)小時(shí)，這一現(xiàn)象跟雷雨云的電結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于負(fù)電荷中心離地面近，正電荷中心離地面遠(yuǎn)，所以負(fù)地閃一般先于正地閃發(fā)生。

2.3 地閃次數(shù)月變化

圖1 貴州地區(qū)正地閃(a)和負(fù)地閃(b)次數(shù)距平日變化Fig.1 The anomaly of the positive and negative lightning’s Daily variation in Guizhou.(‘a(chǎn)’stand for positive lighting，‘b’stand for negative lighting)

貴州地區(qū)地閃次數(shù)月變化呈單峰型，在6—8月達(dá)到峰值，約71.1%的地閃發(fā)生在這三個(gè)月(圖2)，其中6月地閃最為頻繁，占全年地閃總數(shù)的27.50%。從3月開始，地閃次數(shù)逐漸增加，這跟從該月起貴州地區(qū)氣溫上升，熱力作用逐漸加強(qiáng)，對(duì)流活動(dòng)逐步增多有關(guān)，6—8月空氣中的水汽含量最為充足，對(duì)流旺盛，溫暖潮濕的上升氣流是雷暴產(chǎn)生的必要條件，正負(fù)電荷在云中不同部位的形成和累積，致使閃電次數(shù)顯著增多［5］，幾乎每天都有地閃，9月以后天氣開始轉(zhuǎn)涼，空氣干燥，地閃次數(shù)迅速減小。全年每月基本是負(fù)閃明顯多于正閃，其中，1月正負(fù)閃比最大達(dá)到0.8∶1;其次是12月、2月，正負(fù)閃比分別為 1∶2、1∶5;貴州地區(qū)冬季正地閃比例高。閃電最頻繁的6、7、8 月正負(fù)閃比例分別為 1∶26、1∶30 和 1∶46。

圖2 貴州地區(qū)正地閃(a)和負(fù)地閃(b)次數(shù)月變化Fig.2 The number of the positive and negative lightning’s monthly variation in Guizhou.(‘a(chǎn)’stand for positive lighting，‘b’stand for negative lighting)

2.4 地閃次數(shù)的區(qū)域分布特征

以貴州省各行政區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)分析，地閃次數(shù)最高是畢節(jié)市，可達(dá)93 479次/a，其次為遵義市、黔西南州、黔南州、六盤水市，地閃次數(shù)均大于5×104次/a。若以各行政區(qū)域單位面積的地閃次數(shù)(即地閃密度)來(lái)看，六盤水市最高，達(dá)到5.3次/(a·km2);其次是安順市、黔西南州、畢節(jié)市，均大于3次/(a·km2);再次是遵義市、貴陽(yáng)市、銅仁市、黔南州，都在 2次/(a·km2)以上。地閃密度最少的地州是黔東南州僅1.4次/(a·km2)。

圖3 貴州地區(qū)地閃次數(shù)、地閃密度區(qū)域分布Fig.3 The regional distribution of lightning number and the lighting density in Guizhou

2.5 雷電流幅值分布特征

貴州地區(qū)雷電流幅值主要分布在10～50 kA，占總地閃數(shù)的81.06%，其中20～30 kA的雷電流最為頻繁發(fā)生，占總地閃數(shù)的29.56%;雷電流幅值小于10 kA的概率為0.45%;大電流地閃(雷電幅值大于100kA)的概率為2.10%。雷電流幅值的日分布呈單峰型，波峰時(shí)間發(fā)生在07至12時(shí)，平均幅值為42.76 kA。雷電流幅值的月分布同樣呈單峰型，波峰時(shí)間發(fā)生在12月、1月，平均幅值為104.95 kA，其中12月雷電流幅值達(dá)108.84 kA，為平均幅值的2.89倍。

在發(fā)生的94 091次正閃中，平均雷電流幅值為54.2 kA，主要分布范圍為15～72 kA，該幅值范圍內(nèi)的正閃次數(shù)占到全部正閃次數(shù)的71.0%，而幅值為44.4～44.5 kA的正閃頻數(shù)最高，達(dá)到134次，占全部正閃次數(shù)的0.4%。正閃雷電流幅值分布雖然相對(duì)集中，但在強(qiáng)度的各個(gè)區(qū)間均有較大波動(dòng)，即在大的分布特征下，呈現(xiàn)小的“波浪”型變化。2 537 634次負(fù)閃中，平均雷電流幅值為37.4 kA，主要分布范圍是8～59 kA，該幅值范圍內(nèi)負(fù)閃次數(shù)占到全部負(fù)閃次數(shù)的84.9%，與正閃相比，負(fù)閃相對(duì)更集中。幅值為28.6～28.7 kA的負(fù)閃頻次最高，達(dá)到4 784次，占全部負(fù)閃次數(shù)的0.5%。從總體情況看，雷電流幅值總體分布特征與負(fù)閃極其相似，雷電流幅值在20～40 kA范圍內(nèi)落雷密度比較大，而在40 kA以后呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)。

3 雷電防護(hù)效率分析

3.1 繞擊率分析

接閃器的保護(hù)作用在于引雷于自身，以保護(hù)物體免受直擊雷擊。但這種保護(hù)作用不是百分之百有效。屏蔽失效所占的比重，即繞過(guò)接閃器直擊物體的次數(shù)與雷擊總數(shù)之比，即為繞擊率。GB50057—2010［6］提供的電氣 －幾何模型如下:

式中:hr為擊距，也可規(guī)定為滾球半徑;I是指hr相對(duì)應(yīng)的最小保護(hù)雷電流幅值(kA)，即比該雷電流小的雷電流可能擊到被保護(hù)的空間。

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出，第一、二、三類防雷建筑物所對(duì)應(yīng)的最小保護(hù)雷電流幅值分別是5.4、10.1、15.8 kA，也就是說(shuō)當(dāng)雷電流幅值小于上述幅值時(shí)，處于接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的物體，可能遭受直擊雷危害。根據(jù)貴州地區(qū)閃電資料統(tǒng)計(jì)，雷電流幅值小于5.4、10.1、15.8 kA的概率分別是0.02%、0.47%和6.86%;則貴州地區(qū)第一、二、三類防雷建筑物直擊雷防雷效率分別為99.98%、99.53%和93.14%。表3統(tǒng)計(jì)分析了貴州地區(qū)9個(gè)地州的雷電流幅值情況，可以看出9個(gè)地州的不同雷電流幅值的繞擊率與反擊率差異較大。其中，黔東南苗族侗族自治州雷電流幅值小于5.4 kA的概率最大，為0.09%，高于貴州地區(qū)4.5倍，說(shuō)明該州第一類防雷建筑物最易遭受雷電繞擊;雷電流幅值小于10.1、15.8 kA概率最大的地州為黔西南布依族苗族自治州，說(shuō)明該州第二、三類防雷建筑物最易遭受雷電繞擊。這兩個(gè)地州在直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)減小滾球半徑hr的值，以達(dá)到減小繞擊率的目的。

3.2 反擊率分析

處于地電位部件遭受雷擊時(shí)電位升高到某一數(shù)值而引起的相對(duì)地絕緣或部件之間閃絡(luò)次數(shù)與遭受雷擊總次數(shù)之比，即為反擊率。雷擊電流通過(guò)防雷裝置時(shí)所產(chǎn)生的高電位會(huì)使防雷裝置與被保護(hù)物或與其有聯(lián)系的金屬物之間發(fā)生反擊，所以應(yīng)使防雷裝置與這些物體之間保持一定的安全距離。安全距離由電阻電壓降和電感電壓降相加而得［6］。

表2 第一、二、三類防雷建筑物直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)的繞擊率和反擊率Table 2 the shielding failure rate and the counter-attack rate of the three-grade lightning Protection category

表3 各地州雷電流幅值的繞擊率和反擊率Table 3 The shielding failure rate and the counter-attack rate according to each region’s lightning current amplitude

地上部分的安全距離:

式中:Sa為地上部分安全距離(m);I為雷電流幅值(kA);Ri為接地裝置的沖擊接地電阻(Ω);ER為空氣的電阻電壓降擊穿強(qiáng)度，取值為500 kV/m;L0為引下線或避雷針的單位長(zhǎng)度電感，取值為1.5 μH/m;hx為被保護(hù)物或計(jì)算點(diǎn)的高度(m);dI/dt為雷電流陡度(kA/μs);EL為空氣的電感壓降擊穿強(qiáng)度(kA/m)，其值為EL=600(1+1/T1)(kA/m)，T1為雷電流波形波頭時(shí)間(μs)。

根據(jù)式(2)就可以推導(dǎo)出不同防雷類別建筑物的地上和地下的安全距離Sa和Se1(其中Se1=IRi/ER)，但是如果雷電流幅值大于200 kA、150 kA和100 kA時(shí)，貴州地區(qū)第一、二、三類防雷建筑物反擊率分別為0.45%、1.08%和3.17%，因此，按照第一、二、三類防雷建筑物安全距離計(jì)算時(shí)，將分別會(huì)有0.45%、1.08%和3.17%左右的反擊率發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)貴州省的地閃較集中的發(fā)生在每年的6—8月，并且集中在15時(shí)至次日凌晨2時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)這些時(shí)段的雷電預(yù)警與防護(hù)工作，電器、電子設(shè)備與儀表應(yīng)盡可能暫時(shí)停止運(yùn)行，人員應(yīng)盡可能避免外出、戶外勞作等。

(2)貴州地區(qū)正地閃次數(shù)月分布與負(fù)地閃相比，存在著明顯的差異，全年每月都是負(fù)地閃次數(shù)明顯多于正地閃;正地閃和負(fù)地閃的次數(shù)分別占總地閃數(shù)的3.6%、96.4%。

(3)正地閃的高頻發(fā)生時(shí)段主要在18時(shí)至次日05時(shí)，負(fù)地閃集中出現(xiàn)在15時(shí)至次日02時(shí)，出現(xiàn)正地閃頻次日明顯落后于負(fù)地閃日變化的現(xiàn)象，落后3個(gè)小時(shí)。

(4)以貴州省各行政區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)分析，閃電頻次最高是畢節(jié)市，可達(dá)93479次/a，地閃密度最高是六盤水市，達(dá)到5.3次/(a·km2)。

(5)貴州地區(qū)雷電流幅值主要分布在10～50 kA，占總地閃數(shù)的81.06%;大電流地閃(雷電幅值大于100kA)的概率為2.10%。雷電流幅值的日分布、月分布均呈單峰型，日分布的波峰時(shí)間發(fā)生在07至12時(shí)，平均幅值為42.76 kA。月分布波峰時(shí)間發(fā)生在 12月、1月，平均幅值為104.95kA。

(6)貴州地區(qū)雷電流幅值小于 5.4、10.1、15.8kA的概率分別為0.02%、0.47%和6.86%，因此，貴州地區(qū)第一、第二、第三類防雷建筑物直擊雷防雷效率為99.98%、99.53%和 93.14%。雷電流幅值大于200 kA、150 kA和100 kA的概率分別為0.45%、1.08%和3.17%，因此，按照第一、二、三類防雷建筑物安全距離計(jì)算時(shí)，將會(huì)有0.45%、1.08%和3.17%的反擊率發(fā)生。

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