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

目前開展的實際雷電活動下的線路雷擊跳閘率計算，以雷電日和落雷密度為參數(shù)的輸電線路雷擊跳閘率計算的對比分析以及基于雷電定位系統(tǒng)的雷電流幅值統(tǒng)計分析等［1］，其主題就是欲根據(jù)不同地區(qū)實際的落雷分布情況以及參數(shù)特征，尋找方法和途徑，對輸電線路防雷設(shè)計起指導(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)計數(shù)據(jù)一般需要10年的數(shù)據(jù)積累。因為雷電活動與太陽黑子有關(guān)，太陽黑子的活動周期約為10年。此外，雷電流幅值概率作為雷擊閃絡(luò)計算的參數(shù)之一去取值，其精確性直接關(guān)系到雷擊閃絡(luò)率的計算精確性［3］。因此，找出相對精確的雷電流幅值概率計算公式十分必要。

我國大多數(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)，在確定雷擊故障點的位置方面發(fā)揮了很好的作用，受到運行調(diào)度和安監(jiān)等部門的歡迎。但在雷電參數(shù)統(tǒng)計方面的應(yīng)用開拓較少，需要進(jìn)一步發(fā)揮該系統(tǒng)在雷電參數(shù)測量方面的作用，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)，對上海市整體區(qū)域以及所屬11個子區(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)計和描述。

1 數(shù)據(jù)來源和處理方法

上海地區(qū)雷電定位系統(tǒng)［4］目前由8個雷電探測站組成，地理位置分布如圖1所示。雷電監(jiān)測系統(tǒng)基本覆蓋了上海市11個主要行政區(qū)域，是一套全自動、大面積、高精度、實時的雷電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用遙測法，依據(jù)M.A.Uman提出的地閃回?fù)魣瞿Ｐ偷玫嚼纂娏鞣禂?shù)據(jù)，并對監(jiān)測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，對目前已有的國內(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算式進(jìn)行介紹和認(rèn)識。

圖1 上海地區(qū)雷電定位系統(tǒng)探測站分布

2 推薦的雷電流幅值分布計算式

在雷電定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，國內(nèi)對雷電的基本參數(shù)研究較少，一些工程設(shè)計的防雷計算公式來自于國外。例如：1962—1987年在浙江新杭線安裝鋼棒進(jìn)行線路雷擊測量研究，共測得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年我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(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、澳洲和美國對雷擊的觀測結(jié)果，提出用PI＝（1＋（I／25）2.0）－1計算雷電流幅值概率。以后的研究者根據(jù)不同地區(qū)的觀測，也提出了不同的計算公式，如Eriksson和Anderson提出用PI＝（1＋（I／31）2.6）－1計算雷電流幅值概率，并被IEEE Std推薦使用。還有一些類似的計算式，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，參見圖2中的國內(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對應(yīng)的各幅值累積概率密度分布［5］，如圖3所示。

圖3 對應(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

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雷電流幅值概率計算式，統(tǒng)計的上海市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)了雷電活動隨著年份的變化，具有一定的隨機性。圖4對上海市整體區(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)極性分布的兩個參數(shù)幾乎一致，這是由于正極性雷擊次數(shù)相對于負(fù)極性雷次數(shù)來說很小引起的。

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算公式分別為式（1）、式（2）和圖5所示（綜合的計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)相對于負(fù)極性雷擊次數(shù)來說很小引起的。

4 上海市各行政區(qū)域的雷電流幅值分布統(tǒng)計

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算式，如表3所示。正極性雷電流幅值的概率密度計算式這里不再給出，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)測獲取的落雷數(shù)據(jù)，統(tǒng)計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算式，可為上海地區(qū)輸電線路防雷差異化設(shè)計、改造和評估提供科學(xué)依據(jù)。

［1］陳家宏，馮萬興，童雪芳，等.雷電參數(shù)統(tǒng)計方法［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（10）：6－10.

［2］陳家宏，呂 軍，錢之銀，等.輸電線路差異化防雷技術(shù)與策略［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（12）：2891－2902.

［3］李瑞芳，吳廣寧，曹曉斌，等.雷電流幅值概率計算公式［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（4）：161－167.

［4］顧承昱，張嘉旻.上海市雷電定位系統(tǒng)及對防雷安全工作的輔助作用［J］.上海電力，2003（1）：60－62.

［5］王秉均.數(shù)理統(tǒng)計在高電壓技術(shù)中的應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1990.