海拔高度對云南某地雷電參數(shù)的影響

申元，王磊，馬御棠，黃然

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，昆明市，650217)

0 引言

電力系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)依賴于雷電參數(shù)的全面、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。早期，雷電參數(shù)多通過氣象觀測獲得，其廣度和精度有限;近年來，雷電定位系統(tǒng)在我國大范圍應(yīng)用，極大提高了雷電參數(shù)的獲取能力，通過雷電電磁場遙測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雷擊故障點(diǎn)定位和雷電流計(jì)算，為輸電線路設(shè)計(jì)和防雷措施的制定提供了依據(jù)，降低了輸電線路雷擊跳閘率［1］。目前，國內(nèi)雷電定位系統(tǒng)是基于二維平面地理信息系統(tǒng)(geography information system，GIS)地圖，無法直接獲得海拔高度因素和雷擊地閃點(diǎn)的相關(guān)性及海拔高度對雷電參數(shù)的影響［2］。云南省地形復(fù)雜，海拔高度對雷電的影響有待研究，因此有必要結(jié)合云南雷電參數(shù)定位系統(tǒng)和云南海拔高度數(shù)據(jù)對雷電參數(shù)作進(jìn)一步分析。本文利用全球海拔高程數(shù)據(jù)獲取云南某地海拔高度信息，通過疊加二維平面GIS地圖得到雷擊地閃點(diǎn)雷電參數(shù)的海拔高度特性，分析了海拔高度對雷電參數(shù)的影響原因，總結(jié)了該地區(qū)雷電參數(shù)隨海拔變化的規(guī)律。

1 海拔高程數(shù)據(jù)模型

高程數(shù)據(jù)是指空間某點(diǎn)沿鉛垂方向到基準(zhǔn)水平面的距離，主要來源于全球地形數(shù)據(jù)(GTOP05/GTOP30)、航天飛機(jī)雷達(dá)地形測量數(shù)據(jù)、先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer/global digtal elevation map，ASTER GDEM)等數(shù)據(jù)集［3］。ASTER GDEM是美國航天局與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2009年6月30日共同推出的覆蓋面最廣、精度最高的全球電子地形數(shù)據(jù)，覆蓋北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區(qū)域，垂直精度達(dá)20 m，水平精度達(dá)30 m［4］。本文的研究區(qū)域是云南某地，中心經(jīng)緯度是 N23E103，海拔高度為 1 267～3 250 m，采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)集來獲得海拔高程數(shù)據(jù)。

2 獲取雷擊地閃點(diǎn)的海拔高度屬性

與其他同類軟件相比，Global Mapper軟件具有操作簡單、計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)［5］。利用Global Mapper軟件加載GDEM數(shù)據(jù)層，在該層上劃分網(wǎng)格，確定網(wǎng)格的形心坐標(biāo)，給每個(gè)網(wǎng)格形心賦于海拔高度值，將形心坐標(biāo)的海拔高度屬性關(guān)聯(lián)到其所在的網(wǎng)格內(nèi)，使網(wǎng)格具有海拔高度屬性;統(tǒng)計(jì)對應(yīng)海拔高度范圍內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)和雷擊地閃點(diǎn)的個(gè)數(shù)，通過計(jì)算即可得到雷電流密度和海拔高度參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)表。

3 海拔高度對雷電參數(shù)的影響

3.1 海拔高度對雷電流幅值的影響

雷電流幅值的大小主要與氣象、地質(zhì)條件和地理位置有關(guān)［6］，其中氣象情況有很大的隨機(jī)性，因此只有通過大量實(shí)測才能正確估算雷電流幅值的概率分布規(guī)律。DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》給出的雷電流的雷擊概率計(jì)算公式為

式中:IL為雷電流的幅值，kA;P為幅值超過IL的雷電流出現(xiàn)的概率［7］。

近年來，由于在電網(wǎng)中應(yīng)用了雷電定位系統(tǒng)，獲得雷電流幅值參數(shù)的能力大大增強(qiáng)，本文利用雷電定位系統(tǒng)獲得所研究區(qū)域雷擊點(diǎn)的雷電流幅值參數(shù)并結(jié)合Global Mapper軟件得到了相關(guān)的雷擊點(diǎn)三維坐標(biāo)。將海拔高度1 300～3 200 m范圍按照每段100 m細(xì)分，計(jì)算每段海拔高度范圍內(nèi)的平均雷電流幅值;為了獲得比較準(zhǔn)確的海拔高度對雷電流幅值的影響，需要對雷電流幅值進(jìn)行緯度修正，考慮到本文的研究區(qū)域主要集中在北緯23°附近，采用下式對不同緯度雷電流幅值進(jìn)行修正:

式中:I為修正前地閃點(diǎn)雷電流幅值，kA;λ為地閃點(diǎn)緯度;I23為修正到緯度23°后的雷電流幅值，kA［8］。該地區(qū)平均雷電流幅值和海拔高度的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可看出，該區(qū)域負(fù)極性雷電幅值隨海拔高度升高而增大，正極性雷電幅值隨海拔高度上升呈整體略微下降趨勢，且該地區(qū)每個(gè)海拔高度范圍內(nèi)的平均正極性雷電流幅值比平均負(fù)極性雷電流幅值要大得多，這可能是和正極性雷云在云層中的位置有關(guān)。

圖1 雷電流幅值與海拔高度的關(guān)系曲線Fig.1 The graph correlating lighting amplitude and elevation

通過云南雷電定位系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)分析表明，云南某地的總雷電流幅值隨海拔高度的增加而增加。其原因可能是:(1)雷電流幅值不僅和海拔高度有關(guān)，而且還和地形、氣象有關(guān)。云南地處低緯度高原，地理位置特殊，地形地貌復(fù)雜;主要受南孟加拉高壓氣流影響形成高原季風(fēng)氣候，全省大部分地區(qū)冬暖夏涼、四季如春;全省氣候類型豐富多樣，具有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)共7個(gè)類型的立體氣候特點(diǎn)。(2)許多山地的地平面海拔高度高于零度等溫度線對應(yīng)的海拔高度值，而零度等溫度線附近是云層負(fù)電荷聚集最多的地方［5］，若海拔高度繼續(xù)增高則雷云的電荷密度有所減少，故需要很高的雷云電勢才可能對地激發(fā)先導(dǎo)放電，從而使雷電流隨海拔高度增高而增大。

3.2 海拔高度對雷電回?fù)舸螖?shù)的影響

若一次雷電過程中雷擊次數(shù)過多，會發(fā)生防雷裝置中前次雷電流來不及泄放入地，又再次遭受雷擊的情況。在現(xiàn)場曾多次發(fā)生線路避雷器爆炸和變電站斷路器遭受二次雷擊的現(xiàn)象。云南某地區(qū)雷擊次數(shù)與海拔高度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可得出:海拔高度為1 400～1 900 m和2 800～3 200 m時(shí)，雷電回?fù)舸螖?shù)波動較大;海拔高度為1 900～2 800 m時(shí)，雷電回?fù)舸螖?shù)隨海拔高度的增加呈總體上升趨勢。

圖2 雷電回?fù)舸螖?shù)與海拔高度的關(guān)系曲線Fig.2 The graph correlating lighting back number and elevation

3.3 海拔高度對雷電流密度的影響

地面落雷密度是表征雷云對地放電頻繁程度的參數(shù)［6］，由于地閃密度無法直接測量，一般通過經(jīng)驗(yàn)公式間接推導(dǎo)［9］，文獻(xiàn)［10］提出地閃密度可直接用雷電定位系統(tǒng)測量的落雷次數(shù)除以受雷面積得到。本文將對象地區(qū)劃分為多個(gè)網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)海拔高度范圍內(nèi)的網(wǎng)格個(gè)數(shù)，從而得到每個(gè)海拔高度范圍所對應(yīng)的地表面積值，再關(guān)聯(lián)對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的地閃點(diǎn)個(gè)數(shù)，即可計(jì)算出雷電流密度和海拔高度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 地閃密度與海拔高度的關(guān)系曲線Fig.3 The graph correlating lighting density and elevation

由圖3可得出:海拔高度為1 300～1 600 m時(shí)，負(fù)極性地閃密度隨海拔高度的升高而減小;海拔高度為1 600～2 800 m時(shí)，負(fù)極性地閃密度隨海拔高度的升高而增大;海拔高度為2 800～3 200 m時(shí)，負(fù)極性地閃密度的總體趨勢是減小的;在整個(gè)海拔高度范圍內(nèi)，正極性地閃密度總體趨勢是增大的，表現(xiàn)出了和負(fù)極性地閃密度明顯不一樣的性質(zhì)。

另外，通過比較同一海拔高度范圍內(nèi)正極性地閃密度和總地閃密度，可以發(fā)現(xiàn)正極性地閃數(shù)隨海拔高度的上升而呈總體上升趨勢，如圖4所示，說明在高海拔地區(qū)，正極性雷出現(xiàn)的頻率增大，建議此時(shí)應(yīng)提高電網(wǎng)針對防護(hù)正極性雷的措施。

圖4 正極性雷占總雷次數(shù)的比例Fig.4 The proportion of positive lighting to total lighting

4 結(jié)論

(1)該地區(qū)的負(fù)極性雷電流幅值總體變化趨勢是隨海拔高度的增加而增大，正極性雷電流幅值隨海拔高度的增加變化分散性較大，但總體趨勢是減小的;在同一海拔高度范圍內(nèi)，正極性雷電流的平均幅值比負(fù)極性雷電流的平均幅值大得多。

(2)該地區(qū)的負(fù)極性雷電流地閃密度變化的總體趨勢是隨海拔高度的升高先減小，接著逐漸增大，最后又減小;正極性雷電流地閃密度變化的總體趨勢是隨海拔高度的升高而增大。

(3)該地區(qū)的雷電回?fù)舸螖?shù)隨海拔高度變化的總體趨勢是:在高海拔和低海拔范圍內(nèi)，雷電回?fù)舸螖?shù)波動較大;在中等海拔范圍內(nèi)，雷電回?fù)舸螖?shù)隨海拔高度升高而增多。。

(4)該地區(qū)隨海拔高度的上升，正雷電流地閃在總閃中所占的比重有逐漸加大的趨勢。

［1］馬儀.基于雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的云南省雷電參數(shù)分析［J］.云南電力技術(shù)，2009，37(2):4-6.

［2］陳家宏.中國電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)與雷電監(jiān)測網(wǎng)［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(3):425-431.

［3］左美蓉.SRTM高程數(shù)據(jù)及其應(yīng)用研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

［4］李永福.基于雷電定位數(shù)據(jù)的雷電流參數(shù)隨海拔高度變化規(guī)律［J］.高電壓技術(shù)，2011，37(7):1634-1640.

［5］俞立婷.輸電線路走廊雷電觀測數(shù)據(jù)的挖掘整理［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［6］周澤存.高電壓技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1988:242-246.

［7］DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.北京:中國電力出版社，1997.

［8］曾楚英.雷電流參數(shù)與海拔高度高度、地理緯度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析［J］.高電壓技術(shù)，1991，17(2):70-76.

［9］Golde R H.雷電(上卷)［M］.孫景群，譯.北京:電力工業(yè)出版社，1982:185-186.

［10］Suzuki M，Katagiri N，Ishikawa K.Establishment of estimation lightning density method with lightning location system data［C］//IEEE Power Engineering Society－1999 Winter Meeting.New York，USA:IEEE，1999:1322-1326.