海拔高度對云南某地雷電參數的影響

申元，王磊，馬御棠，黃然

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明市，650217)

0 引言

電力系統防雷設計依賴于雷電參數的全面、準確統計。早期，雷電參數多通過氣象觀測獲得，其廣度和精度有限;近年來，雷電定位系統在我國大范圍應用，極大提高了雷電參數的獲取能力，通過雷電電磁場遙測技術，實現了雷擊故障點定位和雷電流計算，為輸電線路設計和防雷措施的制定提供了依據，降低了輸電線路雷擊跳閘率［1］。目前，國內雷電定位系統是基于二維平面地理信息系統(geography information system，GIS)地圖，無法直接獲得海拔高度因素和雷擊地閃點的相關性及海拔高度對雷電參數的影響［2］。云南省地形復雜，海拔高度對雷電的影響有待研究，因此有必要結合云南雷電參數定位系統和云南海拔高度數據對雷電參數作進一步分析。本文利用全球海拔高程數據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雷電參數的海拔高度特性，分析了海拔高度對雷電參數的影響原因，總結了該地區雷電參數隨海拔變化的規律。

1 海拔高程數據模型

高程數據是指空間某點沿鉛垂方向到基準水平面的距離，主要來源于全球地形數據(GTOP05/GTOP30)、航天飛機雷達地形測量數據、先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer/global digtal elevation map，ASTER GDEM)等數據集［3］。ASTER GDEM是美國航天局與日本經濟產業省于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據，覆蓋北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區域，垂直精度達20 m，水平精度達30 m［4］。本文的研究區域是云南某地，中心經緯度是 N23E103，海拔高度為 1 267～3 250 m，采用ASTER GDEM數據集來獲得海拔高程數據。

2 獲取雷擊地閃點的海拔高度屬性

與其他同類軟件相比，Global Mapper軟件具有操作簡單、計算速度快的優點［5］。利用Global Mapper軟件加載GDEM數據層，在該層上劃分網格，確定網格的形心坐標，給每個網格形心賦于海拔高度值，將形心坐標的海拔高度屬性關聯到其所在的網格內，使網格具有海拔高度屬性;統計對應海拔高度范圍內的網格數和雷擊地閃點的個數，通過計算即可得到雷電流密度和海拔高度參數的相關數據表。

3 海拔高度對雷電參數的影響

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、地質條件和地理位置有關［6］，其中氣象情況有很大的隨機性，因此只有通過大量實測才能正確估算雷電流幅值的概率分布規律。DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》給出的雷電流的雷擊概率計算公式為

式中:IL為雷電流的幅值，kA;P為幅值超過IL的雷電流出現的概率［7］。

近年來，由于在電網中應用了雷電定位系統，獲得雷電流幅值參數的能力大大增強，本文利用雷電定位系統獲得所研究區域雷擊點的雷電流幅值參數并結合Global Mapper軟件得到了相關的雷擊點三維坐標。將海拔高度1 300～3 200 m范圍按照每段100 m細分，計算每段海拔高度范圍內的平均雷電流幅值;為了獲得比較準確的海拔高度對雷電流幅值的影響，需要對雷電流幅值進行緯度修正，考慮到本文的研究區域主要集中在北緯23°附近，采用下式對不同緯度雷電流幅值進行修正:

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

由圖1可看出，該區域負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，且該地區每個海拔高度范圍內的平均正極性雷電流幅值比平均負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。

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

通過云南雷電定位系統測得的數據分析表明，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，而且還和地形、氣象有關。云南地處低緯度高原，地理位置特殊，地形地貌復雜;主要受南孟加拉高壓氣流影響形成高原季風氣候，全省大部分地區冬暖夏涼、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共7個類型的立體氣候特點。(2)許多山地的地平面海拔高度高于零度等溫度線對應的海拔高度值，而零度等溫度線附近是云層負電荷聚集最多的地方［5］，若海拔高度繼續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先導放電，從而使雷電流隨海拔高度增高而增大。

3.2 海拔高度對雷電回擊次數的影響

若一次雷電過程中雷擊次數過多，會發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。在現場曾多次發生線路避雷器爆炸和變電站斷路器遭受二次雷擊的現象。云南某地區雷擊次數與海拔高度的關系如圖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，雷電回擊次數波動較大;海拔高度為1 900～2 800 m時，雷電回擊次數隨海拔高度的增加呈總體上升趨勢。

圖2 雷電回擊次數與海拔高度的關系曲線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［6］，由于地閃密度無法直接測量，一般通過經驗公式間接推導［9］，文獻［10］提出地閃密度可直接用雷電定位系統測量的落雷次數除以受雷面積得到。本文將對象地區劃分為多個網格，統計每個海拔高度范圍內的網格個數，從而得到每個海拔高度范圍所對應的地表面積值，再關聯對應網格內的地閃點個數，即可計算出雷電流密度和海拔高度的關系，如圖3所示。

圖3 地閃密度與海拔高度的關系曲線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，負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，負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，負極性地閃密度的總體趨勢是減小的;在整個海拔高度范圍內，正極性地閃密度總體趨勢是增大的，表現出了和負極性地閃密度明顯不一樣的性質。

另外，通過比較同一海拔高度范圍內正極性地閃密度和總地閃密度，可以發現正極性地閃數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，正極性雷出現的頻率增大，建議此時應提高電網針對防護正極性雷的措施。

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

4 結論

(1)該地區的負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，正極性雷電流的平均幅值比負極性雷電流的平均幅值大得多。

(2)該地區的負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)該地區的雷電回擊次數隨海拔高度變化的總體趨勢是:在高海拔和低海拔范圍內，雷電回擊次數波動較大;在中等海拔范圍內，雷電回擊次數隨海拔高度升高而增多。。

(4)該地區隨海拔高度的上升，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.基于雷電定位系統監測數據的云南省雷電參數分析［J］.云南電力技術，2009，37(2):4-6.

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

［3］左美蓉.SRTM高程數據及其應用研究［D］.長沙:中南大學，2009.

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

［5］俞立婷.輸電線路走廊雷電觀測數據的挖掘整理［D］.武漢:華中科技大學，2007.

［6］周澤存.高電壓技術［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.雷電流參數與海拔高度高度、地理緯度關系的統計分析［J］.高電壓技術，1991，17(2):70-76.

［9］Golde R H.雷電(上卷)［M］.孫景群，譯.北京:電力工業出版社，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.