（电气工程专业论文）河北南网雷电活动分析研究.pdf

一 l 声明尸明 i i l ftlii f ll ll ii l li if li 17 8 5 9 3 3 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文河北南网雷电活动分析研究，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：皇望竺； 日期：兰竺! ：j ： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：塑! 竺：! ：! !日期：! ! ：! ：! ： 一 t | 一 j 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 为了正确统计基于雷电定位系统测量数据的雷电参数，在介绍和分析了雷电监 测资料的基础上，提出了雷电监测资料统计样本库的概念和处理方法；提出了适用于 基于现代雷电自动监测资料的雷电日、地闪密度、地面落雷密度、地闪频数的网格 统计法；提出了与传统气象资料的比对研究的方法和条件，推荐了适用于雷电流幅值 分布的数学表达式。建立一个科学、规范的分析和统计方法，对我国已经展开的大规 模雷电参数及其分布的统计研究具有重要意义。 关键词：雷电参数，雷电定位，监测资料，统计样本 a b s t r a c t t og e tc o r r e c tl i g h t n i n gp a r a m e t e r sb a s e do nl i g h t n i n gl o c a t i o ns y s t e m ，ac o n c e p to f s t a t i s t i c a ls a m p l i n gd a t a b a s ei s p r e s e n t e d ，a sw e l la st h er e a s o n a b l ea n da c q u i s i t i v e m e t h o df o rb u i l d i n gt h ed a t a b a s ei sg i v e na f t e ri n t r o d u c i n ga n da n a l y z i n gt h eg r e a td e a l o fd e t e c t i o nd a t a t h ep a p e rp r e s e n t st h eg r i dm e t h o df o rs t a t i s t i ca n da n a l y s i so fs o m e r e p r e s e n t a t i v el i g h t n i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha st h u n d e r s t o r md a y , f l a s hd e n s i t y , 7 ，a n ds oo n ， o nt h eb a s i so ft h em o d e ml i g h t n i n gd e t e c t i o nd a t a h o w e v e r , t h em e t h o d sa n d c o n d i t i o n sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s ei n t r a d i t i o n a l m e t e o r o l o g i c a ld a t a ap r o p e r e x p r e s s i o nf o r c u m u l a t i v ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fc l o u d - g r o u n df l a s h e sc u r r e n t a m p l i t u d ei sr e c o m m e n d e d i ti so fv e r yi m p o r t a n c ea n ds i g n i f i c a n c et og e tas c i e n t i f i c ， c a n o n i c a ls t a t i s t i c a la n da n a l y t i e a lm e t h o d ，e s p e c i a l l yf o r s t u d yo fc o m p r e h e n s i v e l i g h t n i n gp a r a m e t e r sc h a r a c t e r i s t i ca n di t sd i s t r i b u t i o nr u l e k e yw o r d s ：l i g h t n i n gp a r a m e t e r s ，l i g h t i n gl o c a t i o n ，d e t e c t i o nd a t a ，s t a t i s t i c a l s a m p l e w a n gx u e b i n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s sp r o f l iy a n q i n g 。3 1 j 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景。1 1 2 研究现状：1 1 3 本文主要工作。2 第二章基于雷电定位系统统计雷电参数的方法3 2 1 表征雷电特征的基本参数。3 2 2 雷电参数定义4 2 - 3 雷电参数统计样本。4 第三章河北南网典型雷电参数统计分析1 2 3 1 地闪总数1 2 3 2 地闪密度一1 4 3 2 1 地闪主放电密度j 1 4 3 2 2 后续放电密度一1 7 3 2 3 地闪密度与传统规程异同性的比较。1 9 3 2 4 地闪密度与地形的关联性分析2 0 3 3 雷电流幅值统计。2 l 3 3 1 平均电流2 l 3 3 2 雷电流幅值分布2 3 3 4 其他雷电参数2 9 3 4 1 正极化率2 9 3 4 2 平均回击3 l 3 4 3 雷电日3 3 3 5 各行政区之间典型雷电参数的比较3 7 第四章雷击故障点的分布特点3 9 4 1 雷击故障点分布。3 9 4 2 雷击故障点的地形特征4 0 4 3 雷击故障与地闪密度分布的关联性分析4 2 第五章危险雷电分布图的研制4 7 5 1 危险雷电分布的提出4 7 华北电力大学工程硕士学位论文目录 _ 一。 _ 5 2 危险电流范围的确定4 9 5 3 危险雷电分布图。5 1 5 3 15 0 0 k v 电网。5 1 5 3 2 小结6 0 第六章小结6 2 参考文献6 4 致谢6 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 7 i i 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 界是仅次于暴雨洪涝、气象地质的十大自然灾害之一，严重威胁电 是影响电力系统雷电跳闸故障的首要环境因素。电网雷电防护是世 界各国的电力工作者一直希望攻克的难题。据统计，国内各地电力系统故障由雷击 所引起的比重达到4 0 - 7 0 。在国外，雷击对电网的影响也较为严重。在日本， 5 0 以上电力系统事故是由于雷击输电线路引起的；c i g r e 公布的美国、前苏联等 1 2 个国家输电线路在连续三年运行中雷害事故占总事故的6 0 。雷害长期困扰电 网，近年来超高压电网的雷击事故还呈加剧之势。 河北南网主要位于河北平原一带，雷电活动相对南方、华东地区较弱，但雷击 事故也较为严峻。为更好掌握雷电活动情况，为电网雷电监测、雷击事故查询等提 供重要依据，河北南网于上世纪九十年代末即建立了雷电定位监测系统。雷电定位 系统( l i g h t n i n gl o c a t i n gs y s t e m ，l l s ) 是一种大面积、高精度、全自动、实时性 雷电监测网。该系统采用g i s ( 地理信息系统) 、g p s ( 全球卫星定位系统) 和r s ( 遥测系统) 等先进的现代技术，自动实时遥测雷击发生的时间、地点、雷电流幅 值、极性和回击次数等雷电特征参数。多年的运行应用经验表明，雷电定位系统在 迅速查找雷击故障点、优化调度、保证系统安全运行以及进行雷电观测、掌握雷电 活动规律方面发挥了重要作用。 1 2 研究现状 雷电定位系统出现之前，由于经济和技术条件的限制，国内对雷电基础参数的 研究甚少，一些工程防雷计算公式主要来自于局部地区或线路的监测资料或直接借 鉴采用国外的公式。如我国1 9 9 7 规程交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 ( d l t 6 2 0 1 9 9 7 ) o 中雷电流幅值概率表达式i g 毋= 一8 8 仅是根据浙江新杭线 1 9 6 2 - - 1 9 8 7 年的磁钢棒测量数据拟合得到的；在我国普遍使用的气象雷电日数据仅 是根据人耳在气象观测站粗略监测得到的；对于地面落雷密度m 和雷电日t d 之间 的关系则是直接借用的国外公式：国际大电网会议3 3 委员会的推荐计算式 。= 0 0 2 3 t ：j 次( k i n 2 t d ) 0o 由于雷电活动受地形地貌、地理位置的影响，随气 候的变化而变化，因而上述各种参数的取法并不能科学完整的反映我国各地区的雷 电特征，据此做出的防雷设计及保护措施收效有限。同时，雷电参数的缺乏也使我 国防雷保护措施带有较大的盲目性，技术经济水平不高。 国际上，主要发达国家已基本上建立了雷电自动监测网，用于雷电监测和预报， kl 华北电力大学工程硕士学位论文 同时也为雷电的防护及科学研究提供有用的信息。如美国、加拿大、法国、英国、 澳大利亚、日本、巴西、比利时、新加坡等国都相继建成了雷电监测网。极大地促 进了这些国家在雷电防护、短时天气预报与服务、云物理和化学研究等领域的发展。 在雷电参数方面的研究更加全面，如美国利用其覆盖全国的雷电监测网( n l d n ) 的监测数据统计得到了不同区域的正负雷电流幅值、波头时间、波尾时间、陡度、 回击速度、总电荷量等的分布情况，及各特性参数间的相关特性【3 1 。曾把美国分为 中部、东南部和西北部三部分进行分析，三部分的雷电特性参数各不相同，证实了 雷电特性参数与地理位置有关。澳大利亚雷电探测与信息系统( a l d i s ) 的运行数 据统计指出该国雷电首击和后续雷击的电流幅值比例并不是通常所认为的2 ：l o 。 韩国电力公司根据其雷电定位跟踪系统( l p a t s ) 测得的数据经过统计分析得到了 雷电流幅值概率分布等特性参数，并将其用于韩国电力系统的防雷性能计算中，如 计算雷击跳闸率；对1 5 4 k v 和3 4 5 k v 双回同塔和四回同塔的输电线路进行了雷击跳 闸率计算，得出四回同塔线路的雷击跳闸率明显高于双回同塔线路的雷击跳闸率， 并根据此结果提出对四回同塔的输电线路应装设三条地线o 。美国、日本相继利用 其全国雷电监测网对十年雷电监测数据进行了统计分析，南非等国也在开展相应雷 电参数统计公司。 经过十多年的发展，我国雷电定位系统已经积累了海量雷电自动监测数据，可 以充分利用这些数据分析各地雷电活动分布规律，编制落雷密度分布图，挖掘雷电 基础参数，为指导雷电防护措施的针对性配置，提高全线雷电配置技术经济水平， 降低雷击跳闸率服务。 1 3 本文主要工作 本项目由河北省电力研究院提出，由国网电力科学研究院承担，以河北南网雷 电定位系统2 0 0 3 年 - 2 0 0 8 年监测数据为基础资料对河北南网雷电分布特征进行分 析，过程中借鉴了其它网省系统的测量数据和统计经验。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 基于雷电定位系统统计雷电参数的方法 的基本参数 用的需要或者研究的需要，要用一些参数来表述雷电的特征， 数也不尽相同，此处仅列举一些电力部门希望掌握的参数。随 着电力工业技术的发展，对雷电参数的要求越来越多，越来越细。另一方面，随着 雷电观测技术的进步，能够提供的参数也越来越多和越来越细，但两相比较后者仍 滞后于前者。其原因大致有三：一是观测技术的发展跟不上需要的要求；二是对观 测的投入不足；三是数据的积累需要较长的时间。 雷电是自然现象，对观测者而言，只能守株待兔。火箭引雷虽然能增加观测的 机会，但引发的雷并不能完全代表自然雷。特别是不能代表自然雷的首次闪击的情 况；影响雷击特征的因素很多，一个地区的观测结果并不能任意移用于其他地区； 对雷电特征参数需要用统计的方法处理，样本不够多，观测时间不足够长，得出的 结果的可信度是不高的，文献。中指出一年的平均雷电日约有3 5 - 4 0 的标准偏差， 5 年的则约有3 0 ，而1 0 年的也约有2 5 。一般认为，雷电活动与太阳黑子有关， 太阳黑子的活动周期约为l o 年，所以以1 0 年为期是合理的。 电力部门常用的雷电参数主要有： 1 ) 雷电日； 2 ) 雷电小时； 3 ) 对地落雷密度； 4 ) 雷电流幅值； 5 ) 雷电流波前时间； 6 ) 雷电流半峰值时间； 7 ) 雷电流最大陡度； 8 ) 云一地雷放电梯级先导中电荷分布。 实用观点来说，对地落雷密度比雷暴日更精密更科学一些。雷电定位系统的出 现，给长时间、大范围收集雷电数据提供了便捷途经，同时应注意区分出首次雷击 和后续雷击。因为已有知识和测量数据表明，两者的差别比较大，在计算是否绕击 时须使用首次雷击的数据，在计算绕击是否引起跳闸时还须用后续雷击的电流幅值 进行核算。 目前，雷电定位系统尚不具备测量雷电流波形的能力，只能依靠已有的知识和 华北电力大学工程硕士学位论文 数据进行推演，其中包括最大陡度，先导通道中的电荷分布和相关系数，尤其是相 关系数，目前尚无成熟的推演方法。 2 2 雷电参数定义 根据雷电遥测原理及雷电定位系统测量数据，本课题研究对象主要是雷电日、 地闪密度、雷电流幅值概率分布参数。与传统测量手段获取雷电参数相比，科学地 应用雷电定位系统测量数据，可以获取更能准确反映雷电活动特征的新雷电参数： 雷电日：按照世界气象组织给出的定义，在气象站听到雷声的观测日叫雷电日， 也称雷暴日。传统意义上的雷电日标志就是指人在当日能够听到( 通常情况下距离 闪电源1 5 k m - - - 3 0 k m 的范围) 至少一次雷声。雷电定位系统作为现代化全自动、大 面积、高精度、实时雷电监测系统，完全革新了雷电资料收集方式，因此其统计雷 电日的方法亦是全新的，本课题采用网格法统计雷电日。网格法是指对被统计区域 进行等面积( 如0 2 。0 2 。) 划分，每个网格每天为一个统计单元。一般用年雷 电日统计。 雷电小时：是指听到雷声的该小时。本课题采用网格法统计雷电小时，每个网 格每小时为一个统计单元。一般用年雷电小时统计。显然，雷电的频繁程度用雷电 小时描述比雷电日更确切。 。 地闪密度：即统计区域里每平方千米的地面雷击点数，对应网络法即为每个网 格的雷电总数除以网格面积。一般用年平均地闪密度表示( n k m 2 a - 1 ) 。 地面落雷密度：即y 值，它等于地闪密度除以年雷电日( n k m 2 d 1 ) 。 地闪频数：地闪密度除以年雷电小时( n h 1 ) 。 雷电流幅值概率分布：分主放电正、负极性雷电流幅值概率分布及次续放电正、 负极性雷电流幅值概率分布。 2 3 雷电参数统计样本 雷电定位系统的测量数据是研究雷电参数的基础资料。测量数据又分探测站原 始接收数据( r a w ) 和系统定位数据( f d ) 。在雷电定位系统运行中，f d 是根据 实时收到的2 站及2 站以上r a w ( 时间、方向、磁场相对信号强度等) 实时求解得 到的数据，雷击点位置坐标、时间、雷电流幅值、极性、回击特性等，并将其发给 系统用户，主要是满足用户对雷击点的快速查询需求。但是，在处理研究雷电参数 长时间统计样本时一般是选择r a w 作为基础资料，而未直接采用f d ，其原因是： 部分r a w 因联网原因未实时参入计算；部分基于2 站或3 站计算的f d 可能存 在一定非真实性；用新研发成果直接重算r a w 更能保证统计样本完整和一致性。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 收集来的华北历年雷电定位系统测量原始数据进行重算，并确定统 最新定位模型( 队m 0 5 ) 及雷电流l o o k m 归一化修正模型，较好地 定位系统测量数据的一致性问题。 统是基于电磁遥测法，在2 站定位时，易受探测站站址周围噪声干 位数据存在不确定性；在3 站定位时，为了避免丢失重要的实时查 询信息，会暂存部分在探测站站位基线区域的双曲线定位中的数学解；3 站及多站 计及系统综合测量时钟误差，l l s 会在站位基线的延长线区域产生定位点汇聚。上 述数据对以查询雷击点为主的用户而言，是一种增大保险系数的做法，不影响实时 查询应用，但对于参数统计而言，上述数据会严重影响雷电参数的自然分布，会出 现以探测站站位为中心或站位基线延长线附近的堆积见图2 1 。在图2 1 中，三个点 代表探测站，若由第三站集中反映系统综合测量误差l u s ，则在三站布置下的定位 点会产生如图所示的分布。 图2 - 1 三站布置。f 的定位点分布 因此，在进行雷电参数统计时，应以原始数据为基础，对其进行重算，采用较 为可靠的3 站及以上定位数据，并剔除3 站双解汇聚区域数据，得到各种雷电属性 参数，再在此基础上进行各种雷电参数的统计。 华北是较早发展雷电定位系统的地区之一，从1 9 9 6 年发展至今，已经具有覆 盖京津唐、山西、河北、内蒙的3 9 个探测站。其中京津唐地区雷电定位系统由张 家口、抚宁、承德、宁河、三河、遵化、丰宁、围场、房山9 个探测站组成，其中 遵化、丰宁、围场、房山四个站是2 0 0 4 年加入运行的探测站。河北南网雷电定位 系统由邯郸、石家庄、衡水、保定、沧州五个探测站组成。山西省雷电定位系统从 1 9 9 8 年始建，发展到目前有1 2 个探测站，分别是：大同、广灵、朔州、忻州、阳 泉、离石、平遥、襄垣、临汾、晋城、运城、保德站。因雷电定位系统初运行那几 年其规模较小，运行状态相对较差，得到的雷电监测数据量较小，对雷电参数的统 计从2 0 0 3 年开始，分析河北南网2 0 0 3 年一- 2 0 0 8 年6 年的雷电参数特征。华北雷电 华北电力大学工程硕士学位论文 探测站布置示意图见图2 2 所示。 图2 - 2 ，霄电探测站布置示惹图 ( 1 ) 重算定位模型( p a m 0 5 ) p a m 0 5 采用时间窗分组机制选择t d f 原始接收数据：一段时间内的原始数据 按t d f 标定雷电信号达到时间的先后顺序从小到大排序，计算相邻原始数据的时间 差( 第1 个与第2 个、第2 个与第3 个第t 1 个与第t 个) ，如果时间差值超出 0 0 0 1 s 时间窗，则该数据以前的那些数据就归为一组，从该数据开始又重新进行时 间窗判别，依次分出多组数据，可以得到m 大组数据，也就是说同一组数据中前后 两个数据的时间差在0 ；0 0 1 s 内。在0 0 0 1 s 内电磁波的传播距离为o 0 0 1 s x3x1 0 8 m s - - 3x 1 0 5 m - - 3 0 0 k m 。相邻的探测站间的站距一般为1 0 0 2 0 0 k m ，都小于3 0 0 k i n 。 因此用0 0 0 1 s 来对探测站监测数据进行分组，将3 0 0 k m 外的探测站监测的数据分到 另一组中。 p a m 0 5 采用冗余法优化定位计算，分2 站定位、3 站定位、大于3 站多站定位。 2 站定位( 1 个时差4 - 2 个方向观测值) 1 个时差+ 1 个方向观测值一第一个解 1 个时差+ 另1 个方向观测值一第二个解 用二乘法综合求解，最终解的时间偏差为0 。两个方向偏差不为0 。 3 站定位( 2 个时差+ 3 个方向观测值) 2 个时差一2 个解； 6 1 华北电力大学工程硕士学位论文 用方向观测值来进行优选双解判别，偏差值大的打上叉的标志。 多站定位( n 1 个时差+ n 个方向观测值) ， 三站两两组合，求出n ( n 1 ) 枣( n - 2 ) 6 个解。将每个解进行反算，得到每个站的 时间偏差( 1 3 # s 合格) 和方向偏差( 5 。合格) 。时间符合数最大的解为最终解； 时间符合数最大的有多个的话，则利用时间符合站的时间平均偏差最小的来选择最 终解；如还不能选择出最终解，则利用时间符合站的方向平均偏差最小的来选择最 终解。 p a m 0 5 对回击进行了重新定义：时间差l s 、空间间距1 0 k i n 闪击束归为一 个完整地闪放电过程。地闪主放电的回击数标为n ( 最大值为1 4 ) ，后续回击的回击 分别标为一1 、一2 一( n 1 ) 。 ( 2 ) 雷龟流峰值误差影响因素及归一化( 1 0 0 k m ) 修正模型 由于辐射场受传播路径地形地貌及传播衰减、探测站放大器精确度等因素影 响，根据各个t d f 测算的雷电流数值有一定分散性。 归一化处理是合适的数学处理方法，将各个参入计算的信号强度值归算至 ， f r - 1 0 0 1 1 0 0 k m ，可用删= u x ( _ 孟) 6 丑7 表示，由于目前我国尚缺乏雷电流直接 测量值及其与雷电定位系统测量计算值的比对，故在本课题研究中直接引用奥地利 推荐 z ，上式中参数b 值取1 1 3 ，入值取1 0 0 0 0 0 k m 。 在雷电流归一化( 1 0 0 k m ) 修正模型中，每个探测站计算的峰值电流为 = 避芋u 式中，r 为探测站与雷击点的距离， u 为探测站测量的信号强度 l i 【1 ，6 0 0 ，如果该值不在该区间内，则强制置为相应的边界值。 7 ( 2 - 1 ) p h 华北电力大学工程硕士学位论文 - ，_ _ _ _ 一 - ，一 _ ，一 _ ， 范墨0 m ) 图2 - 3 归一化改进算法与老算法问的变化量 ( 3 ) 探测效率分析 探测效率是指探测到的雷电数目占总地闪数目的百分比。同传统雷电测量相 比，雷电定位系统测量的雷电信息量大、面积广是显而易见的优点，但由于其技术 复杂且影响因素众多，使得其测量数据与系统状态及环境的关联性极强。影响数据 样本准确性的最大因素是雷电定位系统探测效率不易确定。探测效率与雷电特性包 括地闪辐射能量、地闪波形特征，传播所经过的地形地貌、探测站背景噪声，系统 运行状态，所处区域覆盖效果等诸多因素有关。 检验l l s 探测效率的直观方法是火箭引雷试验。1 9 9 8 - 2 0 0 0 年广东省电力试 验研究所在广州进行火箭引雷试验，对l l s 测量数据进行了校验。1 9 9 8 年7 月2 5 日广东省电力试验研究所利用日本歧阜大学闪电自动观测仪a l p s 5 0 观测到2 2 次 自然闪电( 时间精确到微秒) ，广东省l l s 全部探测出来这2 2 次闪电( 时间同步到m s 级) ，雷电定位计算的电流强度为1 6 1 k a 至6 0 6 k a 。试验结果很好地验证了广东省 雷电定位系统在从化地区的探测效率。 目前工程技术界无法计算校核出系统探测效率误差的情况下，只能采用试验的 方法测试雷电定位系统的探测效率。l l s 应用于电网的雷击故障点检测率亦是在一 定程度上对探测效率的检验。这里给出表2 1 的统计结果具有较大的代表性。 熹 兰。 e一； 一九 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 1 广东省电网雷电定位系统运行数据1 9 9 7 - - 一2 0 0 4 统计表 年份 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 雷击故障总次数 1 8 21 5 92 6 12 6 72 7 82 4 42 0 12 4 9 无法利用系统次数 5 64 11 1 81 2 47 23 ll l1 5 系统定位次数 7 98 81 1 41 0 81 7 01 9 01 5 41 9 4 故障检测率 6 3 7 5 8 0 i7 6 8 3 8 9 8 l 8 3 定位误差算术平均值n ) 1 2 21 2 51 0 2o 8 30 7 40 7 8 0 8 50 8 2 表2 1 给出的电网雷击故障检测率与系统探测站的数量直接相关，2 0 0 1 年后随 着探测站由原1 1 个扩充至1 6 个，平均雷击故障检测率由7 3 5 提高至8 4 。以此 为基础可推算出该系统大于8 k a ( 假设是能引发1 1 0 k v 绕击的最小雷电流) 的探测 效率约为8 5 ( 因包含无法利用系统次数) 。而计及8 k a 以下总的雷电地闪探测效 率应低于8 5 。 考虑到华北地区雷电定位系统的规模和运行条件，将河北南网地闪探测效率按 8 0 修订。 ( 4 ) 统计样本数据库 统计样本数据库即是在采用p a m 0 5 及雷电流1 0 0 k m 归一化修正模型对华北雷 电定位系统2 0 0 3 年 - - 2 0 0 8 年探测站监测r a w 数据重算基础上建立的。统计样本数 据库中全部采用3 站及以上定位数据，对3 站双解汇聚区域进行了强制剔除。总地 闪探测效率暂定为8 0 ，即对涉及到地闪数的参数，探测效率按8 0 修正。 统计样本按回击次数分成主放电和后续放电，主放电即为传统意义上的雷电资 料，若无特别说明，本文中的统计均是针对主放电进行。 雷电参数统计平台 雷电参数统计平台是武高院基于雷电定位系统的雷电参数分析与统计量身定 做的一个综合应用系统，不同于原有雷电定位系统中附带的统计模块，它为从雷电 定位系统测量数据统计样本分析，到完整的区域雷电参数统计、输电线路走廊雷电 参数统计提供全套解决方案。雷电参数统计平台的开发有利于我国电网雷电参数统 计与研究工作持续开展。 本报告中的数据分析和统计全部是在雷电参数统计平台完成的。 1 ) 雷电参数统计平台功能模块： 原始数据采集模块 数据重算模块 参数统计模块 显示与输出模块 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 ) 雷电参数统计平台特点： 强大的g i s 数据分析工具 由于雷电数据样本巨大，并且雷电数据本身具有空间属性，所以必须选用一个 高效的、功能强大的g i s 平台来处理这海量的数据，以它为基础扩展出雷电参数分 析功能模块，最终构成分析软件。美国e s r i 公司是专业开发地理信息系统的厂家， 是目前世界上三大g i s 的厂家之一，其开发的a r c o b j e c t s 是当前最优秀的g i s 软件 之一。其组件提供了大量的通用的统计程序与统计方法，方便雷电系统进行相关的 分析与直观显示。它还提供了独立c o m 组件的产品a r c g i se n g i n e ，方便进行再开 发。 我们使用v b 开发环境和w i n d o w s 操作系统，利用a r c e n g i n e 构建一个功能强 大具有良好扩展性的雷电参数分析工具。 强大的雷电参数统计功能： a 时间主题分析：分析多个行政区、线路走廊、线路走廊区块、点位缓冲区、 网格、自定义多边形内的某种类型的数据样本，通过比较多个区域之间的雷电日、 雷电小时、密度、等参数得到雷电活动在这多个区域组成的大区域上的空间分布规 律。 b 空间主题分析：分析一个行政区、线路走廊、线路走廊区块、点位缓冲区 网格、自定义多边形内的某种类型的数据样本，按月、按年来比较雷电日、雷电小 时、密度、比率等参数得到该区域雷电活动在时间上的分布规律。 c 电流主题分析：分析一个行政区、线路走廊、线路走廊区块：点位缓冲区、 网格、自定义多边形内的某种类型的数据样本，按电流幅值来求得该区域雷电幅值 概率曲线、中值电流。 d 缓冲区划分：在分析点、线等对象时，先定义一个缓冲区；为了研究输电线 路沿线雷电活动规律，系统针对输电线路提供了对线路缓冲区沿线按长度等分的功 能；为了研究线路的引雷宽度，提供了建立多级缓冲区的功能。 e 用网格平均法求雷电日，可将求得的雷电日转换为传统气象雷电日。 灵活显示与输出模块 e s r i 的a r c e n g i n e 本身提供强大的图形化输出功能，同时我们还利用微软的 e x c e l 提供的强大的表格统计与显示功能，灵活地实现雷电参数的输出与显示 空间主题的分析结果主要是每年一幅、多年平均形成一系列统计结果图层，根 据某统计结果参数的值分段着色形成g i f 图片；根据某统计结果参数的值做g i s 主 题图形成g i f 图片：以二维表和棒形图形式存于e x c e l 文件；以电子地图文件形式 发布统计结果，可以为其它g i s 系统所用。 1 0 一 l h 第三章河北南网典型雷电参数统计分析 3 1 地闪总数 河北南网2 0 0 3 年 - 2 0 0 8 年各年各月的地闪主放电总数见表3 1 所示，图3 1 图3 3 进一步用图形描述了1 9 9 9 年 - - 2 0 0 8 年6 年中地闪总数、正极性数、负极性 数按年、按月分布情况。6 年中，河北南网共有地闪主放电约i i i 3 万次。 表3 1 河北南网2 0 0 3 年 - - 2 0 0 8 年各年的地闪数目月分布表 。平均年 “，j i ，7 事c 2 0 0 3 。2 0 0 4 ：2 0 0 5：2 0 0 62 0 0 7 。2 0 0 8 。 正极 总数 八 r“j”：、 性数 1 03033o10 2 12 61 03ll71 3 7 81 041 6 91 3 93 5 l1 2 54 7 4 5 3 8 06 7 33 l o1 6 l1 8 6 68 91 4 1 33 8 4 5 7 1 2 81 0 6 5 63 9 5 94 9 4 34 3 7 62 1 5 4 08 7 6 71 7 3 0 6 1 6 1 7 64 9 7 9 31 8 8 3 35 8 9 2 91 6 2 7 51 1 7 5 2 i4 6 2 5 46 0 6 9 7 4 0 1 2 85 0 1 0 04 4 7 6 58 3 4 9 88 0 3 2 57 9 0 1 56 2 9 7 24 2 2 7 8 1 9 7 9 02 4 0 1 l8 7 2 3 l5 3 9 9 16 0 2 0 88 4 7 8 05 5 0 0 22 1 9 4 9 1 7 3 0 51 0 0 6 01 8 3 l1 4 5 l1 5 4 7 9 1 6 6 9 3 1 0 4 7 07 7 0 1 0 1 9 11 8 607 9 89 6 52 9 94 0 61 2 9 l l1 6 8 6 9 1l 2 911 6 1 5 l 4 8 1 24301l0l0 合计1 0 6 3 4 81 4 6 2 1 i1 5 6 9 4 42 0 3 9 7 41 7 9 6 3 93 2 0 3 0 51 8 5 5 7 01 5 5 9 8 增长率3 7 5 7 3 3 0 0 1 1 9 7 8 3 距平百分 比 4 2 7 2 1 2 1 5 4 9 9 3 2 7 2 6 注：增长率为当年地闪数相对前一年地闪数的增长率；距平百分比为各年地 闪数相对平均年地闪数的变化率。 从年份上来看，各年的雷电活动强度存在差异性；6 年中，雷电活动大致逐年 增强，只有2 0 0 7 年主放电总数相对2 0 0 6 年略有下滑。2 0 0 8 年为多雷年，2 0 0 3 年、 2 0 0 4 年为少雷年。2 0 0 8 年地闪数最多，达到3 2 0 万次，是排第二位的2 0 0 6 年的 1 6 倍，是2 0 0 5 年的1 8 倍。 从季节上来看，雷电活动的季节性分布明显。各年中的雷电活动主要集中在夏 季各月，各年中夏季各月的地闪总数达到全年的7 1 9 7 ；冬季各月的雷电活动 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 极弱，几乎没有雷，比重不足0 0 3 ：春季和秋季雷电活动强度差不多，地闪总数 主要在1 1 0 范围内变化，2 0 0 3 年的比重略高些。从平均年来看，春夏秋冬四 季的地闪数比重分别为5 6 、8 8 5 、5 9 、0 0 1 。 从月份上来看，地闪活动随月份变化集中性明显，星单峰分布：几乎全部地闪 均出现在5 月9 月，占全年总数的9 8 9 。2 0 0 3 年 - 2 0 0 7 年7 月份的地闪数最多， 2 0 0 8 年则是6 月份地闪数最多。6 月8 月的地闪数远高于其他各月。 ： 2 0 0 3 - 2 0 0 8 年各月地闪总数年分布 4 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 o 栅 筮 2 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 62 0 0 7 2 0 0 8 平均 年 图3 1 河北南网2 0 0 3 年 2 0 0 8 年各月地闪总数年分布 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 平均 年 图3 - 2 河北南网2 0 0 3 年2 0 0 8 年各季地闪总数年分布 圈1 1 月 目1 0 月 口9 月 一8 月 一7 月 6 月 5 月 4 月 囱3 月 一2 月 一1 月 一1 2 月 嘣傩嘴嘿假嘴傩僻傩傩慨涨喜|瞄碱姒薹；慨撕獬姒慨 华北电力大学工程硕士学位论文 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 魁4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 o 2 0 0 3 - 2 0 0 8 年平均年地内次数月分布 l234567891 01 11 2 月份 图3 3 河北南网2 0 0 3 年 一2 0 0 8 年地闪总数月分布 3 2 地闪密度 3 2 1 地闪主放电密度 地闪密度为平均每年单位面积上的地闪次数，单位为次( k m a ) ，是较理想的 雷电活动参量，可以精确反映雷暴活动上的频度和强度，国际上的防雷设计均以此 参数为基础。 河北南网2 0 0 3 年 2 0 0 8 年各年及6 年平均年的地闪密度空间分布见图3 4 所 示，图中以平均年的五级自然分割数据将各年的地闪密度分成了五个等级。自然分 割法( n a t u r eb r e a k s ) 是数理统计数据分类中的一种常用方法，采用这种方法分割后， 可使每组数据之间的间隔最小，而组与组之间的跳跃性较大，从而使数据分级层次 分明。后续如无特别说明，般是以这种方式进行数据分类。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 - 4 河北南网2 0 0 3 年 2 0 0 8 年各年及平均年地闪密度空间分布 ( a ) 2 0 0 3 年；( b ) 2 0 0 4 年；( c ) 2 0 0 5 年；( d ) 2 0 0 6 年； ( e ) 2 0 0 7 年；( f ) 2 0 0 8 年；( g ) 平均年 从图3 4 可见， ( 1 ) 各年中的雷电活动分布存在一定的相似性，均反映出东南沿海雷电活动 相对较弱，西部的雷电活动校对较强。 ( 2 ) 各年的雷电活动存在差异性，反映雷电活动的随机性，多年雷电活动才 具有较强的参考价值。一般考虑到太阳黑子的活动周期为十年，以十年为一周期进 行雷电参数统计其结果更加可靠。 ( 3 ) 2 0 0 3 年 - 2 0 0 5 年雷电活动最弱，在低电压等级区域面积相对较少；2 0 0 6 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 年 - 2 0 0 7 年次之，2 0 0 8 年雷电活动最强，在最高等级中的面积比重占1 1 3 、在次 高等级中的面积比重占2 1 5 。 ( 4 ) 从平均年来看，西部雷电活动强于东部，雷电活动较强的区域主要集中 在西北部，东南部雷电活动最弱。在地闪密度从低较高的五个等级中的面积比重分 别为2 7 5 、3 6 6 、2 3 4 、1 0 1 、2 4 。 河北南网2 0 0 3 年 - 2 0 0 8 年地闪密度平滑图见图3 5 所示。各区域地闪密度频 次划分见图3 - 6 所示，中值为2 1 次“h n 2 a ) 。 图3 5 河北南网2 0 0 3 年k 2 0 0 8 年平均年地闪密度空间分布 ： 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 期次 t l ， 1 0 隧l 一 0 i 警 图3 - 6 河北南网2 0 0 3 年 2 0 0 8 年平均年地闪密度频次分布 以全省为对象，各年地闪密度值见图3 7 所示，各年地闪密度存在逐年上升的 趋势，近几年雷电活动相对较强。2 0 0 3 年 - 2 0 0 8 年平均年地闪密度为2 2 次( k m 2 - a ) 。 河北南网2 0 0 3 - 2 0 0 8 年各年地闪密度 5 o 4 0 田 二3 0 目 _ 遗2 0 l 。0 0 。0 2 0 0 32 0 0 4 ，2 0 0 5 2 0 0 62 0 0 72 0 平均年 一 + 年 图3 7 河北南网2 0 0 3 年 2 0 0 8 年各年地闪密度 3 2 2 后续放电密度 河北南网2 0 0 3 年 - - 2 0 0 8 年各年及6 年平均年的后续放电密度空间分布见所示。 与地闪主放电密度空间分布相比( 图3 4 ) ，后续放电的空间分布规律与之一致。 西部后续回击密度高于东部，后续回击密度较高的地区主要集中在西北部。 一一 华北电力大学工程硕士学位论文 。二- 二= - _ 一一 后续回击触( 次，( 平方千米铜) 黝麒曩一01 6 2 7 4 2 6 9 图3 8 河北南网2 0 0 3 年 2 0 0 8 年后续回击密度空间分布 ( a ) 2 0 0 3 年；( b ) 2 0 0 4 年；( c ) 2 0 0 5 年；( d ) 2 0 0 6 年； ( e ) 2 0 0 7 年；( f ) 2 0 0 8 年：( g ) 平均年 1 8 间 - y = 0 0 7 次( k n ：1 2 t d ) ， ( 3 i ) 日= 4 0 天时，地闪密度 n g = 2 7 8 次( k i n 2 a ) 。目前在工程中，对于一般的线路防雷设计均以此数据为基准。 n e 邑 惑 、一 型 栩 容 舞 霄电日 ， 图3 - 9 依据n g = o 0 2 3 t d l 3 密度与雷电日的关系曲线 。 从曲线中可见，当t d = 3 0 天时，n g = 1 9 2 次( k m 2 a ) ，当t d 一2 0 天时，n g = 1 1 3 次( k m 2 a ) 。以2 7 8 次( k i n 2 a ) 、1 9 2 次l ( k r n 2 a ) 、1 1 3 次( k n ：1 2 a ) 为基准进行雷电 分区时( 对应的雷电日分别为4 0 天、3 0 天、2 0 天) ，河北南网2 0 0 3 年- - - 2 0 0 8 年平 均年地闪密度空间分布见图3 1 0 所