华东电网雷电密度图编制说明Word文档格式.docx
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0.282
0.667
0.284
雷击占总跳闸的百分比
42.8%
57.9%
20%
64.3%
43.2%
2005
1
6
7
22
0.18
0.097
0.226
0.008
0.518
0.179
25%
50%
43.8%
8.30%
46.7%
39.3%
2006
17
44
（次/100km.a）
0.17
0.137
0.4
0.417
0.845
0.311
80.9%
60%
100%
70.9%
2007
16
39
0.146
0.351
0.136
0.57
0.236
0%
55%
72.7%
69.2%
60.9%
近年的华东电网500kV线路跳闸情况见表1-1，可见雷害引起的线路跳闸故障所占比例较高。
2004年～2007年的华东电网线路雷击跳闸率范围在0.179～0.311次/100km.a，平均达到0.253次/100km.a，与国家电网公司要求的0.14次/100km.a有较大的差距。
目前华东电网500kV线路设计时，大多取40雷暴日作为设计依据。
然而，运行经验表明，按常规雷暴日设计的线路防雷水平明显偏低，达不到相应线路跳闸率的要求，主要原因包括，1）雷暴日不能有效反映区域雷电的密度，一天中无论多少次雷击均统计为一个雷暴日；
2）随着输电线路的建设发展，线路越来越多的经过偏远地区、少人居住区，而这些区域的传统雷暴日统计数据往往空缺或缺乏准确；
3）雷暴日不对对地放电与云间放电进行区分，而防雷设计中最关心的就是地面落雷。
华东电网雷电定位系统投运十多年来，覆盖了华东四省一市，运行情况良好，积累了大量的雷电基础数据。
通过上述数据的统计分析，可得到年度落雷密度等线路设计基本参数，这不仅避开对雷暴日的统计误差，而且可更精确、更全面、更客观的反映线路雷击状况，直接指导线路设计与运行。
因此，非常有必要及时开展基于雷电定位系统数据的华东电网落雷密度分布图的绘制工作。
2线路防雷设计现状及不足
2.1国内线路防雷设计规定
目前，我国输电线路的防雷设计原则：
1）通过设计线路的防雷电反击绝缘水平，来控制一定的耐雷水平和雷电反击跳闸率；
2）通过设计一定的保护角来控制线路的绕击跳闸率。
根据电力标准《DL/T620－1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的相关要求，导线对杆塔的空气间隙应符合以下三种电压要求：
工频电压、操作过电压和雷电过电压。
500kV输电线路的防雷设计要求如表2-1所示。
表2-1500kV线路防雷设计要求
反击耐雷水平（kA）
125～175
防绕击耐雷水平
采用双避雷线，保护角不大于15度
雷电过电压间隙（cm）
330（370）
操作过电压间隙（cm）
270
工频电压间隙（cm）
130
悬垂绝缘子串的绝缘子个数（片数）
25（28）
注：
括号内雷电过电压间隙与括号内绝缘子个数相对应，适用于发电厂、变电所进线保护段杆塔。
由表2-1可见，对于常规500kV线路的防雷过电压要求往往决定了线路绝缘子的最小空气间隙。
2.2线路防雷设计的主要雷电参数
2.2.1年落雷密度Ng
当线路设计中确定了反击耐雷水平和保护角后，根据线路走廊内的每年落雷数量，就可以计算出线路的跳闸率。
同样在已经投运的线路中，年线路走廊附近实际的落雷数基本决定了每年的跳闸次数。
实际上，线路设计和运行中最关心的雷电参数是落在线路走廊内的年落雷总数，它取决于线路高度、宽度和线路所在地区的年落雷密度。
因此，可以认为线路防雷设计的核心雷电参数是年落雷密度，即一年内每平方公里的地面落雷次数，在本文中以Ng表示。
目前，由于
国内传统的线路防雷设计中无法获得年落雷密度Ng，在计算每年每百公里的线路雷击次数N时，一般采用了近似公式进行计算，如式（2-1）所示。
N＝0.1γ×
T（b+4hav）式（2-1）
其中T为年雷暴日数；
γ表示每一雷暴日、每平方公里的地面落雷次数，单位：
次/km2.雷暴日；
γ×
T的乘积表示该地区的年落雷密度，单位：
次/km2.a；
ha为地线（或者导线）的平均高度；
4*hav为我国根据模拟试验和运行经验提出的等值受雷面积的宽度
；
b为两根地线之间的距离。
实际上，现行标准中用γ×
T得到该地区的年落雷密度，即Ng。
通常在40雷暴日情况下，取γ＝0.07（经验数据），对应的年落雷密度Ng为2.8。
由于雷电定位技术应用较早，美国电网企业积累的落雷密度相关数据已经利用于线路的设计。
在《IEEEStd1243-1997：
IEEEGuideforImprovingtheLightningPerformanceofTransmissionLines》中，其防雷设计计算中优先选取雷电定位系统的记录的落雷密度（groundflash-density，GDF）作为计算依据，只在无法获得这个数据时，才根据落雷日或落雷小时进行估算。
图2-1根据1989年～1998年雷电定位系统数据绘制的美国年平均落雷密度
2.2.2雷电流幅值概率
我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式（2-2）求得：
式（2-2）
式中：
P为雷电流幅值概率；
I为雷电流幅值，kA。
由于不同时间、不同地区的雷电流概率分布会有一定差别，可考虑借助雷电定位系统提供的雷电流参数，分别进行统计分析，使这项参数更精细化、更准确的满足电网要求。
2.3线路防雷设计中的不足
如上所述，在传统线路防雷的设计环节中，基于雷电观测手段的局限性，存在一系列的假设和经验公式。
在目前华东雷电定位系统发展已较为成熟的条件下，有必要对相关的雷电参数进行精细化处理，主要包括：
（1）用雷电定位系统积累的数据得出年落雷密度Ng，以代替基于雷暴日的γ×
T的估算方法；
（2）借助于雷电定位系统的雷电流分布对现有的统一概率分布曲线尝试进行细化。
目前，作为防雷工作精细化的第一步，就是利用雷电定位系统的数据初步研究华东地区雷电活动的规律，统计分析华东地区的落雷密度，并进行落雷密度分布图的绘制。
3华东地区雷电分布的基本规律
3.1华东电网雷电定位系统的构成与功能
华东电网雷电定位系统由上海、江苏、浙江、安徽和福建5个分系统、51个探测站组成，是国内探雷电定位探测站数最多的区域性雷电定位系统，其结构图与布点图如图3-1、图3-2所示。
目前，上海有朱泾、南汇、崇明岛、长兴岛、青浦、芦潮港、金山电厂、电试院等8个探测站；
江苏省有东海、淮阴、盐城、泰州、南通、金坛、徐州、泗洪、六合、高淳、吴江等11个探测站；
安徽省有合肥、芜湖、蚌埠、淮南、淮北、安庆、黄山、阜阳、滁州、六安、宣城、池州等12个探测站；
浙江省有湖州、嘉兴、绍兴、宁波、建德、临海、衢州、丽水、温州、金华、龙泉等11个探测站；
福建有福州、漳平、厦门、南平、莆田、三明、邵武、宁德、蒲美等9个探测站。
各探测站所测信号分别送各省前置机，再转发定位计算主机，同时通过省际网络送往其他省市的分析主机。
各省市分析主机可以利用所有需要的探测站信号进行定位，使得各个地区都具有较高的定位精度。
华东电网雷电定位系统的中心站位于华东电力试验研究院,中心站采用了前置机、位置分析仪、服务器、专线终端的冗余结构，各计算机各司其职，同时相互备份雷电参数，可以保证在有些设备故障情况下的雷电数据的完整。
图3-1华东电网雷电定位系统结构示意图
华东电网雷电定位系统采用时差定位和方向定位相结合的原理，积累了大量雷电数据，特别是2004年以后，四省一市形成完整的雷电定位网络，雷电时间、空间数据更加准确、完整，适用于华东地区的落雷密度等雷电参数统计分析。
图3-2雷电探测站布点示意图
3.2华东地区雷电分布的一般规律
3.2.1华东地区雷电分布的时间规律
雷电分布的数据来自雷电定位系统，而雷电定位系统自身也在不断完善发展中，早期雷电定位系统探测站较少，各省市间没有联网，雷电探测效率相对较低。
从2004年开始，华东地区雷电定位系统的构架与功能日趋完善，因此以2004年～2007年的数据为研究工作的对象，并对其中部分不合理的定位数据进行了删除等预处理。
每个自然年度是雷电活动的基本周期，通过对一年内每天华东地区内的落雷数统计，可以对雷电活动有个比较清晰的认识。
图3-3为整个华东地区2004年～2007年分日的雷击次数统计，图3-4为华东地区2004年～2007年平均分月的雷电数据统计。
根据对雷电定位系统的数据分析和研究，华东地区雷电分布存在一定时间规律，具体为：
（1）不同年份雷电数的时间分布都比较相近，雷电发生的高峰期一般为7、8月份，并前后延续到6月和9月；
（2）3月-5月，一般会有持续时间较短的雷电小高潮的发生。
图3-32004年-2007年分日雷击次数统计
图3-42004年-2007年平均分月雷击次数统计
3.2.2华东地区雷电分布的空间规律
相关研究表明我国的闪电分布存在普遍规律：
（1）中国陆地闪电密度平均值随海陆距离的变化显著。
中国陆地闪电密度一般随海陆距离的增加，在125km处达到峰值，这是海陆过渡带；
海陆距离超过125km后，闪电密度平均值逐渐降低；
在海陆距离超过2400km后，闪电密度平均值又有升高。
（2）中国陆地闪电密度分布的区域性差异是显著的，在不同的地理环境下闪电密度高值带（中心）与中尺度地形有不同的对应关系。
中国东部湿润地区高闪电密度带经常出现在南北或东北——西南走向、海拔500～1500m的中尺度山脉和丘陵地区附近，两者水平尺度和走向大体一致，而闪电低密度带则经常出现在山间盆（谷）地和平原区。
对照上述规律，从华东雷电定位系统的数据可以看出华东地区的雷电活动除了随机性以外，存在一定的重复性，有部分地区处于较强的雷电活动区域，这为绘制华东电网落雷密度分布图奠定了基础。
3.3小结
通过华东电网雷电定位系统数据的总结与相关研究成果的引用，充分说明华东地区雷电活动存在时间与空间的普遍规律，可以通过绘制华东电网落雷密度分布图来反映区域雷电活动的强弱，指导输电线路的规划设计与运行管理。
同时，这也从一个侧面说明，雷电定位数据可作为基础数据，适用于华东电网落雷密度分布图的绘制。
4落雷密度分布图的绘制方法
4.1落雷密度分布图的绘制要求
落雷密度分布图反映的是一定时空范围内单位面积雷击次数的分布规律，正确合理划分落雷密度分布图需要做到：
1）空间上要求区域单元格式合理，面积大小合适，与地图及雷电定位系统的精度相符合；
2）雷电密度的等级划分上，范围涵盖完整能包括所有的雷电密度，界限分明，并具有可操作性；
3）时间上尽量反映多年雷电活动的重复性；
4）落雷密度分布图层次清晰，可在地图上明确标出，且直观明了便于使用。
4.2落雷密度统计网格尺寸的确定
雷电定位系统能够较为精确地测得某个落地雷的具体地理位置、雷击时间、雷电流幅值和极性，避免人为的误判和漏判，统计单位面积年度落雷次数，可计算某一地区的年度落雷密度。
鉴于雷电定位系统的数据采用经纬度格式，雷电分布图的单位面积统计单元考虑采用以经纬度来划分网格的方法，首先对华东地区进行网格区域划分，然后对雷电数据库进行查询，得出各网格区域的年度雷电数，除以相应的网格面积，得到年度落雷密度。
经纬度网格的面积分别考虑选取10×
10km2（经纬度0.1o×
0.1o），5×
5km2（经纬度0.05o×
0.05o），1×
1km2（经纬度0.01o×
0.01o）三种基本尺寸，通过实际绘图比较，发现：
利用5×
5km2网格绘制的落雷密度分布图网格大小适中，图片质量相对精细，且可避免雷电定位误差的影响，能够比较直观清晰的反映华东地区的落雷分布，推荐使用该尺寸。
4.3落雷密度的等级划分
由于华东地区落雷密度的分散性较大，为了使分级合理，且涵盖完整，对自然分割、线性相关与指数相关等三种分级方法进行了分析比较与优化选择。
4.3.1自然分割法划分
自然分割是指根据统计区域内落雷密度的自身分布特点进行相应的划分。
该方法的优点为保证每组数据中的数值最为集中，组与组数据之间的差异最大，划分的等级层次更加分明，在研究分析阶段使用比较合适；
缺点为由于这种划分方法将根据统计数据的情况而发生变化，直接用于工程实际非常不方便。
4.3.2线性相关划分
线性相关划分是指，结合传统防雷设计中雷暴日概念，在落雷密度等级的划分上，将其中一个级别和最常使用的40雷暴日（即Ng＝γT＝2.8次/km2.a）对应，然后通过上述公式反推对应的“折算雷暴日”Td＝Ng/γ，将对应雷暴日的分级落雷密度划分如下，如表4-1所示。
该方法和传统方法有比对，计算简便，但分级较多，用于工程实际存在一定不便。
表4-1落雷密度和雷暴日线性相关划分方法
雷电分级
落雷密度Ng（次/km2.a）
线性折算雷暴日（日/a）
I
Ng<
2.8
0-40
Ⅱ
2.8≤Ng<
4.2
40-60
Ⅲ
4.2≤Ng<
6.3
60-90
Ⅳ
6.3≤Ng<
8.4
90-120
Ⅴ
8.4≤Ng<
10.5
120-150
Ⅵ
Ng≥10.5
≥150
4.3.3指数相关划分
指数相关划分与线性相关划分方法相似，只是选择IEEE标准的指数推算公式，进行雷暴日的折算，如式（4-1）所示。
Ng＝0.04Td1.25式（4-1）
根据上述公式，可以求出雷暴日和对应落雷密度的关系，其30雷暴日对应的落雷密度为2.8次/km2.a，与我国电力行业标准的40雷暴日对应落雷密度较为相近。
表4-2雷暴日和落雷密度对应表
雷暴日（日/a）
落雷密度（次/km2.a）
10
0.711312
20
1.691794
30
2.808417
40
4.023787
50
5.318296
60
6.679578
70
8.099021
80
9.570232
90
11.08825
100
12.64911
110
14.24954
120
15.8868
17.55857
考虑到雷暴日指数相关时落雷密度变动幅度较大，对应等级划分定为5级，如表4-3所示。
该方法和传统方法有比对，分级比较简明，更符合雷电活动的规律。
表4-3落雷密度和雷暴日指数相关划分方法
指数折算雷暴日（日/a）
I
0-30
Ⅱ
5.3
30-50
5.3≤Ng<
8.1
50-70
8.1≤Ng<
11.1
70-90
Ng≥11.1
≥90
4.3.4划分方法的最终选取
通过以上3种划分方法的比较，本报告采用指数相关的方法进行落雷密度的分级，并对落雷密度各段边界值进行取整以方便使用，具体分级如表4-4所示。
这主要是考虑到指数分级更符合雷电活动的自身的规律，以及华东地区的实际情况。
表4-4推荐的分级区间
等值雷暴日（日/a）
3.0
0-30（32）
3.0≤Ng<
5.0
30-50（48）
5.0≤Ng<
8.0
50-70（70）
8.0≤Ng<
11.0
70-90（90）
Ng≥11.0
4.4落雷密度数据平均值的选用
根据落雷密度分布图要求，分布图应该时间上尽量体现区域多年雷电活动的规律性与重复性。
雷电活动的基本周期为一年，同时具有一定的随机性。
为此，考虑采用多年落雷密度平均值来减少同一地区不同年份的雷电活动会出现强弱波动的不利影响，从而真实地反映雷电活动的地域重复性。
图4-12004年～2007年平均密度（左）和最大密度图（右）
图4-1为2004年～2007年的平均落雷分布密度和最大落雷密度分布图，比较可见：
平均密度分布图层次更为分明，实际指导意义更强。
图4-22004年～2007年平均密度（左）和偏差分布图（右）
图4-2为华东区域的平均密度和各年密度偏差的对比图，通过分析可以发现：
对于大部分平均密度较高的区域，其偏差是相对较小的，即落雷密度高的区域不同年份的随机性波动相对较小，可信度较高。
因此，使用年度落雷密度的平均值作为反映各地区相对雷电活动强弱的指标更为合理、有效。
4.5密度分布图着色
雷电分布图以落雷密度网格图叠加在其它地理信息图层的形式实现，不同落雷密度等级以不同颜色表示，具体色标如表4-5所示。
表4-5各分级区间着色方法
颜色
浅蓝（R=178、G=254、B=252）
柠檬黄（R=255、G=255、B=163）
浅绿（R=153、G=255、B=153）
玫瑰红（R=248、G=158、B=248）
红色（R=255、G=0、B=0）
4.6华东电网落雷密度分布图（2008版）
综合以上分析，推荐使用5×
5km2网格、各年落雷密度的平均值、以取整的指数分级为落雷密度等级划分的华东电网落雷密度分布图，如图4-3所示。
图4-3推荐的华东电网落雷密度分布图（2008版）
5华东电网落雷密度分布图的比对验证
5.1雷暴日图和落雷密度分布图的比较
5.1.1雷暴日和落雷密度的分布比较
按我国电力标准和IEEE的标准，雷暴日和落雷密度分别为线性和指数相关，图5－1、图5－2分别是指数相关和线性相关分级方式下的落雷密度分布图和雷暴日图。
图5－1指数分级落雷密度（左）和雷暴日（右）
图5－2线性分级落雷密度（左）和雷暴日（右）
通过比较，可以看出：
一方面雷暴日的等级总体比落雷密度要小，另一方面雷暴日的较强区域和落雷密度的较强区域不完全一致。
这说明根据我国电力标准和IEEE的标准的经验公式来通过雷暴日进行落雷密度估算的误差较大，建议在实际中不再使用雷暴日的概念。
5.1.2雷暴日图和落雷密度分布图的区域比例比较
由于传统设计根据雷暴日折算，对应的落雷密度较低。
华东区域大部分地区的雷暴日为40或以下，浙江和福建的部分地区雷暴日达到50～70，每雷暴日的落雷密度γ取0.07，对应的年度落雷密度大部分地区为2.8（次/km2.a），部分地区达到3.5～4.9（次/km2.a）。
图5-3全国53年（1954~2006）平均雷暴日数分布图
图5-3为气象部门统计的全国雷暴日数分布图。
而根据华东电网落雷密度分布图的统计，大部分地区的落雷密度都在3.0（次/km2.a）以上。
表5-1中对依据2种方法的各落雷密度分级对应区域面积比例进行了比对，可以看出：
按雷电定位系统的记录，华东地区的落雷密度比传统由气象雷暴日估算的落雷密度普遍要大，有必要根据实际落雷密度，加强雷害较严重的地区的防雷措施。
表5-1华东地区不同落雷密度区域的比例
雷电密度等级
（次/km2.a）
依据气象雷暴日的
区域面积占比
依据雷电密度分布图的
0-3
70%
2％
3-5
30%
18％
5-8
44％
8-11
27％
11以上
9％
5.1.3两种雷电参数和实际运行数据的关系
由于雷暴日和落雷密度差异较大，进一步分析实际跳闸点和两种参数分布图的对应关系。
同样以2006年华东电网落雷统计为例，图5-4为落雷密度分布和当年500kV线路雷击跳闸点（图中绿色圆点）的对应关系，图5-5为雷暴日分布和当年500kV线路跳闸的对应关系。
可以看出：
当年的线路雷击跳闸点主要集中在落雷密度大的区域，而和雷暴日分布没有较强的相关性。
这也进一步说明，相对于雷暴日，雷电密度统计是更符合运行实际的。
图5-42006年浙江地区落雷密度和线路跳闸点的对应关系
图5-52006年浙江地区雷暴日分布和500kV线路跳闸点的对应关系
由于雷暴日的精确度比落雷密度的精确度低很多，而且和实际运行数据没有对应关系，建议在防雷设计和运行管理中不再继续使用“雷暴日”概念及数据。
5.2落雷密度分布图和线路跳闸点地理位置的比对
为了进一步确认落雷密度分布图的实际指导意义，将浙江省2001年～2007年500kV的雷击跳闸点和绘制的落雷密度分布图叠加，参见图5-6，可以看出大部分雷击跳闸点都位于落雷密度最强（Ⅴ级）和次强（Ⅳ级）的区域，这说明该落雷密度分布图是符合生产实际的。
图5-6落雷密度分布图浙江部分和近年落雷点的对
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