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        上海地區(qū)雷電流幅值分布特征分析

        2012-10-15 06:58:44司文榮張錦秀顧承昱
        電力與能源 2012年2期
        關(guān)鍵詞:流幅概率密度中值

        司文榮,張錦秀,顧承昱,鄭 旭

        (1.上海市電力公司電力科學研究院,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)計方面的應用開拓較少,需要進一步發(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),改進防雷保護措施。

        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提出的地閃回擊場模型得到雷電流幅值數(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)標準、IEEE導則及CIGRE推薦的雷電流幅值分布計算式進行介紹和認識。

        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)標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(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)標準概率曲線。

        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對應的各幅值累積概率密度分布[5],如圖3所示。

        圖3 對應圖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、負極性雷電流幅值的概率密度分布相差較遠。

        圖5 對應圖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,標準偏差為6.15kA,而負極性雷電流平均幅值的中值電流為32.0kA,標準偏差為6.39kA。此外,綜合雷電流平均幅值與負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],標準偏差為6.26;陡度系數(shù)變化區(qū)間為[1.4,1.8],標準偏差為0.146;而負極性雷電流幅值分布中值參數(shù)變化區(qū)間為[23.1,30.5],標準偏差為2.18;陡度系數(shù)變化區(qū)間為[2.2,2.8],標準偏差為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,可參考負極性的表達式形式。

        表3 負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,標準偏差為6.15kA,而負極性雷電流平均幅值的中值為32.0kA,標準偏差為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)中的應用[M].北京:水利電力出版社,1990.

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