程萌 陳楠 程德海

摘 要：利用由山東省閃電定位系統(tǒng)獲取的菏澤地區(qū)2006年7月—2014年6月雷電監(jiān)測(cè)資料，分析評(píng)估周圍5km范圍內(nèi)的地閃密度、地閃隨時(shí)間變化規(guī)律以及雷電幅值參數(shù)。結(jié)果表明：利用閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的雷擊大地密度與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差距較大，前者更準(zhǔn)確；雷電活動(dòng)隨時(shí)間有明顯變化，應(yīng)根據(jù)變化規(guī)律合理安排生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)程，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；分析雷電流強(qiáng)度變化得出雷電流強(qiáng)度分布和累積概率，在計(jì)算電涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的沖擊電流值時(shí)，實(shí)測(cè)值較推薦值更合理。

關(guān)鍵詞：閃電；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào) P427.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）12-0132-03

The Application of Lightning Monitoring Data in the Risk Assessment of Lightning in Heze

Cheng Meng1 et al.

（1Meteorological Bureau of Juye，Juye 274900，China）

Abstract：The lightning monitoring data from June 2014 to July 2006 in Heze area，which is acquired by lightning location system of Shandong Province，is used to analyze the variation law of the lightning density with the time in the range of 5km，and the parameters of lightning amplitude. The results show that the lightning density acquired by the lightning monitoring and artificial observation differs greatly，the former is more accurate；lightning activity have obvious change over time，we should make arrangement for production and operation process reasonably and avoid risk according to changes. It is concluded that the intensity of lightning current and cumulative probability distribution according to the analysis of lightning current intensity changes，in the calculation of the impact of current value for each protected mode of surge protection device，the measured values is more reasonable than the recommended value.

Key words：Lightning；Risk assessment；Monitoring data；Application

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)雷擊大地導(dǎo)致人員、財(cái)產(chǎn)損害程度確定雷電防護(hù)等級(jí)、類別的一種綜合計(jì)算、分析方法。有利于建設(shè)項(xiàng)目選址、功能分區(qū)布局、確定防雷類別與防雷措施、提出雷災(zāi)事故應(yīng)急方案、保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

近年來，一些學(xué)者針對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及其應(yīng)用進(jìn)行了探索性研究[1-8]。例如，趙軍等基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本思路，總結(jié)了雷電災(zāi)害的作用機(jī)制和雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的理論和方法[1]。問楠臻等利用廣州市雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，按1km2的網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分，通過加權(quán)得到地閃密度[2]。錢強(qiáng)寒等根據(jù)在以IEC62305—2進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)踐中時(shí)的一些經(jīng)驗(yàn)，介紹了各雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量的鑒別方法[3]。樊榮等從落雷密度的概念出發(fā)，利用克里金（Kriging）插值法，計(jì)算任一經(jīng)緯度上的多年平均雷暴日數(shù)，并使用C#語(yǔ)言編制出計(jì)算落雷密度的軟件。還有些學(xué)者通過對(duì)各地的雷擊大地年平均密度和多年平均雷暴日的分析，總結(jié)出了符合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)的兩者的關(guān)系式[5-6]。以上研究，部分涉及雷擊大地密度，但均沒有綜合研究閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出閃電時(shí)空分布規(guī)律并運(yùn)用到雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。目前尚未見到針對(duì)菏澤市雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，并將其應(yīng)用于雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估業(yè)務(wù)。因此，對(duì)該地區(qū)評(píng)估對(duì)象附近的地閃密度、雷電活動(dòng)時(shí)間變化、雷電強(qiáng)度分布的研究，有利于評(píng)估參數(shù)的準(zhǔn)確取值，得出科學(xué)的評(píng)估結(jié)論。

1 利用閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定地閃密度（Ng）及其在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

1.1 利用人工觀測(cè)資料計(jì)算Ng的局限性 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的傳統(tǒng)方法中，通常采用當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的所在城市的年平均雷暴日（Td）來計(jì)算評(píng)估點(diǎn)的Ng值，即Ng=0.1Td。該年平均雷暴日來源于觀測(cè)人員的觀測(cè)數(shù)據(jù)，1d內(nèi)只要觀測(cè)到1次或1次以上的雷聲就算是1個(gè)雷暴日。但由于人工觀測(cè)的局限性（人的監(jiān)聽范圍通常半徑為8～12km），以行政區(qū)域?yàn)榇淼睦纂妳?shù)并不能代表該轄區(qū)的雷電特征。因此，在進(jìn)行年雷擊次數(shù)的估算時(shí)，應(yīng)以在評(píng)估對(duì)象所在區(qū)域測(cè)得的地閃密度為準(zhǔn)。

1.2 利用閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定Ng

1.2.1 山東省閃電定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介 山東省閃電定位系統(tǒng)是LD-II型閃電定位系統(tǒng)，主要由13個(gè)分布在全省各地的閃電定位儀、一個(gè)中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和圖形顯示終端構(gòu)成，采用磁定向時(shí)差遙測(cè)法進(jìn)行閃電定位，各個(gè)定位儀將接收到的閃電信息和GPS時(shí)間信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送至中心站計(jì)算機(jī)，通過中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的計(jì)算，得到閃擊的時(shí)間、位置、極性、強(qiáng)度等參數(shù)。該系統(tǒng)時(shí)鐘同步精度可達(dá)到0.1μs，山東省內(nèi)大部分地區(qū)閃電探測(cè)效率理論值為95%，定位精度可達(dá)到300m。

1.2.2 以具體評(píng)估對(duì)象為實(shí)例確定Ng 根據(jù)雷擊大地的年平均密度的含義即一年里某一確定地區(qū)的地閃次數(shù)，通過閃電定位系統(tǒng)提供的一年中某地區(qū)的地閃次數(shù)再除以該地區(qū)的面積可以得到更為精確的雷擊大地的年平均密度。計(jì)算公式為

（1）

其中：D—一年中的地閃次數(shù)（次/a），S—面積（km2）。

菏澤市轄區(qū)內(nèi)某化工企業(yè)中心點(diǎn)經(jīng)緯度為：E115.530778，N35.09000，在山東省閃電定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取8年來（2006年7月—2014年6月）距離該點(diǎn)一定距離之內(nèi)（以方圓5km為例）的閃電數(shù)據(jù)，期間共發(fā)生地閃1 406次，平均每年176次，根據(jù)公式（1）計(jì)算出雷擊大地密度為1.76次/km2·a，而根據(jù)觀測(cè)的雷暴日計(jì)算出的雷擊大地密度為3.06次/km2·a，兩者有較大差異。根據(jù)地閃的分布，利用surfer8.0繪制出地閃密度分布漸變圖（圖1），可以清晰的顯示出方圓5km內(nèi)各位置雷擊密度的大小，為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論提供參考。

2 利用閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析閃電月變化規(guī)律及其在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

該區(qū)域發(fā)生的1 406次地閃中，負(fù)地閃1 377次，占總地閃的98%，正地閃29次，占總地閃的2%（表1）。

由圖2可以看出，該地域地閃月分布呈單峰狀，始于2月，結(jié)束于11月。峰值出現(xiàn)在8月，地閃總數(shù)為723次，約為其余11個(gè)月的總和。雷電主要活動(dòng)期為6、7、8月，共1 260次，占總閃數(shù)的89.6%，1、2、9、10、11、12月基本沒有地閃發(fā)生。該地區(qū)閃電月變化規(guī)律，為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指導(dǎo)意見提供了參考依據(jù)。該化工企業(yè)每年6月份前需對(duì)化工戶外裝置、罐區(qū)、樓房、機(jī)房、配電室等進(jìn)行防雷裝置安全檢測(cè)。企業(yè)的集體戶外活動(dòng)要盡量避開6、7、8月，可以安排在防雷設(shè)施完善的建筑物內(nèi)。每次雷雨天氣后，安全人員要檢查防雷接地裝置是否損壞，電源和信號(hào)系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器工作狀態(tài)是否正常，如有異常，要及時(shí)整改。辦公人員使用電腦等電器時(shí)也要避開閃電多發(fā)期，降低閃電電涌侵入造成人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

3 利用閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析閃電時(shí)變化規(guī)律及其在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

該地區(qū)的地閃時(shí)分布呈多峰狀，2個(gè)最大的峰值出現(xiàn)在00：05和11：00左右，地閃數(shù)占總閃數(shù)的44%，16：00和19：00左右雷電活動(dòng)也較頻繁。雷電活動(dòng)隨時(shí)段的不同有明顯變化，企業(yè)施工運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)日變化合理安排工作進(jìn)程，可將潛在雷擊危險(xiǎn)顯著降低，建議6、7、8月份的00：05和11：00不安排施工。

4 利用閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析雷電流強(qiáng)度變化及其在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

由圖4可知，該地區(qū)雷電流強(qiáng)度在5～10kA的地閃數(shù)為412次，占地閃總數(shù)的比例最大，為29.3%，其次為10～15kA的地閃402次，所占比例為28.6%，0～35kA的地閃所占比例為98.9%，大于35kA的地閃只占1.1%，沒發(fā)生過大于55kA的地閃。負(fù)地閃的雷電流強(qiáng)度分布和總地閃的吻合度很好。

在進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，電源線路上電涌保護(hù)器安裝位置和選型將直接影響評(píng)估因子的取值。而雷電流幅值是確定電涌保護(hù)器雷電流參數(shù)的一個(gè)重要的依據(jù)。電源總配電箱處所裝設(shè)的電涌保護(hù)器，其每一保護(hù)模式的沖擊電流值，當(dāng)電源線路無屏蔽層時(shí)宜按式（2）計(jì)算，當(dāng)有屏蔽層是宜按式（3）計(jì)算[10]：

式中：I—雷電流，取200kA、150kA、100kA；n—地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)；m—每一線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)；Rs—屏蔽層每km的電阻（Ω/km）；Rc—芯線每km的電阻（Ω/km）。

給定的首次正閃擊雷電流的幅值參考值，第一類、第二類、第三類防雷建筑物對(duì)應(yīng)分別為200kA、150kA、100kA。如果評(píng)估中采用上述推薦值，得出的計(jì)算結(jié)果并不能真正反映評(píng)估對(duì)象所需要的電涌保護(hù)器的雷電流參數(shù)。由圖5可以看出，雷電流大于5kA的累積概率為81.9%，大于10kA的累積概率為52.6%，大于50kA的累積概率為1%，大于55kA的累積概率為0，也就是說此區(qū)域內(nèi)8年來未出現(xiàn)過大于55kA的地閃，若采用推薦值150kA（該企業(yè)為第二類防雷建筑物）計(jì)算，需要安裝的SPD通流容量偏大，鑒于雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是尋求最低雷電災(zāi)害事故率、最少的雷電災(zāi)害損失和最優(yōu)的防雷安全投資效益，I取55kA較為合適。

5 結(jié)論與討論

利用由山東省閃電定位系統(tǒng)獲取的菏澤地區(qū)2006年7月—2014年6月閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到評(píng)估對(duì)象周圍5km范圍的雷擊密度，地閃月分布規(guī)律、地閃時(shí)分布規(guī)律以及雷電幅值參數(shù)，分析發(fā)現(xiàn)：（1）利用閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的雷擊大地密度為1.76次/km2·a，而根據(jù)觀測(cè)的雷暴日計(jì)算出的雷擊大地密度為3.06次/km2·a，兩者有較大差異，前者更符合實(shí)際。（2）雷電活動(dòng)隨月份和時(shí)段的不同有明顯變化，評(píng)估對(duì)象應(yīng)根據(jù)月變化和日變化規(guī)律合理安排生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)程，并在閃電高發(fā)期前進(jìn)行防雷裝置安全檢測(cè)，規(guī)避雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。（3）通過閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析雷電流強(qiáng)度變化得出雷電流強(qiáng)度分布和累積概率，此區(qū)域內(nèi)8年來未出現(xiàn)過大于55 kA的地閃，計(jì)算電涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的沖擊電流值時(shí)，I取55kA較規(guī)范推薦值合理。

山東省閃電定位系統(tǒng)在全省范圍內(nèi)有13個(gè)閃電定位儀，隨著該系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，閃電定位儀的增加，該系統(tǒng)同步精度和定位精度將進(jìn)一步減小，閃電探測(cè)效率也將進(jìn)一步提升，為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各參數(shù)的選取提供更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)論也更科學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙軍，郭在華.雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法綜合應(yīng)用研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（8）：48-50.

[2]問楠臻，高文俊.基于IEC62305雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算方法[J].建筑電氣，2008，27（7）：34-37.

[3]錢強(qiáng)寒，陳勇斌，楊磊.強(qiáng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)踐中各風(fēng)險(xiǎn)分量的鑒別[J].浙江氣象，2006，28（3）：41-46.

[4]樊榮，肖穩(wěn)安，李霞，等.基于GB/T 21714.2的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件設(shè)計(jì)及參數(shù)探討[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，1（4）：343-349.

[5]馬金福，馮志偉.雷擊地閃密度與雷暴日數(shù)的關(guān)系分析[J].氣象科學(xué)，2009，29（5）：674-678.

[6]鐘穎穎，馮民學(xué)，周曾奎，等.閃電定位資料與目測(cè)雷暴日的對(duì)比分析[J].氣象科學(xué).2010，30（8）：851-855.

[7]陳家宏，童雪芳，谷山強(qiáng)，等.雷電定位系統(tǒng)測(cè)量的雷電流幅值分布特征[J].高壓電技術(shù)，2008，34（9）：1893-1897.

[8]易高流. 雷電監(jiān)測(cè)資料在雷擊損害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J].江西氣象科技，2004，27（4）：45-47.

[9]張日高，張良春，余建華.利用監(jiān)測(cè)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的雷擊大地密度比較[J].氣象與減災(zāi)研究，2010.

[10]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057—2010）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

（責(zé)編：張長(zhǎng)青）