趙 偉，周象賢，張 祎

（1.浙江省氣象科學研究所，杭州 310008；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.浙江省氣象安全技術中心，杭州 310008）

0 引言

電網(wǎng)防雷一直是電網(wǎng)運維的重點工作?，F(xiàn)階段，除了增加輸電線路的防雷技術措施以外，實現(xiàn)輸電線路雷擊實時預警，對避免和減少電網(wǎng)雷害（本文指雷擊跳閘故障）造成的損失也很有意義。

目前，對電網(wǎng)雷害風險的研究主要分為災后評估和災前預警。文獻[1-4]基于歷史雷害故障數(shù)據(jù)挖掘輸電線路雷害風險的評估指標，提出了一種融合多種評估因子的電網(wǎng)雷害風險評估方法。文獻[5]針對±800 kV 直流輸電線提出了一種雷害風險評估方法。文獻[6]基于雷擊在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取比雷電定位系統(tǒng)更直接、準確的雷擊參數(shù)，進行雷擊跳閘率計算并逐基評估桿塔雷擊閃絡風險。

總體上看，災后評估的相關研究比較多，災前預警的相關研究則相對較少。文獻[7]利用氣象雷達數(shù)據(jù)，建立了雷電流幅值預測模型，提出了一種基于兩者的輸電線路繞擊跳閘預警方法。文獻[8]根據(jù)當前時次及之前的連續(xù)2 個時次的雷區(qū)信息及發(fā)展軌跡，進行下個時次雷區(qū)相關信息的預報，進而計算位于雷擊預報范圍內(nèi)的輸電線路跳閘概率。文獻[9]根據(jù)雷電定位實時數(shù)據(jù)的時空演變，預報未來時段可能遭受雷擊的各分區(qū)范圍，并動態(tài)評估各輸電線路的雷擊故障概率。文獻[10]綜合運用大氣電場、雷達和衛(wèi)星數(shù)據(jù)等雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了一種架空輸電線路雷擊閃絡預警方法。這些輸電線路雷害預警方法總體上偏主觀，且預警過程較為繁瑣，缺少量化的預警指標，有些未考慮孕災環(huán)境等因素且雷電流幅值預測準確度有待商榷。

本文以氣象部門運行多年的雷電概率預報數(shù)據(jù)為作為電網(wǎng)雷害風險預警的致災因子評估指標；選取海拔高度、坡度、坡向、土地利用類型和河網(wǎng)密度，構(gòu)建電網(wǎng)雷害孕災環(huán)境敏感性評估模型。將桿塔所在區(qū)域危險地閃的出現(xiàn)頻率作為電網(wǎng)雷害風險預警的承災體易損性評估指標?；跒暮W理論，利用層次分析法提出一種浙江電網(wǎng)雷害風險預警方法。在保證電網(wǎng)雷害風險預警準確率的前提下，減少了預警的空報率，為電網(wǎng)雷害風險預警業(yè)務化應用提供參考。

1 致災因子評估

電網(wǎng)雷害事故的主要致災因子是地閃密度和地閃強度[11]。但由于目前對閃電強度的預測還存在困難，且電網(wǎng)雷擊跳閘與否還與線路本身的耐雷水平有關，所以地閃強度與耐雷水平將在承災體評估中加以考慮。

將氣象部門運行多年的雷電概率預報數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)雷害風險預警的致災因子評估指標。雷電概率預報數(shù)據(jù)以雷電發(fā)生概率為表征，分為4 個等級即75%，50%，25%和0%，預報時效為60 min，每10 min 更新一次，分辨率為1 km×1 km。

2 孕災環(huán)境敏感性評估

根據(jù)文獻[12]的研究結(jié)果，構(gòu)建浙江電網(wǎng)雷電災害的孕災環(huán)境敏感性分布。依據(jù)桿塔位置，利用GIS 技術提取每基桿塔的孕災環(huán)境敏感度（見圖1）。

圖1 浙江電網(wǎng)雷害事故孕災環(huán)境敏感度分布

3 承災體脆弱性評估

由于現(xiàn)階段還無法預測地閃強度值，因此承災體脆弱性評估以歷史值代替。計算每基桿塔的反擊和繞擊耐雷水平，然后統(tǒng)計桿塔周邊1 km范圍近10 年內(nèi)出現(xiàn)的地閃可能使該線路發(fā)生反擊或繞擊的地閃數(shù)量與該區(qū)域內(nèi)所有的地閃數(shù)量的比值，即桿塔所在區(qū)域危險地閃出現(xiàn)頻率，以此作為該桿塔承災體脆弱性的評估指標。

由于缺乏每基桿塔的詳細參數(shù)，無法計算每基桿塔的危險電流。綜合文獻研究結(jié)果和歷史運行經(jīng)驗[13-16]，設定浙江電網(wǎng)220 kV 和500 kV 的反擊危險電流分別為大于70 kA 和大于130 kA，繞擊危險電流為15～30 kA 和20～40 kA。

計算每基桿塔1 km 范圍內(nèi)近10 年的危險地閃出現(xiàn)頻率，如圖2 所示。從圖2 可以分析得出，沿海地區(qū)的危險地閃出現(xiàn)頻率明顯高于其他地區(qū)，主要位于舟山、寧波、臺州和溫州地區(qū)。

4 雷害預警模型及預警閾值確定

基于災害學原理，選取孕災環(huán)境、承災體和致災因子為雷害風險預警指標，根據(jù)層次分析法構(gòu)建雷害風險預警模型為：

式中：R 為風險值；H 為歸一化后致災因子；D為歸一化后承災體脆弱性評估指標（危險電流）；E為歸一化后孕災環(huán)境敏感性評估指標。

圖2 浙江電網(wǎng)雷害事故承災體脆弱性分布

本文研究的預警分為雷電是否擊中桿塔的預警和桿塔所在線路是否雷擊跳閘的預警，即桿塔的雷擊風險預警和桿塔的雷害風險預警兩部分。以雷電概率預報數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)雷擊風險預警指標，桿塔所在處的雷擊概率預報0%和25%為低風險，50%為中風險，75%為高風險。雷害風險預警需要根據(jù)設置預警閾值，確定是否發(fā)布雷害風險預警。

本文中2016—2018 年浙江省雷電概率預報數(shù)據(jù)來自浙江省氣象臺，2016—2018 年浙江電網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)和歷史雷害數(shù)據(jù)來自國網(wǎng)浙江省電力有限公司科學研究院。將2016—2017 年浙江電網(wǎng)雷害個例，用于電網(wǎng)雷害風險預警閾值的確定。圖3 是2016—2017 年發(fā)生過雷害桿塔基于模型計算得到雷擊跳閘風險預警值分布。為了減少因雷電概率預報不準確對雷害風險預警模型的影響，只選擇雷電概率預報為50%和75%雷害個例（即雷電概率預報準確的個例）。

雷擊跳閘故障引起的電網(wǎng)停電事故，嚴重威脅著電網(wǎng)安全和穩(wěn)定。因此電網(wǎng)雷害風險預警盡可能不發(fā)生漏報，在此基礎上再考慮降低空報數(shù)?；谝獙v史雷擊跳閘桿塔盡可能都預警準確和空報率降低的原則，將閾值定為一個區(qū)間值，風險值位于區(qū)間內(nèi)則代表發(fā)布桿塔雷擊跳閘預警。根據(jù)圖3 風險預警值的分布，確定不同雷電概率預報等級的桿塔雷擊跳閘風險預警的閾值，如表1 所示。

圖3 2016—2017 年雷擊跳閘桿塔基于模型計算的雷害風險預警值

表1 不同雷電概率預報等級的桿塔雷擊跳閘風險預警的閾值確定

以往的雷害預警只根據(jù)雷電位置預報，認為雷擊點落在桿塔附近，就發(fā)布雷擊跳閘預警，未考慮孕災環(huán)境和桿塔的耐雷水平等因素，這樣會大大增加雷擊跳閘預警的空報率。對2018 年浙江電網(wǎng)雷害個例進行分析，經(jīng)過設定的閾值篩選，雷擊概率預報等級為2 級（中風險）的桿塔的空報數(shù)減少了22.0%，雷擊概率預報等級為3 級（高風險）的桿塔的空報數(shù)減少了25.4%，總體平均減少了24.0%。2018 年浙江電網(wǎng)一共有86 個雷擊跳閘事故案例，其中雷擊預警準確有32 個；32 個雷擊預警準確的案例中，雷擊跳閘風險預警準確的有31 個。

以2018 年9 月21 日為例，根據(jù)雷電概率預報數(shù)據(jù)每10 min 發(fā)布一次桿塔雷擊風險預警，如圖4 所示。根據(jù)雷害風險預警模型計算結(jié)果和預警閾值，對于風險預警值在預警閾值內(nèi)的桿塔發(fā)布基于桿塔的雷擊跳閘風險預警，如圖5 所示。

5 結(jié)論

本文基于災害學理論，提出一種涵蓋致災因子、孕災環(huán)境和承災體的浙江電網(wǎng)雷害風險預警方法。得出具體結(jié)論如下：

（1）該預警方法改變了以往僅僅依靠雷電位置預報發(fā)布雷害預警的做法，融入孕災環(huán)境和桿塔本身耐雷水平等因素，使得雷害風險預警方法更具科學性和可操作性。

圖4 2018 年5 月18 日16:00 未來60 min 浙江電網(wǎng)雷擊風險預警

圖5 2018 年5 月18 日16:00 未來60 min 浙江電網(wǎng)雷害風險預警

（2）通過2018 年電網(wǎng)雷害個例的檢驗，在保證預警準確率的情況下，該預警方法降低了雷害風險預警的空報率。在保證預警準確率的情況下，相比僅用雷電概率預報數(shù)據(jù)直接預警，該預警法的空報數(shù)減少了24.0%。其中，雷擊概率預報等級為2 級的桿塔雷害預警空報數(shù)減少了22.0%，雷擊概率預報等級為3 級的桿塔雷害預警空報數(shù)減少了25.4%。

（3）氣象部門的雷電概率預報數(shù)據(jù)主要基于雷達數(shù)據(jù)，其預報準確度欠佳。今后在雷電概率數(shù)據(jù)的基礎上，可以嘗試融合閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和大氣電場數(shù)據(jù)等地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高雷電概率預報數(shù)據(jù)的準確度，從而提高電網(wǎng)雷害風險預警的準確度。