趙海龍,霍美屹,龐松嶺
(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,???570311; 2.熱帶智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室,???570311)
雷電是自然界的一種重要大氣現(xiàn)象,雷電發(fā)生時(shí)伴隨著聲、光、電等多種物理現(xiàn)象,其瞬間產(chǎn)生的大電流、強(qiáng)電磁輻射會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)國(guó)家氣象局的統(tǒng)計(jì)研究,雷電災(zāi)害已成為我國(guó)的第三大氣象災(zāi)害,僅次于洪澇及地質(zhì)災(zāi)害[1]。海南島屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候,雷電活動(dòng)頻繁,各市縣的年均雷暴日數(shù)平均在130天左右,屬于強(qiáng)雷區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),海南島雷電災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在自然災(zāi)害中僅次于臺(tái)風(fēng),已成為海南島破壞性最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一[2]。
雷電活動(dòng)是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。國(guó)家電網(wǎng)公司2010年至2015年期間330 kV及以上電壓等級(jí)的交流輸電線(xiàn)路中,雷擊故障占故障總數(shù)的39.4 %至50.8 %,±500 kV及以上電壓等級(jí)的直流輸電線(xiàn)路中,雷擊重合閘次數(shù)占故障重合閘總次數(shù)的43.5~64.3 %[3]??梢钥闯觯讚艄收鲜请娋W(wǎng),尤其是架空輸電線(xiàn)路、戶(hù)外變電設(shè)備、架空配電線(xiàn)路等戶(hù)外設(shè)備故障跳閘的重要原因[4]。因此,有必要基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),對(duì)海南地區(qū)雷電活動(dòng)特性進(jìn)行深入分析,為電網(wǎng)設(shè)備防雷擊提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。
本文基于海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2011~2020年的雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),重點(diǎn)研究分析了海南地區(qū)雷電活動(dòng)的時(shí)間分布、空間分布、雷電流強(qiáng)度以及極性分布,為海南地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備防雷暴災(zāi)害提供有效的指導(dǎo)。
海南島屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候,雷電活動(dòng)頻繁,海南島年平均雷暴日在130天左右,屬于強(qiáng)雷區(qū)域[5]。通過(guò)海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng),收集整理海南地區(qū)2011年至2020年的雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了海南島雷電活動(dòng)的基本規(guī)律和特征[6,7]。由此繪制出了海南島2011~2020年雷電數(shù)量的年際分布及月際分布,如下所示。
海南島2011年-2020年逐年雷電活動(dòng)的數(shù)量分布如圖1所示。
由圖1可以看出,近十年海南島平均每年發(fā)生雷電18.84萬(wàn)次。其中2011年雷電活動(dòng)最為強(qiáng)烈,雷電數(shù)量達(dá)到22.89萬(wàn)次,平均每天發(fā)生627次雷電活動(dòng)。2011年到2014年雷電活動(dòng)逐年減弱,2015年雷電活動(dòng)反彈到21.77萬(wàn)次,2016年到2017年雷電活動(dòng)次數(shù)逐年下降,其中2017年雷電活動(dòng)最弱,雷電個(gè)數(shù)為14.09萬(wàn)次,2020年雷電活動(dòng)數(shù)量達(dá)到了22.55萬(wàn)次。
圖1 海南島2011~2020年雷電數(shù)量年際變化
海南島2011年-2020年月平均雷電活動(dòng)的數(shù)量分布如圖2所示。
由圖2分析可知,受熱帶海洋性季風(fēng)氣候影響,海南島高溫、高濕氣候特征明顯,局部地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣經(jīng)常發(fā)生。海南島的雷電活動(dòng)集中分布于春季和夏季。海南島從3月份開(kāi)始雷電活動(dòng)逐漸活躍,雷電活動(dòng)數(shù)量逐月增加,5月份的雷電個(gè)數(shù)達(dá)到頂峰,達(dá)到5.41萬(wàn)次,6月份、7月份的雷電個(gè)數(shù)有所減少,8月份、9月份雷電個(gè)數(shù)有所增加,分別達(dá)到3.09萬(wàn)次和2.36萬(wàn)次,10月份后雷電活動(dòng)明顯減弱??偟膩?lái)說(shuō),海南島雷電活動(dòng)最為活躍的4~9月,該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的雷電次數(shù)占到全年總次數(shù)的94.88 %。海南島在每年的10月至次年3月雷電活動(dòng)最不活躍,該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的雷電次數(shù)僅占到全年總次數(shù)的5.12 %。
圖2 海南島2011~2020年雷電數(shù)量月際變化
地閃密度是指某區(qū)域每平方公里地面的年均落雷次數(shù),單位為/(km2·a),是雷電活動(dòng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。為分析海南島雷電活動(dòng)的空間分析特性,本文統(tǒng)計(jì)了海南島18個(gè)市縣2011~2020年10年間的平均地閃密度,如圖3所示。海南全省地閃密度的平均值為5.062次/(km2·a)。
由圖3可以看出,白沙黎族自治縣、澄邁縣、儋州市、定安縣、??谑?、臨高縣、屯昌縣的平均地閃密度高于全省平均值,其中澄邁縣的十年平均地閃密度值達(dá)到了9.12次/(km2·a),為海南島最高,達(dá)到了全海南島平均值的1.8倍,樂(lè)東黎族自治縣的十年平均地閃密度值為2.274 6次/(km2·a),為海南島最低,為海南島平均值的45 %。
圖3 海南島18個(gè)市縣2011~2020年平均地閃密度
總體而言,海南島的雷電活動(dòng)在空間上呈以下分布規(guī)律:北部地區(qū)(如臨高、澄邁、??凇⒍ò玻┑睦纂娀顒?dòng)明顯較南部地區(qū)(如樂(lè)東、三亞、陵水)活躍,地閃密度更高。
雷電的雷電流幅值是指一次雷擊中監(jiān)測(cè)到的峰值電流,是脈沖電流所達(dá)到的最高值[8]。海南島近10年雷電流幅值分布如圖4所示,雷電流幅值主要集中在低幅值區(qū)間,幅值在0~20 kA的雷電流占了61.37 %,幅值在0~30 kA的雷電流占了76.15 %,幅值在0~40 kA的雷電流占了85.11 %,雷電流幅值主要集中在0~50 kA之間,這個(gè)區(qū)間內(nèi)的地閃次數(shù)占到了總地閃次數(shù)的90.16 %??梢钥闯?,海南地區(qū)雷電活動(dòng)的雷電流強(qiáng)度主要集中于低電流幅值區(qū)間。
圖4 海南島近10年雷電流幅值分布
海南島2011~2020年的雷電流極性分布如圖5所示。負(fù)極性雷電流是海南島雷電流的主要形式,2011~2020年負(fù)極性雷電流總個(gè)數(shù)為15.61萬(wàn),占到了雷電流總個(gè)數(shù)的82.83 %。
圖5 海南島2011~2020年雷電流極性分布
海南島2011~2020年的正閃比例年際變化曲線(xiàn)如圖6所示,海南到2011~2020年十年間雷電活動(dòng)的平均正閃比例為16.8 %,2011~2017年七年間平均正閃比例為8.86 %,而2018~2020年近三年海南雷電正閃比例遠(yuǎn)高于前,平均達(dá)到了35.33 %,為前七年平均正閃比例的的3.99倍。
圖6 海南島2011~2020年正閃比例年際變化
本文基于海南電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2011年至2020年的雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),重點(diǎn)研究分析了海南地區(qū)雷電活動(dòng)的時(shí)間分布、空間分布、雷電流強(qiáng)度以及極性分布特征,可得出以下結(jié)論:
1)海南島雷電活動(dòng)頻繁,年平均雷電活動(dòng)得到18.84萬(wàn)次。
2)海南島雷電活動(dòng)具有明顯的季節(jié)規(guī)律,春季和夏季雷電活動(dòng)最活躍,全年有94.88 %的雷電活動(dòng)發(fā)生在4月到9月,5月份的雷電活動(dòng)次數(shù)最多,平均為5.41萬(wàn)次。
3)海南島的雷電活動(dòng)具有明顯的空間分布規(guī)律,北部地區(qū)的雷電活動(dòng)明顯較南部地區(qū)活躍。
4)海南全省地閃密度的平均值為5.062次/(km2·a),其中澄邁縣的十年平均地閃密度值達(dá)到了9.12次/(km2·a),為海南島最高,樂(lè)東黎族自治縣的十年平均地閃密度值為2.274 6次/(km2·a),為海南島最低。
5)海南島雷電活動(dòng)的雷電流幅值主要集中在低幅值區(qū)間,幅值在0~20 kA的雷電流占了61.37 %。
6)負(fù)極性雷電流是海南島雷電流的主要形式,平均負(fù)閃比例達(dá)到83.2 %,2018~2020年近三年來(lái)海南雷電正閃比例遠(yuǎn)高于前,平均達(dá)到了35.33 %,為前七年平均正閃比例的的3.99倍。