雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征

雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征

陈家宏,童雪芳,谷山强,李晓岚

(国网电力科学研究院,武汉430074)

摘　要:为满足防雷工程技术对雷电定位系统所测大量雷电流参数的应用需求,在IEEE 工作组和国内电力行业规程中采用的雷电流幅值概率分布特性的基础上,通过统计我国典型雷电定位系统监测数据研究了雷电流幅值分布特征。结果表明:采用IEEE 推荐的表达形式回归雷电定位系统测量的雷电流幅值累积概率曲线拟合性最好,其结果与IEEE 推荐雷电流幅值分布特征符合,与我国当前规程中推荐的曲线有交叉,小幅值部分累积概率值高出规程值20%,大幅值部分累积概率值略小,与高压架空输电线实际雷击绕击跳闸率比设计值偏高相符合。关键词:雷电流幅值;雷电定位系统;统计;累积概率;雷电监测;雷电流分布中图分类号:TM866文献标志码:A 文章编号:100326520(2008)0921893205

基金资助项目:2006国网公司科研项目(13070052512353)。

Project Supported by 2006Scientific Item of State Electric Grid (13070052512353).

Distribution Characteristics of Lightning Current Magnitude Measured

by Lightning Location System

C H EN Jia 2hong ,TON G Xue 2fang ,GU Shan 2qiang ,L I Xiao 2lan (State Grid Electric Power Research Instit ute ,Wuhan 430074,China )

Abstract :To satisfy the application demands of vast lightning current parameters in lightning protection engineering technology ,the distribution characteristics of cumulative probability of lightning current magnitude adopted by IEEE working group and national power industry regulations are analyzed ,and the distribution characteristics of lightning current magnitude in some typical areas based on lightning location system ’s data are studied.The results show that :the fitting expression format adopted by IEEE is better for cumulative probability curves gotten f rom lightning loca 2tion system than that adopted by national power industry regulations ,the characteristics of the statistical curves ac 2cord with that recommended by IEEE ,in two sides of the crossing point ,the cumulative probability values at smal 2ler currents are 20%higher than the latter ,and the cumulative probability values at higher currents are somewhat smaller than the latter ,which is accordant with that the actual shielding failure rates of high voltage overhead trans 2mission lines are higher than design values.

K ey w ords :lightning current magnitude ;lightning location system ;statistic ;cumulative probability ;lightning de 2tection ;lightning current distribution

0　引　言

雷电流幅值概率分布一直是国内外防雷界非常重视的雷电参数之一,在绕击和反击防雷计算中占据十分重要的位置,国内外使用的雷电流幅值分布表达式不同。国内在近30多年中对雷电流幅值分布表达式进行过3次修改,目前使用的是电力行业规程《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T62021997)[1]中推荐的表达式lg P I =-I /88,它是依据新杭线1962～1987年的磁钢棒检测结果,用97个雷击塔顶负极性雷电流幅值数据回归得到的[2]。国际上,Anderson 2Erikson 、Popolansky 、Sar 2gent 等人先后对全球各地的雷电流幅值分布进行了研究,归纳出相应的雷电流幅值累积概率表达式[3],IEEE 工作组于2005年对全球雷电参数研究

进行回顾和总结,仍然推荐Anderson 依据Berger 等人的实测数据提出的雷电流幅值的概率分布的近似对数正态分布式[4,5]。日本为了监测雷电流参数,1994～1997年在60个1000kV 降压至500kV 运行的双回路输电线路杆塔塔顶安装215m 长的引雷针[6],研究出自己的雷电流幅值分布特征。

雷电定位系统是一套全自动、大面积、高精度、实时雷电监测系统,采用遥测法依据M.A.Uman 提出的地闪回击场模型得到雷电流幅值数据。本文通过雷电定位监测系统的多年监测资料对全国部分地区的雷电流幅值概率分布进行了统计,得到一些典型的雷电流幅值分布特征,并将其与现行电力行业标准中推荐的雷电流幅值分布曲线进行了比较。

1　对雷电流幅值累积概率分布的再认识

在我国线路防雷历史上,对雷电流幅值累积概率分布进行的3次修订如表1[7]。

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高　电　压　技　术

High Voltage Engineering

Vol.34No.9

Sep.　2008

表1　我国雷电流幅值累积概率分布历次修订汇总

T ab.1　China’s revised distribution of cumulative prob ability of lightning current m agnitude

修订年份雷电流幅值累积概率分布依 据

1959lg P I=-I/60沿用前苏联公式

1979lg P I=-I/108基于我国各地1205个磁钢棒记录数据[8,9]

1997lg P I=-I/88新杭线20多年实测结果。采用97个雷击塔顶负极性雷电流幅值数据回归[10]

注:表1中,I为雷电流幅值,kA;P I为雷电流幅值>I的概率。

国际上,Pobolansky早在1977年根据欧洲、澳洲和美国的观测结果,提出了雷电流分布服从正态分布的观点,受到广泛认可。此后的研究者根据对不同地区的观测提出了不同的中值电流和对数标准偏差,其中Eriksson和Anderson的观测结果被广泛采用。Anderson根据Berger等人获得的80个负极性首次回击实测数据(进行过校正),首次给出了雷击电流大于某一电流I P的累积概率的近似表达式,即

P c(>I P)=

1

1+(I P

31)2.6

。(1)

式中,I P∈(2kA,200kA)。

负极性后续雷击电流的中值为1213kA,其对数值的标准差为015296。大于某一电流幅值I P的累积概率可近似由下式求出:

P c(>I P)=

1

1+(I P

12)2.7

。(2)

式(1)和式(2)被IEEE工作组和CIGRE所推荐。

分析各种累积概率表达式,本文将式(1)、(2)两种形式写成式(3)标准式,即

P I=

1

1+(I

a )b

。(3)

式中,I为雷电流幅值,kA;P I指电流幅值>I的概率;式中含有2个参数a、b,且b>1;参数a表示中值电流,即电流幅值>a的概率为50%;参数b反映了曲线变化程度:记雷电流幅值累积概率分布曲线(横坐标为幅值,纵坐标为概率)两点间斜率为k,见图1,以50%概率处为分界点,>50%概率点和50%概率点间的斜率为k1,50%概率点和<50%概率点间的斜率为k2。当b值增大时,|k1|、|k2|均增大,50%概率点左侧曲线和右侧曲线均“变陡”。因此,b值可以体现幅值概率曲线的变化程度,b值越大,表示幅值概率曲线下降程度越快,电流幅值集中性越强。

我国行业规程一直采用lg P=-I/c的形式,

与

图1　斜率示意图

Fig.1　Schem atic of slope

之相比,表达式(3)有2个显著含义参数,更形象、直观、全面地表现出了雷电流幅值概率的分布特征。

2　基于雷电定位系统的雷电流幅值分布统计我国于20世纪80年代末开始研究雷电定位监测技术,经过数十年的发展,中国电网雷电监测网已经覆盖了全国30个网省区域。雷电定位系统运行至今,积累了传统雷电流幅值测量法所远不可比拟的海量雷电数据,且随着时间的继续推移,雷电数据仍在不断的积累。不同地区地理、气候条件各不相同,雷电参数分布特征也有所差异,可以充分利用这些自动监测数据统计各区域针对性的雷电参数。

国网武汉高压研究院从2005年开始,全面开展利用这些长时间、大面积的海量雷电监测数据获取有价值的各种雷电参数研究,取得了一些显著研究成果,提出了雷电日统计的网格法[11,12],线路走廊沿线雷电活动规律分析的“线路走廊网格法”判断出了1000kV特高压试验示范工程的沿线雷电分布特征和易闪段[13],分析了部分地区的区域雷电日、雷电时、地闪密度、平均回击次数等雷电参数的时空分布特征,这些数据为输变电设备防雷改造、设计以及规划选址提供了前所未有的参考和借鉴。本文通过自动监测数据针对雷电流幅值的分布特征进行了一些研究,下面以一些典型的数据为基础来分析基于雷电定位系统的雷电流幅值分布特征。

2.1　正、负极性雷电流幅值累积概率分布的比较

对正、负极性地闪主放电分别进行雷电流幅值统计,我国东南沿海某地区分布曲线见图2。不同极性雷电流幅值累积概率曲线差异较大,正极性曲线比负极性曲线平坦,负极性雷电流幅值分布比正极性更加集中,负极性地闪出现大幅值的概率小于正极性,中值电流也小于负极性。正、负极性综合后

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的概率曲线与负极性概率曲线很接近,这与新杭线

的统计结果一致[10]。正极性地闪比率通常<10%,故对综合后雷电流幅值概率曲线的影响很小。2.2　拟合形式的比较

以P I =

1

1+(I

a

)b

和lg P =-

I

c

两种形式对累计的雷电流幅值概率曲线进行最小二乘法回归拟合,分别得到曲线回归概率曲线1、回归概率曲线2(表达式中提供10%概率参数,强制经过(0,1)点),见图3。

由图3可见,无论是对正极性还是对负极性地闪,采用式(4)形式的回归拟合效果比用规程法形式的拟合效果好,正负极性综合后的结果与负极性几乎一致。正极性地闪雷电流幅值的拟合效果比负极性效果相对略弱。用规程法形式拟合出来的曲线误差较大,拟合曲线偏向平缓;当去除强制经过(0,1)点这一限制,以lg P I =-I/I 10%+c (c 为常数)的形式回归时拟合误差会有所减小,其中,I 10%为10%概率时所对应的雷电流。2.3　不同地区雷电流幅值累积概率分布特征比较

全国其他地区雷电流幅值累积概率分布曲线见

图4中的各子图所示,其中图(a )、

(b )、(c )分别为东部沿海某地、南部某地及华北某地的雷电流幅值累

积概率分布曲线。可见,各地区雷电流幅值概率分布特征相似,只是各雷电流幅值所对应的具体累积概率数值不同,不同地区中值电流和曲线的陡度变化程度不同。

3　雷电流幅值概率分布差异及其合理性

3.1　雷电流幅值累积概率曲线的比较

比较统计的主放电幅值累积概率曲线与规程、IEEE 推荐的累积概率曲线,见图5所示。3条曲线

中,统计累积概率曲线与IEEE 推荐累积概率曲线

特征更相似,在极小电流部分,两者均有一段缓慢下降部分,而规程推荐累积概率曲线在极小电流区域下降更迅速。图中,曲线1为统计累积概率与规程推荐累积概率之差;曲线2为统计累积概率与IEEE 推荐累积概率之差。统计累积概率曲线与规程推荐累积概率曲线约在25kA 处相交,在交叉点左侧,同一电流值所对应的累积概率要大于规程推荐值,在交叉点右侧,同一电流值所对应的累积概率要小于规程推荐值。统计累积概率曲线与规程推荐累积概率曲线最大差别达到20%。3.2　雷电流幅值概率密度曲线的比较

雷电流幅值概率密度曲线描述各连续雷电流幅

图2　正、负极性以及综合雷电流幅值累积概率曲线

Fig.2　Cumulative prob ability curves of lightning current

magnitude for different

polarities

图3　回归概率曲线的比较

Fig.3　Comparison betw een different f itting

prob ability curves

值地闪所占比率。从图6可见,幅值分布均存在明显的堆积特征,主要集中在较低的60kA 范围内,统计概率密度曲线集中性最强。统计概率密度曲线特征与IEEE 推荐概率密度曲线更相似,概率密度曲线均先上升后下降,与规程法推荐概率密度曲线差别较大,规程法推荐概率密度曲线电流幅值集中在更小的电流段,0附近地闪比重最大。

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图4　不同地区的雷电流幅值累积概率分布Fig.4　Cumulative prob ability distribution of lightning

current m agnitude in different areas

雷电流幅值出现在绕击区间中的概率很大。统计雷电流幅值出现在绕击区段7～40kA范围内的比率为7610%;根据规程推荐曲线,在7～40kA范围内的地闪占4812%,比实际值显著偏小;根据IEEE推荐曲线,在7～40kA范围内的地闪占6319%,在实际值和规程值之间,更接近实际值。

3.3　合理性讨论

1)磁钢棒检测雷电流幅值,记录的是载流导体中流过的最大雷电流幅值,在各次重复落雷中,只保留了雷电流幅值最大的那一次记录[14]。因此,磁钢棒记录漏掉了部分小电流,部分记录的雷电流值偏大,

这是规程法累积概率曲线比统计曲线小电流概

图5　雷电流幅值累积概率曲线比较

Fig.5　Comparison betw een different cumulative prob ability curves of lightning current m

agnitude

图6　雷电流幅值概率密度曲线比较

Fig.6　Comparison betw een different

prob ability density curves

率偏小、大电流略偏大的原因之一。

2)在超/特高压输电线路中,雷击事故原因主要是绕击[15],而用规程给出参数计算出来的绕击跳闸率相比实际值都明显偏小,这在一定程度上是由于规程法推荐的幅值累积概率曲线中绕击区段雷电流的累积概率偏低所致,上述统计结果切实反映了此问题。

3)不同地区虽然具体的雷电流幅值累积概率曲线表达式不同,中值电流和曲线陡度变化程度有差异,但各个地区的雷电流幅值分布特征是相似的。

4　结　语

雷电流幅值分布是直接影响雷击跳闸率计算结

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果和防雷措施配置的重要参数之一。本文利用雷电定位系统监测数据对雷电流幅值进行统计,并与IEEE推荐概率分布和现行电力行业规程推荐的概率曲线进行分析比较,发现采用P I=1

1+(I

a )b

形

式描述统计累积概率曲线效果较好,统计雷电流幅值分布特征与规程推荐曲线差别较大,特别是在绕击区段,规程提供的曲线概率偏小。比较结果在一定程度上解释了当前超高压线路中实际绕击跳闸率普遍高于计算值的现象。

随着雷电监测数据样本的不断积累,通过大规模的雷电普查、统计分析,可以制定更精确的雷电流幅值分布,以及雷电参数随地理、气候的变化规律。

参考文献

[1]DL/T62021997　交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

北京:电力工业出版社,1997.

[2]孙　萍.220kV新杭线Ⅰ回路26年全线实测雷电流幅值的统

计分析[J].浙江电力,1994(2):17226.

SUN Ping.Statistical analysis of testing result s for lightning current amplitude in26years on220kV Xin2Hang No.1line [J].Zhejiang Electric Power,1994(2):17226.

[3]钱冠军.下行雷闪屏蔽问题的研究及其在输电线路中的应用

[D].武汉:华中科技大学,1998.

QIAN Guan2jun.Study for shielding problem of downward lightning st roke and it s applications in transmission line[D].

Wuhan:Huazhong University of Science and Technology, 1998.

[4]Lightning and Insulator Subcommittee of t he T&D Committee.

Parameters of light ning strokes:a review[J].IEEE Transac2 tions on Power Delivery,2005,20(1):3462358.

[5]Working Group on Estimating t he Lightning Performance of

Transmission Lines.IEEE working report:Estimating light2 ning performance of transmission linesⅡ2updates to analytical models[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1993,8

(3):125421267.

[6]J un Takami,Shigemit su Okabe.Observational result s of light2

ning current on transmission towers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(1):5472556.

[7]杜澍春.关于输电线路防雷计算中若干参数及方法的修改建议

[J].电网技术,1993,20(12):53256.

DU Shu2chun.Suggestion on revising t he calculation met hod and some parameters used in lightning protection of transmission

lines[J].Power System Technology,1993,20(12):53256. [8]SDJ721979　电力设备过电压保护设计技术规程[S].北京:电

力工业出版社,1979.

[9]陈维贤.电网过电压教程[M].北京:中国电力出版社,1996.

[10]孙　萍.220kV新杭线雷电流幅值实测结果的统计分析[J].

中国电力,2000,33(3):72275.

SUN Ping.Statistical analysis of testing result s for lightning current magnitude on220kV Xin2Hang line[J].Electric Pow2 er,2000,33(3):72275.

[11]陈家宏,郑家松,冯万兴,等.雷电日统计方法[J].高电压技术,

2006,32(11):1152118.

CH EN Jia2hong,ZH EN G Jia2song,FEN G Wan2xing,et al.

Statistical met hod of t hunderstorm day[J].High Voltage Engi2 neering,2006,32(11):1152118.

[12]陈家宏,冯万兴,王海涛,等.雷电参数统计方法[J].高电压技

术,2007,33(10):6210.

CH EN Jia2hong,FEN G Wan2xing,WAN G Hai2tao,et al.

Statistical met hod of lightning parameters[J].High Voltage Engineering,2007,33(10):6210.

[13]陈家宏,王海涛,冯万兴,等.1000kV线路走廊的雷电参数及

易闪段分析[J].高电压技术,2006,32(12):45248.

CH EN Jia2hong,WAN G Hai2tao,FEN G Wan2xing,et al.A2 nalysis of lightning parameters and weak sections for1000kV U HV transmission line corridor[J].High Voltage Engineer2 ing,2006,32(12):45248.

[14]王巨丰.雷电流最大陡度及幅值的频率分布[J].中国电机工程

学报,2007,27(3):1062110.

WAN G J u2feng.Probability distribution on measuring parame2 ters of t he lightning supreme steepness and lightning peak cur2 rent in t he transmission line[J].Proceedings of t he CSEE, 2007,27(3):1062110.

[15]谷定燮,樊灵孟.对我国500kV线路防雷的新思考[J].中国电

力,2004,37(12):18221.

GU Ding2xie,FAN Ling2meng.New consideration of500kV transmission line lightning protection in China[J].Electric Power,2004,37(12):182

21.

CH EN Jia2hong

Professor

陈家宏

1960—,男,教授级高工

研究方向为雷电监测与防护

收稿日期　2008206228 编辑　卫李静

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