基于ADTD系统的雷电流波头陡度频率分布特征

第３８卷第６期　２０１０年１２月　气　象科技　

ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３８。Ｎｏ．６　

ＤｅＣ．２０１０　

引言　基于ＡＤＴＤ系统的雷电流波头陡度频率分布特征　李家启　李博　申双和　王劲松。　李良福　（１南京信息工程大学应用气象学院，南京２１００４４；２重庆市气象局，重庆４１００４７　３国家卫星气象中心，北京１０００８１）　

摘要通过对ＡＤＴＤ闪电定位系统２００６－－２００８年在重庆地区监测的７２９５９８次闪电进行统计，重点分析雷电流　陡度的频率分布特征。结果表明：雷电流波头陡度及其频率随极性不同而差异较大，正闪陡度明显大于负闪陡　度，而同陡度负闪频率却显著大于正闪；雷电流幅值与陡度相关系数为＋０．６１３；采用电力行业标准ＤＩ　／Ｔ６２０推　荐波头时间反推得到的雷电流陡度和采用Ｃｉｇｅｒ推荐公式计算得到的雷电流陡度的概率分布特征与统计特征差　异较大。在此基础上分析了ＡＤＴＤ系统获取雷电流陡度资料的局限性，为合理选取雷电流陡度参数提供理论　依据。　关键词　雷电流陡度　幅值　相关系数　波头时间常数　

雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一。近　３０年的雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡事故　分析表明，具有发生频次多、范围广、危害严重、社会　影响大的特点。据不完全统计，我国每年因雷电灾　害造成的人员伤亡约为３０００￣４０００人，财产损失约　为１８０００亿元。雷电灾害是联合国“国际减灾十年”　公布的最严重的１０种自然灾害之一，被国际电工委　员会称为“电子时代的一大公害”。　雷电流幅值和陡度是反映雷电活动规律的重要　参数。雷电灾害事故，特别是雷电电磁辐射引起的　雷电灾害，与雷电流幅值、雷电流最大陡度密切相　关ｕ。。］。某些雷电灾害事故是由高幅值、低陡度的雷　电流引发；某些雷电灾害事故却是由低幅值、高陡度　雷电流引发，因此研究雷电流幅值及其陡度的概率　分布特征对于分析雷电灾害事故特征和采取有效的　雷电防护措施具有极其重要的意义。　我国对雷电流陡度的测量起步于２Ｏ世纪６０年　代，先后采用磁钢式雷电流陡度仪、磁带法和闪电定　位仪等方法［４　测量。孙萍等＿８］用改进型磁钢式雷　电流陡度仪于１９８３　１９８７年在浙江省共实测得雷　击塔顶２Ｏ个陡度数据，雷击档内向两边分流的人塔　

电流９８个陡度值，分析得到雷电流陡度与其幅值的　相关系数分别为＋０．５１与＋０．７５，并根据中力行业　标准（ＤＬ／Ｔ６２０—１９９７）中雷电流幅值累积概率分　布公式推导得出浙江电网雷电流陡度的累积概率分　布式。王巨丰等ｌ＿ｇ　采用记录品质较好的金属磁带作　磁卡的磁层，对雷电流幅值、最大陡度进行了实地测　量，并对测量数据进行了深入的研究，进而提出桂林　地区雷电流最大陡度的频率分布曲线，为电力系统　的防雷研究提供了很好的手段和真实的数据。陈家　宏＿１。。等利用闪电定位系统资料分析了雷电流幅值　频率分布特征。　近年来，闪电定位系统的建立和运用，监测　资料的大量增加，对采取海量地闪资料分析雷电　流陡度频率分布特征研究提供了可能。而目前　闪电定位系统的资料仅被ＩＥＥＥ工作组推荐用于　地闪密度和闪电极性研究Ｅｌｌｑ　Ｚ　３，采用闪电定位资　料就雷电流陡度分布特征进行研究尚未见到报　道。本文采用２００６—２Ｏ０８年重庆市闪电定位系　统的地闪监测资料进行统计分析，并将正、负闪　雷电流陡度分别进行统计，分析其雷电流陡度的　频率分布特征。　

公益行业专项（ＧＹＨＹ（ＱＸ）２００７—６—２２—４）、重庆市科技攻关项目“重庆市轻轨防雷技术研究”、重庆市建设科研项目（城科字第５１号）资助　作者简介：李家启，男，１９７２年生，高级工程师，从事雷电科学与防护技术研究，Ｅｍａｉｌ：ｃｑｌｊｑ＠１２６．ｃｏｒｎ　收稿日期：２０１０年１月２２日；定稿日期：２０１０年５月１１日　７４２　气　象　科　技　第３８卷　１　资料来源与方法　ＡＤＴＤ闪电定位系统主要用来探测云地闪，并且　能区分正负极性。目前在气象、航天、航空、通信、林　业、电力、建筑等国防和国民经济的许多领域都有着　广泛的应用。为提高雷电定位精度，同时扩大探测范　围，综合考虑站址位置、站间距离、场站通信条件及场　址背景条件，重庆市建成的第２代雷电监测网由１个　主站（市区），４个子站（酉阳、城口、云阳、石柱）组成，　且与陕西省安康，四川省达州、遂宁、自贡，贵州省赤　水、道真，湖北省恩施、巴东、神龙架等地的雷电监测　站点联网，覆盖了重庆市所辖行政区域。该雷电监测　网的钟频最高能到１６　ＭＨｚ，使每个闪电回击的处理　时间在１　ｍｓ左右，探测效率可达９５　。中心数据处　理站对接收到的闪电回击数据实时进行交汇处理，给　出每个闪电回击的准确位置、强度等参数。同时该网　实现了对地闪时间、位置（经度、纬度）、雷电流峰值、　陡度和极性的自动监测＿】　¨　本文采用ＡＤＴＤ闪电定位系统系统２０Ｏ６—　２００８年监测资料，选取其中同时获取有强度和陡度　的７２９５９８次闪电，通过数理统计方法，分析雷电流　陡度累积概率特征，采用国际ＩＥＥＥ推荐公式得到　雷电流陡度累积概率表达式，同时与利用雷电流幅　值累积概率概率分布特征反推得到的陡度频率分布　公式进行对比分析。　２　结果分析　２．１　极性分布　从３年的地闪监测资料来看，雷电流波头陡度　随极性不同而差异较大（图１），正闪平均雷电流波　头陡度ｌ２．７　ｋＡ／ｔ￣ｓ，最大陡度３０７．７　ｋＡ／ｔ￣ｓ；负闪　平均雷电流波头陡度ｌ２．０　ｋＡ／ｔＬｓ，最大陡度　４６６．８　ｋＡ／ｔＬｓ，无论是日变化还是年变化，正闪雷电　流波头陡度远大于负闪。　２．２　频率分布　在２００６－－２００８年闪电分布（图２）中，正闪主要　分布陡度范围是３～２０　ｋＡ／ｔ￣Ｓ，该范围内的正闪频　次占到全部正闪频次的８７．１　，其中陡度为　８　ｋＡ／ｔ￣ｓ的正闪频次最多，占全部正闪频次的　８．８　；负闪主要分布陡度范围是３～２５　ｋＡ／ｔＬｓ，该　范围内的负闪频次占到全部负闪频次的９７．１　，与　正闪陡度相比，负闪陡度相对更集中，其中陡度为　９　ｋＡ／ｔＬｓ的负闪频次最多，占全部负闪频次的　９．５　。从图２还可以发现，相同雷电流波头陡度的　正负闪频次不一致，其中负闪频次远远大于正闪频　次。这与整个闪电中正闪所占比例有关，文献［１１］　分析表明正闪占总数比例不到１Ｏ％。　

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Ｏｌ　Ｏ２　０３　Ｏ４　０５　Ｏ６　０７　０８　０９　１０　１１　１２　月份　

图１雷电流波头陡度日变化（ａ）和年变化（ｂ）曲线　

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聂　・　

Ｏ・５　０　ｌ一一一负闪ｌ　，　ｌ　正闪Ｉ　，　、　，　、　，　、　－　、　、　、　１－　、　．　、　Ｉ　八　，　、　＼　、　‘　、　、　＿　．　Ｉ２００　９００　爵　６００琶　３００　０　０　５　１０　１５　２Ｏ　２５　３０　３５　４０　

雷电流波头陡度／（ｋＡ・ｇｓ　）　

图２闪电陡度的频率分布曲线　２．２．１　雷电流幅值和陡度的相关性　针对２００６－－２００８年在重庆地区监测的７２９５９８　次闪电中的雷电流幅值和对应的陡度数据，采用二　

铂　∞　的　∞　第６期　李家启等：基于ＡＤＴＤ系统的雷电流波头陡度频率分布特征　７４３　次多项式拟合，得到其相关系数为＋０．６１３。雷电流　幅值和陡度为正相关，相关较为紧密。２０世纪６Ｏ　年代原苏联用相关分析法分析了巴库地区的２２４组　数据，得出相关系数为＋０．６４；刘继、孙萍［】。　根据　美国Ｍｃｃａｎｎ和瑞士Ｂｅｒｇｅｒ利用示波器测得的６２　组雷电流第一峰值的陡度与幅值的关系数据分析得　到的相关系数为＋０．６０；孙萍＿８　用改进型磁钢式雷　电流陡度仪于１９８３－－１９８７年在浙江省共实测得雷　击塔顶２０个陡度数据，雷击档内向两边分流的入塔　电流９８个陡度值，分析得到雷电流陡度与其幅值的　相关系数分别为＋０．５１和＋０．７５。这些数据与本　研究的结论基本一致。　２．２．２统计分布特征　闪电定位系统资料表明：雷电流波头陡度超过　８　ｋＡ／ｔａｓ的占８０　以上，陡度大于１１　ｋＡ／“ｓ的占　５０　以上，陡度大于１５　ｋＡ／ｔ￣ｓ的约占２５％，这与庄　婉如（安徽省电力科学研究所，“陡度对于配电避雷　器保护特性的影响”）的结论有一定差异，但是与陡　度大于１１　ｋＡ／ｂ￣ｓ的占５０　以上结论基本一致　（表１）。　

表１　雷电流波头陡度累积概率分布　ｋＡ・　ｓ－１　

根据上面分析的雷电流幅值（Ｉ）与陡度（ａ）相关　性，采用ＩＥＥＥ工作组推荐的公式＿１卜　］得到正闪陡　度累积概率表达式为：　

Ｐ＋（＞ａ）一１￣１＋‘　）…］（１）　负闪陡度累积概率表达式为：　Ｐ一（＞ａ）一１／［－１＋（　）　・＂　］　（２）　正闪＋负闪陡度累积概率表达式为：　Ｐ（＞口）一１／［１＋（．　）　。］　（３）　．ｏ０　

２．２．３　ＤＬ／Ｔ６２０理论推导分布　根据闪电定位系统监测的雷电流幅值及其陡　度，得到其波头时间的分布特征（表２），这与文献　Ｅｌ８］所说在５０　累积概率下波头时间在２．７～　４．０　ｂｔｓ结论基本一致。根据雷电流幅值和陡度密切　相关，可将雷电流幅值和陡度简单地看成线性相关，　即幅值和陡度成正比，也就是将雷电流的波头时间　

表２雷电流波头时间累积概率分布　ｓ　ｒ看成常数。　雷电流幅值相同情况下，波头时间越短，陡度越　大，相对雷击危害越严重。采用电力行业标准　ＤＬ／Ｔ６２０—１９９７推荐的取ｒ一（Ｉ／ａ）（，ｒ／２）一（６０／　３６）（ｎ／Ｂ）≈２．６　ｓ（根据原苏联直流研究所提出的　ｌｇＰ＝～１／６０和ｌｇ　Ｐ　一一ａ／３６分别计算雷电流幅　值　和陡度ａ而来），而波头波形采用半余弦波。　ＪＰ一（２．６ａ）／（７ｒ／２）　（４）　将式（４）带入雷电流幅值累积概率分布公式Ｐ＋（＞　

Ｉｅ）一１／［－１＋　）　・　蚰］、Ｐ一（＞Ｉｐ）一１／［－１＋　

‘　）　］和Ｐ（＞Ｉｐ）一１／［－１￣（　）。－。　］得　到正闪陡度累积概率理论推导式：　Ｐ＋（＞ａ）一１／２］＋（　）　］（５）　负闪陡度累积概率理论推导式：　Ｐ一（＞ｄ）一１／［１＋（　）　曲　］（６）　正闪＋负闪陡度累积概率理论推导式：　Ｐ（＞ａ）一１／ｆ－１＋（　）　］　（７）　２．２．４　统计特征、ＤＬ／Ｔ６２０推导和Ｃｉｇｅｒ公式计　算的雷电流陡度比较　由于文献［２Ｏ］提出随后闪击陡度大于第１次闪　击，故本文采用Ｃｉｇｅｒ公式第１次闪击陡度公式来　得到推导值。　一３．９Ｉ。・　（８）　雷电造成危害大小主要取决于雷电流幅值及其　波头陡度的影响。在相同雷电流幅值情况下，波头　陡度越大，造成危害就越大；反之，造成危害较小。　因此，以波头陡度较大值为参数进行防雷装置设计　和施工，更能有效防护。而从雷电流波头陡度累积　概率分布曲线（图３）可以看出，推导得出的雷电流　波头陡度远大于统计分布特征，在雷电防护的设计　中采用该推导结果，有利于提高防护标准，有效采取　防雷措施。