申元，王磊，马御棠，黄然

(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，昆明市，650217)

0 引言

电力系统防雷设计依赖于雷电参数的全面、准确统计。早期，雷电参数多通过气象观测获得，其广度和精度有限;近年来，雷电定位系统在我国大范围应用，极大提高了雷电参数的获取能力，通过雷电电磁场遥测技术，实现了雷击故障点定位和雷电流计算，为输电线路设计和防雷措施的制定提供了依据，降低了输电线路雷击跳闸率［1］。目前，国内雷电定位系统是基于二维平面地理信息系统(geography information system，GIS)地图，无法直接获得海拔高度因素和雷击地闪点的相关性及海拔高度对雷电参数的影响［2］。云南省地形复杂，海拔高度对雷电的影响有待研究，因此有必要结合云南雷电参数定位系统和云南海拔高度数据对雷电参数作进一步分析。本文利用全球海拔高程数据获取云南某地海拔高度信息，通过叠加二维平面GIS地图得到雷击地闪点雷电参数的海拔高度特性，分析了海拔高度对雷电参数的影响原因，总结了该地区雷电参数随海拔变化的规律。

1 海拔高程数据模型

高程数据是指空间某点沿铅垂方向到基准水平面的距离，主要来源于全球地形数据(GTOP05/GTOP30)、航天飞机雷达地形测量数据、先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer/global digtal elevation map，ASTER GDEM)等数据集［3］。ASTER GDEM是美国航天局与日本经济产业省于2009年6月30日共同推出的覆盖面最广、精度最高的全球电子地形数据，覆盖北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，垂直精度达20 m，水平精度达30 m［4］。本文的研究区域是云南某地，中心经纬度是 N23E103，海拔高度为 1 267～3 250 m，采用ASTER GDEM数据集来获得海拔高程数据。

2 获取雷击地闪点的海拔高度属性

与其他同类软件相比，Global Mapper软件具有操作简单、计算速度快的优点［5］。利用Global Mapper软件加载GDEM数据层，在该层上划分网格，确定网格的形心坐标，给每个网格形心赋于海拔高度值，将形心坐标的海拔高度属性关联到其所在的网格内，使网格具有海拔高度属性;统计对应海拔高度范围内的网格数和雷击地闪点的个数，通过计算即可得到雷电流密度和海拔高度参数的相关数据表。

3 海拔高度对雷电参数的影响

3.1 海拔高度对雷电流幅值的影响

雷电流幅值的大小主要与气象、地质条件和地理位置有关［6］，其中气象情况有很大的随机性，因此只有通过大量实测才能正确估算雷电流幅值的概率分布规律。DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》给出的雷电流的雷击概率计算公式为

式中:IL为雷电流的幅值，kA;P为幅值超过IL的雷电流出现的概率［7］。

近年来，由于在电网中应用了雷电定位系统，获得雷电流幅值参数的能力大大增强，本文利用雷电定位系统获得所研究区域雷击点的雷电流幅值参数并结合Global Mapper软件得到了相关的雷击点三维坐标。将海拔高度1 300～3 200 m范围按照每段100 m细分，计算每段海拔高度范围内的平均雷电流幅值;为了获得比较准确的海拔高度对雷电流幅值的影响，需要对雷电流幅值进行纬度修正，考虑到本文的研究区域主要集中在北纬23°附近，采用下式对不同纬度雷电流幅值进行修正:

式中:I为修正前地闪点雷电流幅值，kA;λ为地闪点纬度;I23为修正到纬度23°后的雷电流幅值，kA［8］。该地区平均雷电流幅值和海拔高度的关系如图1所示。

由图1可看出，该区域负极性雷电幅值随海拔高度升高而增大，正极性雷电幅值随海拔高度上升呈整体略微下降趋势，且该地区每个海拔高度范围内的平均正极性雷电流幅值比平均负极性雷电流幅值要大得多，这可能是和正极性雷云在云层中的位置有关。

图1 雷电流幅值与海拔高度的关系曲线Fig.1 The graph correlating lighting amplitude and elevation

通过云南雷电定位系统测得的数据分析表明，云南某地的总雷电流幅值随海拔高度的增加而增加。其原因可能是:(1)雷电流幅值不仅和海拔高度有关，而且还和地形、气象有关。云南地处低纬度高原，地理位置特殊，地形地貌复杂;主要受南孟加拉高压气流影响形成高原季风气候，全省大部分地区冬暖夏凉、四季如春;全省气候类型丰富多样，具有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带和高原气候区共7个类型的立体气候特点。(2)许多山地的地平面海拔高度高于零度等温度线对应的海拔高度值，而零度等温度线附近是云层负电荷聚集最多的地方［5］，若海拔高度继续增高则雷云的电荷密度有所减少，故需要很高的雷云电势才可能对地激发先导放电，从而使雷电流随海拔高度增高而增大。

3.2 海拔高度对雷电回击次数的影响

若一次雷电过程中雷击次数过多，会发生防雷装置中前次雷电流来不及泄放入地，又再次遭受雷击的情况。在现场曾多次发生线路避雷器爆炸和变电站断路器遭受二次雷击的现象。云南某地区雷击次数与海拔高度的关系如图2所示。

由图2可得出:海拔高度为1 400～1 900 m和2 800～3 200 m时，雷电回击次数波动较大;海拔高度为1 900～2 800 m时，雷电回击次数随海拔高度的增加呈总体上升趋势。

图2 雷电回击次数与海拔高度的关系曲线Fig.2 The graph correlating lighting back number and elevation

3.3 海拔高度对雷电流密度的影响

地面落雷密度是表征雷云对地放电频繁程度的参数［6］，由于地闪密度无法直接测量，一般通过经验公式间接推导［9］，文献［10］提出地闪密度可直接用雷电定位系统测量的落雷次数除以受雷面积得到。本文将对象地区划分为多个网格，统计每个海拔高度范围内的网格个数，从而得到每个海拔高度范围所对应的地表面积值，再关联对应网格内的地闪点个数，即可计算出雷电流密度和海拔高度的关系，如图3所示。

图3 地闪密度与海拔高度的关系曲线Fig.3 The graph correlating lighting density and elevation

由图3可得出:海拔高度为1 300～1 600 m时，负极性地闪密度随海拔高度的升高而减小;海拔高度为1 600～2 800 m时，负极性地闪密度随海拔高度的升高而增大;海拔高度为2 800～3 200 m时，负极性地闪密度的总体趋势是减小的;在整个海拔高度范围内，正极性地闪密度总体趋势是增大的，表现出了和负极性地闪密度明显不一样的性质。

另外，通过比较同一海拔高度范围内正极性地闪密度和总地闪密度，可以发现正极性地闪数随海拔高度的上升而呈总体上升趋势，如图4所示，说明在高海拔地区，正极性雷出现的频率增大，建议此时应提高电网针对防护正极性雷的措施。

图4 正极性雷占总雷次数的比例Fig.4 The proportion of positive lighting to total lighting

4 结论

(1)该地区的负极性雷电流幅值总体变化趋势是随海拔高度的增加而增大，正极性雷电流幅值随海拔高度的增加变化分散性较大，但总体趋势是减小的;在同一海拔高度范围内，正极性雷电流的平均幅值比负极性雷电流的平均幅值大得多。

(2)该地区的负极性雷电流地闪密度变化的总体趋势是随海拔高度的升高先减小，接着逐渐增大，最后又减小;正极性雷电流地闪密度变化的总体趋势是随海拔高度的升高而增大。

(3)该地区的雷电回击次数随海拔高度变化的总体趋势是:在高海拔和低海拔范围内，雷电回击次数波动较大;在中等海拔范围内，雷电回击次数随海拔高度升高而增多。。

(4)该地区随海拔高度的上升，正雷电流地闪在总闪中所占的比重有逐渐加大的趋势。

［1］马仪.基于雷电定位系统监测数据的云南省雷电参数分析［J］.云南电力技术，2009，37(2):4-6.

［2］陈家宏.中国电网雷电定位系统与雷电监测网［J］.高电压技术，2008，34(3):425-431.

［3］左美蓉.SRTM高程数据及其应用研究［D］.长沙:中南大学，2009.

［4］李永福.基于雷电定位数据的雷电流参数随海拔高度变化规律［J］.高电压技术，2011，37(7):1634-1640.

［5］俞立婷.输电线路走廊雷电观测数据的挖掘整理［D］.武汉:华中科技大学，2007.

［6］周泽存.高电压技术［M］.北京:中国电力出版社，1988:242-246.

［7］DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.北京:中国电力出版社，1997.

［8］曾楚英.雷电流参数与海拔高度高度、地理纬度关系的统计分析［J］.高电压技术，1991，17(2):70-76.

［9］Golde R H.雷电(上卷)［M］.孙景群，译.北京:电力工业出版社，1982:185-186.

［10］Suzuki M，Katagiri N，Ishikawa K.Establishment of estimation lightning density method with lightning location system data［C］//IEEE Power Engineering Society－1999 Winter Meeting.New York，USA:IEEE，1999:1322-1326.