1.3 雷电表征参数与测量
在防雷工程中的雷电参数主要是为了表征雷电的时间分布和强弱活动特点,主要的雷电参数包括雷暴日、地面落雷密度、雷电电流幅值、雷电电流陡度等。雷电活动随地域而异,我国南北方雷电活动差异较大,因此,各地积极展开雷电观测活动可以积累雷电活动参数作为防雷经验,根据这些数据来设计防雷保护设备和制定防雷保护方式,采取有效和经济的防雷保护措施。
1.3.1 雷电表征参数
1.雷暴日
雷暴日通常是指一年内的平均雷暴日数,即年平均雷暴日,用Td表示,单位d/a。只要一天之内能听到雷声就算一个雷暴日,主要反映了雷电活动的频繁程度。雷暴日数越大,说明雷电活动越频繁。山地雷电活动较平原频繁,约为平原的三倍。我国广东省的雷州半岛(琼州半岛)和海南岛一带雷暴日在80d/a以上,长江流域以南地区雷暴日为40~80d/a,长江以北大部分地区雷暴日为20~40d/a,西北地区雷暴日多在20d/a以下。西藏地区因印度洋暖流沿雅鲁藏布江上溯,很多地方雷暴日高达50~80d/a。通常广州、昆明、南宁为70~80d/a,重庆、长沙、贵阳、福州约为50d/a,北京、上海、武汉、南京、成都、呼和浩特约为40d/a,天津、郑州、沈阳、太原、济南约为30d/a等。
我国把年平均雷暴日不超过15d/a的地区划为少雷区,超过40d/a的划为多雷区,超过90d/a的地区及运行经验表明雷灾特别严重的地区划为特殊强雷区。在防雷设计时,应考虑当地雷暴日数的影响。
2.地面落雷密度
每平方千米地面在一个雷暴日中受到的雷击数,用地面落雷密度γ表示。它等于地闪密度除以年雷电日 [单位为N/(km2·a)]。地闪密度即统计区域里每平方千米的地闪次数,一般用年平均地闪密度表示。
3.雷电电流幅值
主放电时冲击电流的最大值称为雷电电流幅值,大小可达数十安至数百千安。根据实测,可绘制雷电流概率曲线。我国年平均雷暴日为20d/a以上地区的雷电流幅值的概率为
式中 I——雷电流幅值,kA;
P——幅值大于I的雷电流出现的概率。
年平均雷暴日为20d/a以下的地区,雷电流幅值的概率为
4.雷电流陡度
雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度。雷电流冲击波波头陡度可达到50kA/μs,平均陡度约为30kA/μs。雷电流陡度与雷电流幅值和雷电流波头时间的长短有关,雷电流波头时间仅数微秒。做防雷设计时,一般取波头形状为斜角波,时间按2.6μs考虑。雷电流陡度越大,对电气设备造成的危害也越大。因此,在防雷要求较高的场合,波头形状宜取为半余弦波。此时有
式中 τt——雷电流波头时间,τt=π/ω。
1.3.2 雷电表征参数测量
1.人工记录方法
我国气象部门在全国各地建立了气象观测站,记录每天的雷电及闪电数据,可从国家气象局获取。
2.雷电定位系统
传统的雷电参数不能全面地反映全国各个区域的雷电活动特征,因此雷电定位监测技术及其系统已广泛应用于国内外电网,是当前监测雷电的主要技术平台。雷电定位系统(简称LLS)测量的地闪发生时间、位置、雷电流幅值、极性等长期监测数据,可以为电力系统提供具有地域特征的雷电日和地面落雷密度数据。
3.雷电流波形监测
雷电流波形监测装置是了解各地雷电流幅值及波形的最直接的手段。对于空旷地区,由于物体的尖端效应,一般雷击比较高的物体;在山区,雷击山顶物体,另外山坡迎风面的物体、山体夹沟中的迎风带中的物体也易遭受雷击;雷击与地质条件有关,如果地下有矿物质,则地面物体容易遭受雷击。由此可见,一方面引起雷电放电定向过程只能是导致发展中的先导流注区域的电场产生畸变的地面物体;另一方面,计算表明,当雷电先导发展到比地面物体高得多的地方就可以满足从地面物体发展迎面先导的条件。不同物体对雷电的吸引作用不同,因此输电线路和高塔的雷电流监测结果应该存在差异。自高塔或高山上的观测塔的雷电流监测结果对输电线路的防雷设计有一定的参考作用,但考虑到雷电流波形与实际的杆塔结构及杆塔高度具有重要的关联性,这些监测结果用于线路防雷时可能会偏高。另外,输电线路的工作电压对雷电的吸引作用可能会导致雷击概率的增加。
4.雷电放电过程及闪络路径拍摄
随着照相及摄像技术的发展,安装高速照相机和高速摄像机拍摄雷电放电过程及闪络路径是近年来雷电研究的一个重要方向,为更深刻地揭示雷电放电过程提供了有效手段。另外,拍摄得到的雷击输电线路的图片及过程为雷电先导模型的建立提供了重要依据。