張長秀，姜 輝，劉寶全，劉全楨，陶 彬，畢曉蕾，高 劍

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

0 前言

閃電是發(fā)生在大氣中的一種長距離放電現(xiàn)象，其放電過程中產(chǎn)生的大電流、強(qiáng)電磁輻射、炙熱高溫等物理效應(yīng)往往對(duì)地面建筑物、森林、電力系統(tǒng)和電子、通訊設(shè)備等造成嚴(yán)重危害[1]。石化企業(yè)規(guī)模比較大，且多分布在沿江沿海等閃電活動(dòng)頻發(fā)地帶，易發(fā)生雷擊事故，造成重大損失。隨著石化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和工藝系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，以及新型用電設(shè)備和控制系統(tǒng)的大量應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求越來越高，石化企業(yè)輸變電系統(tǒng)雷擊問題造成的損失也越來越大[2-4]。雷擊導(dǎo)致的輸配電系統(tǒng)跳閘可以引起重要電氣設(shè)備跳機(jī)停運(yùn)，導(dǎo)致連續(xù)生產(chǎn)過程被中斷，給企業(yè)造成生產(chǎn)事故和巨大的損傷。雷擊引發(fā)的線路閃絡(luò)跳閘是石化企業(yè)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的最大威脅[5-6]。輸變電系統(tǒng)防雷技術(shù)受到高度重視，已成為國內(nèi)外石化行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問題。

我國地域遼闊，閃電活動(dòng)具有明顯的季節(jié)性差異和區(qū)域性差異，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)閃電活動(dòng)特征進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)分析[7]，但現(xiàn)有分析主要是針對(duì)大區(qū)域閃電活動(dòng)特征進(jìn)行的，缺少針對(duì)石化企業(yè)等小區(qū)域的雷電活動(dòng)特征的分析。掌握小區(qū)域雷電活動(dòng)規(guī)律無論對(duì)新線路防雷設(shè)計(jì)還是對(duì)運(yùn)行線路防雷改造都具有十分重要的意義。

開展關(guān)于石化企業(yè)輸電線路區(qū)域閃電活動(dòng)特征分析，可以對(duì)企業(yè)所在區(qū)域閃電活動(dòng)的多發(fā)時(shí)間、多發(fā)地點(diǎn)有明確的了解，還可以根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的閃電活動(dòng)特征，開展有針對(duì)性的防雷措施設(shè)計(jì)，對(duì)減少雷擊造成的輸電線路雷擊事故，提高運(yùn)行效率，節(jié)約防雷成本等具有重要意義。

1 雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)

隨著閃電定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，定位精度及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)更為準(zhǔn)確，為雷電參數(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來，越來越多的地區(qū)使用閃電密度等雷電定位數(shù)據(jù)取代傳統(tǒng)雷暴日進(jìn)行雷電活動(dòng)時(shí)空特征分析，用于指導(dǎo)輸電線路防雷措施的制定[8]。地閃定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為石化企業(yè)區(qū)域閃電特征分析提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，閃電定位資料由全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD獲取，該系統(tǒng)采用的磁向和時(shí)差綜合定位技術(shù)可以對(duì)閃電的發(fā)生時(shí)間、位置、極性、強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行測量，ADTD單站的探測效率約為80%～90%，定位精度小于500 m，主要用于探測云地閃[9，10]。為分析石化企業(yè)輸電線路所在區(qū)域閃電活動(dòng)特征，為不同地區(qū)不同企業(yè)提供更符合實(shí)際情況的防雷技術(shù)方案，降低防雷成本，提高企業(yè)雷電防護(hù)能力，選取勝利油田與茂名石化的部分輸電線路所在區(qū)域作為分析對(duì)象。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 閃電分布特征

為研究所選區(qū)域雷電活動(dòng)的分布情況，對(duì)2007-2016年勝利油田和茂名石化兩區(qū)域10年間的落閃情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示，圖中紅色五角星是輸電線桿塔位置。圖中可以看出，茂名石化區(qū)域落閃的密集程度明顯高于勝利油田區(qū)域的落閃密集程度，這是由兩區(qū)域所處南北方的氣候差異造成的。宋敏敏等的研究[11]表明我國不同地區(qū)閃電的時(shí)空分布特征存在明顯的差異，馬明等的研究[12]表明我國雷電活動(dòng)區(qū)域特征可劃分為4個(gè)雷暴區(qū)域，其中華南最高，西南次之，再后是華東、華北和東北地區(qū)，西北最低。勝利油田區(qū)域?qū)儆谌A北地區(qū)，而茂名石化屬于華南地區(qū)，兩區(qū)域地域氣候的差異造成了其落閃密集程度的差異。

圖1 勝利油田和茂名石化輸電線路區(qū)域落閃分布

落閃密集差異意味著茂名石化區(qū)域的線路相比勝利油田區(qū)域的線路面臨更高的落雷風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)規(guī)程法[13]可知，線路落雷次數(shù)可按以下公式計(jì)算。

(1)

其中：NL——線路落雷次數(shù)，次/(100 km.a)；

Ng——地閃密度，次/(km2.a)；

hT——桿塔高度，m；

b——兩根地線直接的距離，m。

上文所述兩區(qū)域內(nèi)，以相同條件的桿塔線路為例(即桿塔高度hT和兩根地線之間的距離b取值相等，)計(jì)算兩區(qū)域內(nèi)線路落雷次數(shù)的差異。定義λ為兩區(qū)域內(nèi)線路落雷次數(shù)的比值，則由上述公式可得

(2)

Ng1和Ng2分別為茂名石化和勝利油田兩區(qū)域的平均閃電密度，兩區(qū)域線路落雷次數(shù)的比值即為兩區(qū)域閃電密度的比值，通過計(jì)算獲得圖1(a)(b)中兩區(qū)域內(nèi)2007-2016年間閃電密度平均值為1.0次/(km2.a)和1.6次/(km2.a)，因此可以得知茂名石化地區(qū)輸電線路落雷次數(shù)是勝利油田地區(qū)輸電線路落雷次數(shù)的1.6倍。這說明對(duì)于相同情況的輸電線路，茂名石化區(qū)域的所遭受雷擊的概率是勝利油田區(qū)域的1.6倍，雷擊風(fēng)險(xiǎn)更高。

2.2 閃電月變化特征

圖2是2007-2016年10年間兩區(qū)域閃電活動(dòng)的月變化，從圖2(a)中可以看出，勝利油田區(qū)域的月閃電活動(dòng)呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在8月，閃電活動(dòng)主要集中在6-8月，6-8月3個(gè)月份閃電活動(dòng)占全年閃電活動(dòng)的90%以上。這主要是由于勝利油田區(qū)域所在的山東地區(qū)地處亞洲季風(fēng)區(qū)，強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)主要發(fā)生在夏季，從而使勝利油田區(qū)域夏季閃電活動(dòng)占全年閃電活動(dòng)的絕大部分比例；從圖2(b)中可以看出，茂名石化區(qū)域的月閃電活動(dòng)呈雙峰值分布，閃電活動(dòng)主要集中在4-9月，峰值出現(xiàn)在5月和9月，4-9月6個(gè)月的閃電活動(dòng)占全年閃電活動(dòng)的97%以上，其中4-6月為前汛期，約占全年閃電活動(dòng)的53%，7-9月為后汛期，約占全年閃電活動(dòng)的44%，前汛期比后汛期的閃電活動(dòng)稍微活躍。這與劉三梅等[14]對(duì)廣東省雷電活動(dòng)特征分析的結(jié)果一致。通過對(duì)比分析圖2(a)(b)可得，勝利油田區(qū)域閃電活動(dòng)主要集中在夏季6-8月；而茂名石化區(qū)域閃電活動(dòng)的周期更長，4-9月均是閃電活動(dòng)頻發(fā)階段，因此相較于勝利油田，茂名石化的防雷周期更長。

圖2 勝利油田和茂名石化輸電線路區(qū)域閃電頻次月變化

2.3 電流強(qiáng)度特征

為了更清晰地表示所選輸電線路區(qū)域閃電強(qiáng)度特征，對(duì)2007-2016年10年間兩區(qū)域內(nèi)閃電電流強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，圖3是2007-2016年勝利油田區(qū)域和茂名石化區(qū)域不同電流強(qiáng)度閃電活動(dòng)占所選區(qū)域內(nèi)總閃電活動(dòng)的比例，其中勝利油田區(qū)域閃電的總樣本數(shù)為2 543次，茂名石化區(qū)域閃電的總樣本數(shù)7 518次。從圖中可以看出，兩區(qū)域閃電電流強(qiáng)度主要集中在20～60 kA，其中勝利油田區(qū)域電流強(qiáng)度在20～60 kA的閃電活動(dòng)占總閃電活動(dòng)的83%，茂名石化區(qū)域電流強(qiáng)度在20～60 kA的閃電活動(dòng)占總閃電活動(dòng)的78%，兩區(qū)域電流強(qiáng)度在31～40 kA的閃電活動(dòng)所占比例最高，分別為34%和37%。從電流強(qiáng)度分布來看，兩區(qū)域輸電線路的防雷措施需重點(diǎn)考慮對(duì)電流強(qiáng)度在20～60 kA范圍內(nèi)閃電的防護(hù)能力。從圖3中還可以看出，茂名石化區(qū)域大電流(>30 kA)閃電比例高于勝利油田區(qū)域，這主要是由于茂名石化地處華南地區(qū)緯度較低，而我國夏季低緯地區(qū)深對(duì)流云活動(dòng)明顯比高緯地區(qū)活躍[15]，因此相較于華北地區(qū)對(duì)流活動(dòng)更加旺盛引起的。

圖3 勝利油田和茂名石化輸電線區(qū)域電流強(qiáng)度分布

電流強(qiáng)度越大，輸電線路發(fā)生雷擊跳閘事件的概率越高[16]，根據(jù)規(guī)程法可知，雷擊跳閘率可按以下公式計(jì)算：

N=NLη(gP+Psf)

(3)

式中：N——線路雷擊跳閘率，次/(100 km.a)；

NL——線路落雷次數(shù)，次/(100 km.a)；

g——擊桿率；

η——建弧率；

P——超過雷擊桿塔頂部時(shí)耐雷水平I1的雷電流概率；

Psf——線路繞擊閃絡(luò)概率。

由公式(3)可知，在擊桿率g、建弧率η和閃絡(luò)繞擊率Psf一定的前提下，線路的雷擊跳閘率N與NL和P相關(guān)，定義λ2為茂名石化和勝利油田兩區(qū)域內(nèi)線路跳閘率的比值，則

(4)

P1和P2分別為為茂名石化和勝利油田兩區(qū)域的雷電流概率，不同電流強(qiáng)度條件下兩區(qū)域線路雷擊跳閘率的比值如表1所示，可以看出，對(duì)于耐雷水平同為60 kA的輸電線路，茂名石化地區(qū)線路雷擊跳閘率是勝利油田地區(qū)的2.6倍，對(duì)于耐雷水平同為100 kA時(shí)，茂名石化地區(qū)線路雷擊跳閘率是勝利油田地區(qū)的3倍。因此茂名石化地區(qū)輸電線路防雷設(shè)施的使用壽命、耐雷擊水平、耐雷擊次數(shù)和檢修次數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)高于勝利油田地區(qū)，才可保證該區(qū)域輸電線路防雷設(shè)施正常的雷電防護(hù)能力。

表1 不同電流強(qiáng)度閃電頻次所占比例

以上分析表明勝利油田和茂名石化輸電線路區(qū)域閃電活動(dòng)特征存在一定差異，導(dǎo)致兩區(qū)域輸電線路的落雷次數(shù)和跳閘概率存在明顯差異，因此需要根據(jù)兩區(qū)域閃電活動(dòng)特征制定針對(duì)性差異化的雷電防護(hù)措施，提高各地區(qū)企業(yè)雷電防護(hù)水平，降低雷電事故給石化企業(yè)帶來的各項(xiàng)損失。

3 結(jié)論

通過對(duì)勝利油田和茂名石化輸電線路區(qū)域2007-2016年閃電活動(dòng)的分析，得出兩區(qū)域的閃電活動(dòng)特征及特征差異，分析發(fā)現(xiàn)：①兩區(qū)域閃電活動(dòng)發(fā)生均集中在夏季，勝利油田輸電線路區(qū)域閃電活動(dòng)主要集中在6-8月，占全年閃電活動(dòng)的90%以上，呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在8月；茂名石化區(qū)域的閃電活動(dòng)主要集中在4-9月，占全年閃電活動(dòng)的97%以上，呈雙峰分布，峰值出現(xiàn)在5月和9月，茂名石化區(qū)域的雷暴周期更長；②兩區(qū)域電流強(qiáng)度在31～40kA的閃電活動(dòng)所占比例最高，分別為34%和37%；③茂名石化區(qū)域落閃的密集程度和大電流(>30kA)閃電比例均高于勝利油田區(qū)域。對(duì)于相同耐雷水平的線路，茂名石化地區(qū)的線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)約為勝利油田地區(qū)的1.6倍；耐雷水平同為60kA時(shí)，茂名石化地區(qū)線路雷擊跳閘率是勝利油田地區(qū)的2.6倍。

基于以上分析可得，不同石化企業(yè)區(qū)域閃電特征存在明顯差異，為了進(jìn)一步提升各石化企業(yè)輸電線路對(duì)雷電的防護(hù)效率，需要加強(qiáng)對(duì)不同企業(yè)的雷電防護(hù)針對(duì)性。開展各石化企業(yè)區(qū)域閃電特征的分析工作具有重要意義，不僅可以明確石化企業(yè)所在區(qū)域閃電活動(dòng)特征，還可以根據(jù)本地閃電活動(dòng)特征，制定更有針對(duì)性、更安全高效的防雷技術(shù)方案，為石化企業(yè)的雷電防護(hù)提供安全指導(dǎo)。