北京市電網(wǎng)雷害分布規(guī)律及風險評估

甘 璐李 津鄧長菊張德山扈海波葉 寬

1）（北京市專業(yè)氣象臺，北京100089）

2）（中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089）

3）（北京電力試驗研究院，北京100075）

北京市電網(wǎng)雷害分布規(guī)律及風險評估

甘 璐1）*李 津1）鄧長菊1）張德山1）扈海波2）葉 寬3）

1）（北京市專業(yè)氣象臺，北京100089）

2）（中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089）

3）（北京電力試驗研究院，北京100075）

根據(jù)1996—2009年北京市逐日電網(wǎng)災(zāi)害資料分析了北京市電網(wǎng)雷害的發(fā)生規(guī)律，結(jié)果顯示：北京市電網(wǎng)雷害存在季節(jié)變化和日變化特征。結(jié)合同期氣象觀測站的雷暴日資料、北京市各區(qū)縣的經(jīng)濟和人口密度特征提出了電網(wǎng)雷害概率、電網(wǎng)雷害頻度、電網(wǎng)雷害密度、經(jīng)濟易損模數(shù)和生命易損模數(shù)作為北京市電網(wǎng)雷害風險評估指標。在此基礎(chǔ)上，采用4級分區(qū)法對上述電網(wǎng)雷害易損性評估指標進行分級，并將北京市各區(qū)縣按照5個電網(wǎng)雷害評估指標的所屬等級值累加，得到電網(wǎng)雷害綜合易損風險評估的評估系數(shù)。結(jié)果表明：北京地區(qū)電網(wǎng)雷害高風險區(qū)集中在北京城區(qū)中心附近，山區(qū)和山前迎風坡地帶盡管電網(wǎng)雷害頻次較高，但電網(wǎng)雷害風險卻相對較低。

電網(wǎng)雷害；風險評估；易損度；防雷減災(zāi)

引 言

隨著人民生產(chǎn)生活對電力依賴程度的不斷提高及輸電線路總長度的擴展、傳輸容量的不斷增長，對電網(wǎng)的安全性和可靠性要求越來越高。如何有效降低極端天氣情況下電網(wǎng)災(zāi)害的發(fā)生是供電部門的一項重要課題。北京市雷電活動頻繁且強烈，據(jù)統(tǒng)計電網(wǎng)雷害占電網(wǎng)災(zāi)害總數(shù)的71.3%，遠高于因其他極端天氣引起的電網(wǎng)災(zāi)害的總和［1］。電網(wǎng)雷害已經(jīng)成為威脅北京市電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的最主要、最突出的矛盾。近年來，我國也結(jié)合自身電網(wǎng)特點開展了一系列電網(wǎng)雷擊故障分析和防雷評估技術(shù)的相關(guān)研究［2-3］。陳家宏等［4-5］和王劍等［6］率先在華北地區(qū)進行針對電網(wǎng)雷害的評估技術(shù)研究，并于2007年在國內(nèi)外首次研制出針對電網(wǎng)的雷害分布圖，確定了華北地區(qū)為雷害比較嚴重的區(qū)域。趙淳等［7］采用電網(wǎng)雷害風險評估體系繪制了電網(wǎng)雷害風險分布圖和單一線路雷害風險分布圖，確定了500 k V電網(wǎng)的重點改造線路、區(qū)段和桿塔。國家電網(wǎng)武漢電力科學研究院于2011年形成系統(tǒng)化的電網(wǎng)雷害風險評估技術(shù)［8］。以上分析從電網(wǎng)分布及電網(wǎng)雷害本身考慮電網(wǎng)雷害風險的高低，隨著災(zāi)害風險評估方法的進一步發(fā)展，綜合考慮災(zāi)害發(fā)生的風險概率和損失已經(jīng)成為氣象災(zāi)害風險評估的重要方面［9-13］。本文根據(jù)北京電力試驗研究院提供的電網(wǎng)資料分析了電網(wǎng)雷害的分布特點以及易損情況，并根據(jù)各易損度的評價分析結(jié)果形成綜合易損度以及北京市電網(wǎng)雷害綜合易損區(qū)劃圖，為建立科學規(guī)范的電網(wǎng)雷害風險評估體系、確定電網(wǎng)防雷改造的重點區(qū)域提供參考。

1 資料來源和易損評價指標

本文電網(wǎng)雷害的資料由北京電力試驗研究院提供，共收集了1996—2009年北京市各電網(wǎng)沿線的受災(zāi)數(shù)據(jù)。對電網(wǎng)災(zāi)害的類型判斷主要參考供電部門對電網(wǎng)災(zāi)害事件的記錄和描述進行致災(zāi)成因分析。電網(wǎng)雷害資料共統(tǒng)計了北京市朝陽區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)、延慶縣、昌平區(qū)、懷柔區(qū)、密云縣、平谷區(qū)、順義區(qū)、門頭溝區(qū)、房山區(qū)、大興區(qū)、通州區(qū)共14個區(qū)縣的電網(wǎng)受災(zāi)情況。根據(jù)區(qū)域自然災(zāi)害風險形成過程主要考慮4個因素綜合作用的影響，即危險性（H）、暴露性（E）、脆弱性（V）和防災(zāi)減災(zāi)能力（R）［14］。圖1顯示了4個因素以及相應(yīng)的因子。危險性主要反映本地區(qū)的雷電活動特征，雷電是產(chǎn)生電網(wǎng)雷害的直接原因，與當?shù)氐臍夂虮尘耙约跋聣|面性質(zhì)等因素有關(guān)。通常，地閃頻數(shù)是最直接反映孕災(zāi)環(huán)境的雷電災(zāi)害評估指標，由于目前國內(nèi)氣象部門還沒有統(tǒng)一標準的業(yè)務(wù)運行閃電定位系統(tǒng)，且北京市閃電定位系統(tǒng)運行時間不長，還未積累較長時間尺度的地閃頻數(shù)資料，用雷暴日數(shù)代表一個區(qū)域內(nèi)雷電活動的頻繁程度仍有一定的參考價值［15］。暴露性包括經(jīng)濟暴露和人口暴露，經(jīng)濟暴露反映在經(jīng)濟易損模數(shù)E（E＝ES／S，單位：億（人民幣）·km－2，ES為北京市各區(qū)縣的國民生產(chǎn)總值，S為北京市各區(qū)縣的行政面積），指區(qū)域內(nèi)發(fā)生雷電災(zāi)害時單位面積上可能受影響的經(jīng)濟情況；人口暴露反映在生命易損模數(shù)L（L＝LS／S，單位：萬人·km－2，LS為北京市各區(qū)縣人口和暫住人口總和），指區(qū)域發(fā)生電網(wǎng)雷害時單位面積上可能受影響的人口數(shù)量。上述各區(qū)縣的人口和經(jīng)濟特征統(tǒng)計資料來自北京市統(tǒng)計局2010年發(fā)布的北京市統(tǒng)計數(shù)據(jù)①http：∥www.bjstats.gov.cn／.，并假定各區(qū)縣的人口和經(jīng)濟特征具有相對穩(wěn)定性，人口增長和經(jīng)濟發(fā)展大致同步。電網(wǎng)的脆弱性指電網(wǎng)在雷電災(zāi)害中的承載能力，主要反映在桿塔結(jié)構(gòu)特征，包括輸電線路的防雷設(shè)備等。電網(wǎng)的防災(zāi)減災(zāi)能力反映在電網(wǎng)的雷擊跳閘率和跳閘重合率，通過電網(wǎng)雷害概率、電網(wǎng)雷害頻次和電網(wǎng)雷害密度3個副因子來反映。其中，電網(wǎng)雷害概率P（單位：%）是指各區(qū)縣發(fā)生電網(wǎng)雷害的次數(shù)與該區(qū)縣發(fā)生的雷暴數(shù)的比值，也是反映發(fā)生電網(wǎng)雷害可能性的重要指標；電網(wǎng)雷害頻次F（F＝N／年數(shù)，N為1996—2009年電網(wǎng)雷害總數(shù)）是指區(qū)域內(nèi)每年發(fā)生的電網(wǎng)雷害次數(shù)，反映了區(qū)域災(zāi)害發(fā)生頻率和次數(shù)的高低；電網(wǎng)雷害密度D（D＝N／S，單位：次·km－2）是指單位面積內(nèi)所發(fā)生的電網(wǎng)雷害次數(shù)。

圖1 電網(wǎng)雷害風險概念框架Fig.1 Conceptual framework of power grid lighting disaster

2 電網(wǎng)雷害分布規(guī)律

目前北京市的輸電線路主要包括了500，220，110 k V和35 k V的高、中、低壓輸電線路。從輸電線路的百分比看，500 k V高電壓輸電線路主要分布于北京地區(qū)外圍，約占總輸電線路的3%。從電網(wǎng)雷害的發(fā)生來看，各輸電線路電網(wǎng)雷害分別占總數(shù)的1.6%，17.7%，41.8%和38.9%。因此，電網(wǎng)雷害的發(fā)生主要集中在220 k V以下的中低壓的輸電線路。由于220 k V以下的輸電線路在北京地區(qū)呈網(wǎng)格狀均勻分布，分析電網(wǎng)雷害的時空分布對于認識北京地區(qū)電網(wǎng)雷害的發(fā)生規(guī)律具有重要意義。圖2給出了1996—2009年北京市各輸電線路的電網(wǎng)雷害受災(zāi)的時間分布曲線。從電網(wǎng)雷害年變化曲線（圖2a）可以看到北京市電網(wǎng)雷害主要集中在4—10月，6—9月是電網(wǎng)雷害的高發(fā)期，占全年電網(wǎng)雷害總數(shù)的88.4%，其中8月的電網(wǎng)雷害總數(shù)達82起，占全年電網(wǎng)雷害總數(shù)的32.9%，11月—次年3月幾乎沒有電網(wǎng)雷害發(fā)生。電網(wǎng)雷害的季節(jié)分布特征與華北雨季的季節(jié)性移動以及北京的初雷和終雷的發(fā)生密切相關(guān)。夏季暖濕氣流旺盛，對流性天氣相對較多引起雷電活動頻繁有關(guān)。從電網(wǎng)雷害的日變化曲線（圖2b）可以看到，15：00（北京時，下同）—21：00電網(wǎng)雷害處于高發(fā)期，約占電網(wǎng)雷害總數(shù)的51.0%，08：00—15：00處于相對低發(fā)期，占電網(wǎng)雷害總數(shù)的15.3%。因此，北京市電網(wǎng)雷害也存在一定的日分布規(guī)律。

圖2 1996—2009年北京市各輸電線路的電網(wǎng)雷害分布 （a）年變化，（b）日變化Fig.2 Distribution of power grid lighting disasters from 1996 to 2009 in Beijing（a）annual variation，（b）diurnal variation

圖3 北京市電網(wǎng)雷害的地域分布特征Fig.3 Distribution of power grid lighting disasters in Beijing

圖3給出了北京市電網(wǎng)雷害的地域分布情況，可以看到，北京市西部和北部山區(qū)的電網(wǎng)雷害要明顯高于東南部地區(qū)。北京處于華北平原的邊緣，地勢呈現(xiàn)西北高、東南低的特點。西部和北部山區(qū)居多，地勢較高，東南則是向渤海傾斜的平原地區(qū)。山區(qū)的地形抬升作用往往使對流性天氣的發(fā)生頻率和強度要明顯高于東南部的平原地區(qū)。因此，電網(wǎng)雷害的分布和北京地形關(guān)系密切。

3 北京市電網(wǎng)雷害易損指標分級

表1為北京市各區(qū)縣的電網(wǎng)雷害概率、電網(wǎng)雷害頻次、電網(wǎng)雷害密度、經(jīng)濟易損模數(shù)和生命易損模數(shù)的統(tǒng)計情況。由表1可以看到，北京市發(fā)生電網(wǎng)雷害的平均概率為3.97%，高于平均概率的區(qū)縣大部分集中在北京西部和北部的延慶、昌平、密云、門頭溝和房山。電網(wǎng)雷害概率最高為昌平，可達8.84%；石景山的概率最低，為1.12%。因此，北京市電網(wǎng)雷害的發(fā)生概率與北京的地形特點有一定關(guān)系。當云團移近山前時易加強不穩(wěn)定層結(jié)的對流運動，使得雷暴的強度也加強，對于承災(zāi)能力相同的防雷設(shè)備，山區(qū)電網(wǎng)雷害的發(fā)生概率要高于平原地區(qū)。從電網(wǎng)雷害頻次看密云和昌平的雷害頻次較高，年發(fā)生次數(shù)在2次以上。北京市中心城區(qū)附近的朝陽、海淀、豐臺和石景山電網(wǎng)雷害密度、經(jīng)濟易損模數(shù)和生命易損模數(shù)均較高。

表1 北京市各區(qū)縣電網(wǎng)雷害易損評估分析指標Table 1 Power grid lightning disaster vulnerability assessment of various districts in Beijing

4 北京市電網(wǎng)雷害綜合易損區(qū)域

影響電網(wǎng)雷害發(fā)生的因素很多，包括輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)、該地區(qū)的地形和地質(zhì)特征、極端性天氣發(fā)生的頻率和次數(shù)等。為了得到電網(wǎng)雷害的綜合易損度，參考文獻［16］中的對稱不等分間隔的分級方法將電網(wǎng)雷害分為4級，并賦予各等級如下定值：極高為1，高為0.8，中為0.5，低為0.2。按照5個電網(wǎng)雷害評估指標風險系數(shù)的結(jié)果進行累加，并取其平均值得到北京市各區(qū)縣電網(wǎng)雷害的綜合易損度。最后，根據(jù)區(qū)域綜合易損度的評估分析結(jié)果，參考蔣勇軍等［17］的分區(qū)法將電網(wǎng)雷害分為低易損區(qū)（0～0.59）、中易損區(qū)（0.60～0.69）、高易損區(qū)（0.70～0.79）和極高易損區(qū)（0.80～1.00），結(jié)果如表2所示。

表2 北京市電網(wǎng)雷害綜合易損度區(qū)劃表Table 2 Vulnerability zoning of power grid lightning disaster in Beijing

由表2可以看出，朝陽區(qū)、海淀區(qū)和昌平區(qū)為電網(wǎng)雷害的極高易損區(qū)，豐臺區(qū)為電網(wǎng)雷害的高易損區(qū)，密云縣、房山區(qū)、通州區(qū)和石景山區(qū)為電網(wǎng)雷害的中易損區(qū)，其余區(qū)縣為電網(wǎng)雷害的低易損區(qū)。

5 結(jié)論和討論

本文分析了1996—2009年北京市電網(wǎng)雷害的分布規(guī)律，結(jié)合同期氣象觀測站的雷暴日資料，以及北京市的人口和經(jīng)濟情況，提出了北京市電網(wǎng)雷害評估指標，并對北京市各區(qū)縣進行了電網(wǎng)雷害綜合易損度的區(qū)劃分析，主要結(jié)論如下：

1）北京市電網(wǎng)雷害主要發(fā)生在6—9月，占全年電網(wǎng)雷害總數(shù)的88.4%，其中8月的電網(wǎng)雷害最高，占全年總數(shù)的32.9%。15：00—21：00是電網(wǎng)雷害的高發(fā)期。西部和北部電網(wǎng)雷害頻次明顯高于東南平原地區(qū)。

2）北京市電網(wǎng)雷害風險評估分析結(jié)果表明：朝陽區(qū)、海淀區(qū)和昌平區(qū)為電網(wǎng)雷害的極高易損區(qū)，豐臺區(qū)為電網(wǎng)雷害的高易損區(qū)，密云縣、房山區(qū)、通州區(qū)和石景山區(qū)為電網(wǎng)雷害的中易損區(qū)，其余區(qū)縣為電網(wǎng)雷害的低易損區(qū)。

北京市電網(wǎng)雷害易損度評估和易損區(qū)劃可為北京市電網(wǎng)的防雷減災(zāi)規(guī)劃提供參考，同時也為開展較大面積區(qū)域的易損性評估和易損區(qū)劃進行了有益探索。本文在進行風險評估時存在一定不足，區(qū)域易損性除了綜合考慮自然系統(tǒng)對各種環(huán)境變化的敏感性和區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)的脆弱性外，還取決于區(qū)域自然和社會經(jīng)濟系統(tǒng)受到保護的水平。同時，不同級別輸電線路的防雷抗災(zāi)能力是風險評估需要考慮的重要因素，這也是有待于進一步探討的問題。

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Risk Assessment and Temporal-spatial Distribution of Power Grid Lighting Disasters in Beijing

Gan Lu1）Li Jin1）Deng Changju1）Zhang Deshan1）Hu Haibo2）Ye Kuan3）

1）（Beijing Professional Meteorological Observatery，Beijing100089）
2）（Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing100089）
3）（Beijing Research of Electric Power Test Institute，Beijing100075）

Based on the daily power grid disaster data during 1996－2009 in Beijing，power grid disasters caused by the thunder and lighting（hereafter referred as power grid lighting disasters）are investigated.Results show that power grid lighting disasters present seasonal and daily variations in Beijing.Seasonal variation characteristic of power grid lighting disasters is mainly centralized from June to September，account for 88.4%.The highest appear in August，it can account for 32.9%.And daily variation characteristics analysis shows that from 1500 BT to 2100 BT is the high-incidence period.The analysis on spatial distribution of power grid lighting disasters indicates that there are more disasters in the north than those in the south.In terms of the same period of the daily thunderstorm data，economic and population characteristics，five indices are selected to evaluate the risk of power grid lighting disasters in Beijing，such as power grid lighting disaster probability，power grid lighting disaster frequency，power grid lighting disaster density，economic vulnerability module and life vulnerability module，respectively.And the different power grid lighting disaster evaluation indices are investigated.Four-grade classification methods are used to classify the evaluation indices in order to assess the risk of the power grid lighting disasters in Beijing.Firstly，the five indices are classified into four degrees with a given value as follow：The highest and the lowest degrees are 1.0 and 0.2，while the intermediate degrees are 0.8 and 0.5.Secondly，the comprehensive vulnerability evaluation index of power grid lighting disasters is obtained by adding the degree values of five indices.Then the comprehensive vulnerability evaluation index is also graded as four degrees，which are defined as the maximal damageable area，the high-damageable area，the medium damageable area and the lower damageable area.Finally，regional vulnerability zoning of the power grid lighting disasters are obtained by the average value of the power grid lighting disaster vulnerability evaluation indices.From the result of risk zoning，it can be concluded that the relatively higher power grid lighting disaster risk zones mainly locate in urban area of Beijing，while risks of mountain areas and their piedmont areas are relatively lower.Results of power grid lighting disaster vulnerability evaluation might be provided for the power grid lighting protection and disaster reduction proposal in Beijing.

power grid lighting disaster；risk assessment；vulnerability degree；lighting protection and disaster reduction

甘璐，李津，鄧長菊，等.北京市電網(wǎng)雷害分布規(guī)律及風險評估.應(yīng)用氣象學報，2014，25（4）：499-504.

2013-09-25收到，2014-04-21收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306043），北京市氣象局科技研發(fā)專項（2013BMBKYZX13），北京市氣象局“精細化預(yù)報服務(wù)和業(yè)務(wù)平臺創(chuàng)新團隊”項目

*email：zytganlu＠163.com