浙江电网雷害风险预警方法研究

赵 伟，周象贤，张 祎

（1.浙江省气象科学研究所，杭州 310008；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.浙江省气象安全技术中心，杭州 310008）

0 引言

电网防雷一直是电网运维的重点工作。现阶段，除了增加输电线路的防雷技术措施以外，实现输电线路雷击实时预警，对避免和减少电网雷害（本文指雷击跳闸故障）造成的损失也很有意义。

目前，对电网雷害风险的研究主要分为灾后评估和灾前预警。文献[1-4]基于历史雷害故障数据挖掘输电线路雷害风险的评估指标，提出了一种融合多种评估因子的电网雷害风险评估方法。文献[5]针对±800 kV 直流输电线提出了一种雷害风险评估方法。文献[6]基于雷击在线监测系统数据获取比雷电定位系统更直接、准确的雷击参数，进行雷击跳闸率计算并逐基评估杆塔雷击闪络风险。

总体上看，灾后评估的相关研究比较多，灾前预警的相关研究则相对较少。文献[7]利用气象雷达数据，建立了雷电流幅值预测模型，提出了一种基于两者的输电线路绕击跳闸预警方法。文献[8]根据当前时次及之前的连续2 个时次的雷区信息及发展轨迹，进行下个时次雷区相关信息的预报，进而计算位于雷击预报范围内的输电线路跳闸概率。文献[9]根据雷电定位实时数据的时空演变，预报未来时段可能遭受雷击的各分区范围，并动态评估各输电线路的雷击故障概率。文献[10]综合运用大气电场、雷达和卫星数据等雷电监测数据提出了一种架空输电线路雷击闪络预警方法。这些输电线路雷害预警方法总体上偏主观，且预警过程较为繁琐，缺少量化的预警指标，有些未考虑孕灾环境等因素且雷电流幅值预测准确度有待商榷。

本文以气象部门运行多年的雷电概率预报数据为作为电网雷害风险预警的致灾因子评估指标；选取海拔高度、坡度、坡向、土地利用类型和河网密度，构建电网雷害孕灾环境敏感性评估模型。将杆塔所在区域危险地闪的出现频率作为电网雷害风险预警的承灾体易损性评估指标。基于灾害学理论，利用层次分析法提出一种浙江电网雷害风险预警方法。在保证电网雷害风险预警准确率的前提下，减少了预警的空报率，为电网雷害风险预警业务化应用提供参考。

1 致灾因子评估

电网雷害事故的主要致灾因子是地闪密度和地闪强度[11]。但由于目前对闪电强度的预测还存在困难，且电网雷击跳闸与否还与线路本身的耐雷水平有关，所以地闪强度与耐雷水平将在承灾体评估中加以考虑。

将气象部门运行多年的雷电概率预报数据作为电网雷害风险预警的致灾因子评估指标。雷电概率预报数据以雷电发生概率为表征，分为4 个等级即75%，50%，25%和0%，预报时效为60 min，每10 min 更新一次，分辨率为1 km×1 km。

2 孕灾环境敏感性评估

根据文献[12]的研究结果，构建浙江电网雷电灾害的孕灾环境敏感性分布。依据杆塔位置，利用GIS 技术提取每基杆塔的孕灾环境敏感度（见图1）。

图1 浙江电网雷害事故孕灾环境敏感度分布

3 承灾体脆弱性评估

由于现阶段还无法预测地闪强度值，因此承灾体脆弱性评估以历史值代替。计算每基杆塔的反击和绕击耐雷水平，然后统计杆塔周边1 km范围近10 年内出现的地闪可能使该线路发生反击或绕击的地闪数量与该区域内所有的地闪数量的比值，即杆塔所在区域危险地闪出现频率，以此作为该杆塔承灾体脆弱性的评估指标。

由于缺乏每基杆塔的详细参数，无法计算每基杆塔的危险电流。综合文献研究结果和历史运行经验[13-16]，设定浙江电网220 kV 和500 kV 的反击危险电流分别为大于70 kA 和大于130 kA，绕击危险电流为15～30 kA 和20～40 kA。

计算每基杆塔1 km 范围内近10 年的危险地闪出现频率，如图2 所示。从图2 可以分析得出，沿海地区的危险地闪出现频率明显高于其他地区，主要位于舟山、宁波、台州和温州地区。

4 雷害预警模型及预警阈值确定

基于灾害学原理，选取孕灾环境、承灾体和致灾因子为雷害风险预警指标，根据层次分析法构建雷害风险预警模型为：

式中：R 为风险值；H 为归一化后致灾因子；D为归一化后承灾体脆弱性评估指标（危险电流）；E为归一化后孕灾环境敏感性评估指标。

图2 浙江电网雷害事故承灾体脆弱性分布

本文研究的预警分为雷电是否击中杆塔的预警和杆塔所在线路是否雷击跳闸的预警，即杆塔的雷击风险预警和杆塔的雷害风险预警两部分。以雷电概率预报数据作为电网雷击风险预警指标，杆塔所在处的雷击概率预报0%和25%为低风险，50%为中风险，75%为高风险。雷害风险预警需要根据设置预警阈值，确定是否发布雷害风险预警。

本文中2016—2018 年浙江省雷电概率预报数据来自浙江省气象台，2016—2018 年浙江电网基础数据和历史雷害数据来自国网浙江省电力有限公司科学研究院。将2016—2017 年浙江电网雷害个例，用于电网雷害风险预警阈值的确定。图3 是2016—2017 年发生过雷害杆塔基于模型计算得到雷击跳闸风险预警值分布。为了减少因雷电概率预报不准确对雷害风险预警模型的影响，只选择雷电概率预报为50%和75%雷害个例（即雷电概率预报准确的个例）。

雷击跳闸故障引起的电网停电事故，严重威胁着电网安全和稳定。因此电网雷害风险预警尽可能不发生漏报，在此基础上再考虑降低空报数。基于要将历史雷击跳闸杆塔尽可能都预警准确和空报率降低的原则，将阈值定为一个区间值，风险值位于区间内则代表发布杆塔雷击跳闸预警。根据图3 风险预警值的分布，确定不同雷电概率预报等级的杆塔雷击跳闸风险预警的阈值，如表1 所示。

图3 2016—2017 年雷击跳闸杆塔基于模型计算的雷害风险预警值

表1 不同雷电概率预报等级的杆塔雷击跳闸风险预警的阈值确定

以往的雷害预警只根据雷电位置预报，认为雷击点落在杆塔附近，就发布雷击跳闸预警，未考虑孕灾环境和杆塔的耐雷水平等因素，这样会大大增加雷击跳闸预警的空报率。对2018 年浙江电网雷害个例进行分析，经过设定的阈值筛选，雷击概率预报等级为2 级（中风险）的杆塔的空报数减少了22.0%，雷击概率预报等级为3 级（高风险）的杆塔的空报数减少了25.4%，总体平均减少了24.0%。2018 年浙江电网一共有86 个雷击跳闸事故案例，其中雷击预警准确有32 个；32 个雷击预警准确的案例中，雷击跳闸风险预警准确的有31 个。

以2018 年9 月21 日为例，根据雷电概率预报数据每10 min 发布一次杆塔雷击风险预警，如图4 所示。根据雷害风险预警模型计算结果和预警阈值，对于风险预警值在预警阈值内的杆塔发布基于杆塔的雷击跳闸风险预警，如图5 所示。

5 结论

本文基于灾害学理论，提出一种涵盖致灾因子、孕灾环境和承灾体的浙江电网雷害风险预警方法。得出具体结论如下：

（1）该预警方法改变了以往仅仅依靠雷电位置预报发布雷害预警的做法，融入孕灾环境和杆塔本身耐雷水平等因素，使得雷害风险预警方法更具科学性和可操作性。

图4 2018 年5 月18 日16:00 未来60 min 浙江电网雷击风险预警

图5 2018 年5 月18 日16:00 未来60 min 浙江电网雷害风险预警

（2）通过2018 年电网雷害个例的检验，在保证预警准确率的情况下，该预警方法降低了雷害风险预警的空报率。在保证预警准确率的情况下，相比仅用雷电概率预报数据直接预警，该预警法的空报数减少了24.0%。其中，雷击概率预报等级为2 级的杆塔雷害预警空报数减少了22.0%，雷击概率预报等级为3 级的杆塔雷害预警空报数减少了25.4%。

（3）气象部门的雷电概率预报数据主要基于雷达数据，其预报准确度欠佳。今后在雷电概率数据的基础上，可以尝试融合闪电定位系统数据和大气电场数据等地面监测数据，提高雷电概率预报数据的准确度，从而提高电网雷害风险预警的准确度。