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監(jiān)測數(shù)據(jù)對雷擊危害評定的影響論文
雷電監(jiān)測資料在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用
在雷電監(jiān)測系統(tǒng)使用之前,用于研究雷電的資料主要來源于人工氣象觀測的數(shù)據(jù)。由于雷暴活動(dòng)受氣候變化及地理環(huán)境影響較大,僅憑人工觀測得到的雷電數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代防雷科研和業(yè)務(wù)需要。探索使用雷電監(jiān)測資料取代傳統(tǒng)人工觀測數(shù)據(jù),客觀高效地進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估成為必要。隨著科技的發(fā)展和設(shè)備標(biāo)定水平的提高,雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用使得閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到極大的提高。江西省雷電監(jiān)測系統(tǒng)建成以來,取得大量雷電監(jiān)測數(shù)據(jù),已經(jīng)在雷電監(jiān)測預(yù)警、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估和防雷工程設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。文中主要對雷電監(jiān)測資料的地閃數(shù)量、發(fā)生時(shí)間、閃擊點(diǎn)定位坐標(biāo)以及雷電流強(qiáng)度等進(jìn)行分析,并應(yīng)用于雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估。
1計(jì)算雷擊大地密度
雷擊大地密度(Ng)是進(jìn)行雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的重要參數(shù)之一。目前,各地在雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估中,Ng多采用《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50057—2010)》中提供的計(jì)算公式Ng=0.1Td來計(jì)算,其中Td是由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的所在城市的年平均雷暴日。由此可知,Ng的大小完全依賴于年平均雷暴日的值。眾所周知,雷暴日是由世界氣象組織定義的一個(gè)氣象業(yè)務(wù)的觀測項(xiàng)目。其確定是觀測者聽覺判斷的,即氣象觀測人員在一天內(nèi)只要聽到一次雷聲就算一個(gè)雷暴日,無論該天發(fā)生多少次雷暴。就南昌而言,目前只有一處觀測點(diǎn),僅僅憑這一處的觀測點(diǎn)來觀測全市的雷暴是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,利用雷電日數(shù)資料計(jì)算雷擊大地密度存在一定的局限性。
(1)人工觀測得到的Td資料精確度不高。
首先,人工觀測站轄區(qū)內(nèi)發(fā)生雷暴,如果雷暴的強(qiáng)度較弱或者距離臺(tái)站較遠(yuǎn),氣象觀測人員會(huì)因?yàn)闆]有聽到雷聲或者看到閃電而發(fā)生漏記的現(xiàn)象。
通常情況下,距離觀測者15km的雷電可以聽到雷聲,一旦超過此范圍,則很難被聽到。其次,由于閃電的種類按照空間位置分為云地閃電、云內(nèi)閃電和云際閃電,所以觀測者聽到的雷聲既有云地閃電發(fā)出的,也有云內(nèi)閃電和云際閃電發(fā)出的,因此,依靠人的聽覺判斷而觀測得到的Td值并不能表征雷擊大地的真實(shí)頻率。
(2)計(jì)算得到的Ng值誤差較大。
Td值一般是指這個(gè)城市的全年發(fā)生雷電的次數(shù),使用這種方法計(jì)算Ng值,存在非常明顯的缺陷,即同一個(gè)行政轄區(qū)內(nèi)的Ng值完全相同,這就在很大程度上忽略了一個(gè)地區(qū)不同區(qū)域因下墊面性質(zhì)、氣象、建筑結(jié)構(gòu)布局的不同而引起的雷擊次數(shù)不一樣的影響,故利用Td值計(jì)算得到的Ng值與雷擊密度實(shí)際分布情況通常有較大的差異。
目前,江西省使用的雷電監(jiān)測系統(tǒng)在南昌地區(qū)探測效率超過90%。根據(jù)雷擊大地的年平均密度的含義,選取南昌地區(qū)2004—2010年雷電數(shù)據(jù),通過MapInfo桌面地理信息系統(tǒng)軟件,加載地圖信息、雷電數(shù)據(jù)信息;根據(jù)被評估對象所在地的經(jīng)、緯度,找到在地圖上的坐標(biāo),在MapInfo上選定半徑r內(nèi)的區(qū)域;將選取區(qū)域的雷電數(shù)據(jù)(依次為地閃發(fā)生的日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、雷電流的強(qiáng)度、陡度)導(dǎo)出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)記錄的條數(shù)即為被評估對象所在位置的地閃總次數(shù);用得到的地閃總次數(shù)除以該地區(qū)的面積及提供的數(shù)據(jù)的總時(shí)間,可以得到精確的雷擊大地的年平均密度(圖1)。計(jì)算公式為其中,D為評估項(xiàng)目地點(diǎn)處總的地閃次數(shù),單位:次/a;Y為選取資料的總時(shí)間,單位:a;r為選擇區(qū)域的等效半徑,單位:km。
2確定雷電的主導(dǎo)方向和次主導(dǎo)方向
近10年來,我國雷電監(jiān)測技術(shù)有了長足的發(fā)展,閃電定位觀測儀得到不斷改進(jìn),觀測精度不斷提高。閃電監(jiān)測由以前人工觀測的定性結(jié)論“是否有雷暴”,發(fā)展到現(xiàn)在可以準(zhǔn)確記錄一個(gè)雷暴日中發(fā)生閃擊的次數(shù)以及每次閃擊的具體位置的坐標(biāo)等信息。目前雷電監(jiān)測系統(tǒng)對落雷點(diǎn)的定位誤差被限定在500m之內(nèi),比人工觀測的數(shù)據(jù)在精度上更為接近實(shí)際。下面,根據(jù)江西省雷電監(jiān)測系統(tǒng)歷年的閃電數(shù)據(jù)中地閃發(fā)生處的經(jīng)緯度坐標(biāo),判斷落雷點(diǎn)相對于評估對象的方位,統(tǒng)計(jì)得到E、NE、N、NW、W、SW、S、SE等8個(gè)方向的地閃次數(shù),畫出雷電玫瑰圖,得到評估對象所在地的雷電主導(dǎo)方向和次主導(dǎo)方向。具體步驟如下:
(1)計(jì)算地圖上單位經(jīng)(緯)度表示的距離:借助Mapinfo上“標(biāo)尺”功能,在地圖上評估對象所在地和距離l處選擇兩個(gè)點(diǎn),單位經(jīng)(緯)度距離=l/兩點(diǎn)經(jīng)(緯)度差。
(2)設(shè)Dx為落雷點(diǎn)和項(xiàng)目所在地的緯度距離,Dy為落雷點(diǎn)和項(xiàng)目所在地的經(jīng)度距離,α為落雷點(diǎn)和零度方位的夾角,則Dx=單位緯度距離×評估點(diǎn)與雷擊點(diǎn)緯度差的絕對值;Dy=單位經(jīng)度距離×評估點(diǎn)與雷擊點(diǎn)經(jīng)度差的絕對值;α=arctan(Dy/Dx)。設(shè)E方向?yàn)?°,區(qū)間(337.5°,22.5°)、(22.5°,67.5°)、(67.5°,112.5°)、(112.5°,157.5°)、(157.5°,202.5°)、(202.5°,247.5°)、(247.5°,292.5°)、(292.5°,337.5°)分別為E、NE、N、NW、W、SW、S、SE方向,根據(jù)夾角α值得到在上述8個(gè)象限的落點(diǎn),地閃點(diǎn)所在的方向上取1,其他方向取0,得出各個(gè)雷擊點(diǎn)相對于被評估點(diǎn)的方位。
(3)將各個(gè)方向的值累加,得出各個(gè)值所占的比例,按比例繪制出玫瑰圖。由圖2可以看出,評估點(diǎn)雷擊主導(dǎo)方向N,次主導(dǎo)方向SW,為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估提供真實(shí)數(shù)據(jù)。
計(jì)算被評估點(diǎn)雷電參數(shù)幅值
在進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí),電源線路上電涌保護(hù)器安裝位置和選型對于評估因子的取值有直接影響。而雷電流幅值是確定電涌保護(hù)器雷電流參數(shù)的一個(gè)重要的參數(shù)�！督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》附錄中給定了首次正擊雷電流的幅值參考值,第一類、第二類、第三類防雷建筑物對應(yīng)分布為200kA、150kA、100kA。如果評估中采用上述推薦值,得出的計(jì)算結(jié)果并不能真正反映評估對象所需要的電涌保護(hù)器的雷電流參數(shù)。
目前江西省的閃電定位系統(tǒng)對雷電強(qiáng)度的測量誤差小于15%,如根據(jù)已經(jīng)取得的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)中閃電流強(qiáng)度值來計(jì)算雷電流幅值,則使得電涌保護(hù)器的雷電流參數(shù)更有針對性,也使得雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估工作更加科學(xué)。具體步驟如下:首先,根據(jù)南昌地區(qū)2004—2010年閃電監(jiān)測資料中的雷電流幅值,根據(jù)IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率公式,得到與實(shí)際監(jiān)測曲線最為近似的擬合曲線,能反映雷電流幅值概率的分布特征(圖3)。公式為其中,I為雷電流幅值,單位:kA;PI為雷電流幅值大于I的概率;a表示中值電流,即電流幅值大于a的概率為50%;b反應(yīng)曲線的曲率變化程度,當(dāng)b增大時(shí),50%概率點(diǎn)左右側(cè)曲線陡度絕對值均變大。
其次,選擇雷擊概率99%的雷電流幅值I作為依據(jù)。根據(jù)《建>:請記住我站域名/ 結(jié)束語
利用由江西省閃電監(jiān)測網(wǎng)獲取的南昌地區(qū)2004—2010年雷電監(jiān)測數(shù)據(jù),計(jì)算得到評估對象周圍5km范圍的雷擊密度,雷擊主導(dǎo)方向、次主導(dǎo)方向以及雷電幅值參數(shù),分析發(fā)現(xiàn):
(1)利用雷電監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的雷擊大地的年平均密度,較使用《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50057—2010)》中推薦的公式求得的值更為精確。
(2)通過分析評估對象所在地周邊雷電監(jiān)測數(shù)據(jù),得到評估對象所在地雷擊主導(dǎo)方向、次主導(dǎo)方向,為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估提供真實(shí)數(shù)據(jù)。
(3)對比《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》三大類防雷建筑物雷電流幅值的推薦值,根據(jù)閃電監(jiān)測資料中的閃電流強(qiáng)度值,按IEEE公式擬合得到符合評估對象周圍雷電流幅值分布情況的雷電流I值,由該I值計(jì)算得到的電涌保護(hù)器Iimp參數(shù)選取更加科學(xué)、準(zhǔn)確。
閃電定位儀閥值設(shè)定多少為最佳,是一個(gè)值得研究的問題�？赡茉谝恍╅y值的設(shè)定下,閃電定位系統(tǒng)在探測到大量云地閃電數(shù)據(jù)的同時(shí),云內(nèi)閃電和云際閃電也被探測并記錄下來,如何去除云內(nèi)閃電和云際閃電的監(jiān)測數(shù)據(jù),是今后研究需要解決的問題。
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