基于闪电数据的中山地区雷电特征及防护效率分析

林世祺 李秋健 成志军 谢宝永 黄慧峰

摘要：本文采用中山地区2005年至2008年云地闪电资料，统计分析了中山地区雷电特征及其直击雷防护效率，为该地区的雷电防护工程提供技术支撑。统计分析表明，中山地区年平均云地闪电次数为239325次；负地闪电占闪电总数的94.55%，平均负地闪电强度为42.64kA；正闪电占闪电总数的5.55%。中山市总闪平均强度为40.55kA，负地闪的平均强度为42.64kA，正地闪的平均强度38.01kA。中山地区地闪活动主要集中在4-9月（汛期），闪电次数占全年的99.4%。正、负地闪电强度主要集中在10～60kA，约占闪电总数的79.0%。中山地区建筑物直击雷保护范围按照一、二、三 类防雷类别设计时，其绕击率分别为0.82%、5.62%和15.59%，即第一、第二、第三类防雷建筑物直击雷防护效率分别为99.18%、94.38%、84.41%左右。雷电流幅值大于200kA、15OkA、100kA的概率分别是0.656%、1.289%、5.578%，因此，按照第一、第二、第三类防雷建筑物安全距离计算时，将分别会有是0.656%、1.289%、5.578%左右的反击率发生。

Abstract： In this paper， the lightning data from 2005 to 2008 in Zhongshan area were used to analyze the lightning characteristics of the Zhongshan area and the lightning protection efficiency of the direct lightning protection， which provided technical support for the lightning protection project in the area. Statistical analysis shows that the average annual cloud-to-ground lightning frequency in Zhongshan is 239，325 times； negative ground lightning accounts for 94.55% of the total lightning， and the average negative ground lightning intensity is 42.64kA； positive lightning accounts for 5.55% of the total lightning. The average lightning intensity of Zhongshan City is 40.55kA， the average intensity of negative ground lightning is 42.64kA， and the average intensity of positive ground lightning is 38.01kA. The ground lightning activities in Zhongshan area are mainly concentrated in April-September （the flood season）， and the number of lightnings accounts for 99.4% of the whole year. The lightning intensity of positive and negative ground is mainly concentrated in 10～60kA， accounting for 79.0% of the total number of lightning. When the lightning protection scope of buildings in Zhongshan area is designed according to the lightning protection categories of Class I， II and III， the shielding rate is 0.82%， 5.62% and 15.59%， namely the lightning protection efficiency of direct lightning of the first， second and third types of lightning protection buildings is 99.18%， 94.38% and 84.41% respectively. The probability of lightning current amplitude greater than 200kA， 15OkA， 100kA is 0.656%， 1.289% and 5.577% respectively. Therefore， according to the safety distance of the first， second and third lightning protection buildings， there will be 0.656%， 1.289% and 5.577% respectively of the counterattack rate occurred.

關键词：雷电流强度；绕击率；反击率；防护效率

Key words： lightning current intensity；circumvention rate；counterattack rate；protection efficiency

中图分类号：P427.32 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0223-04

0 引言

中山市的地理位置较为特殊，地处低纬，该地会受到南海，海洋、陆地、大气之间的作用，造成热带天气系统和中高纬度天气系统的交替，因强对流天气而引起的雷电成为中山市的重要灾害性天气。本文利用利用中山市2005-2008年闪电定位资料，对中山市的闪电活动特征进行研究。详细分析研究了闪电的特性，并对其强度等方面进行了分析记录，在此基础上对中山市的雷电特征进行分析研究和记录，旨在为中山市防雷工程的顺利开展献力。

1 资料来源与统计方法

文中所采用的闪电资料来源于广东省雷电定位系统[3]。广东省雷电定位系统是1997年采用中山高压研究所的产品分二期建立起来的。现有广州站、花都站、肇庆站、茂名站、珠海站、韶关站、惠州站、汕尾站、汕头站、梅州站、河源站、阳江站、云浮罗定站、湛江雷州站、湛江廉江站、连州站等16个雷电方向时差探测站，探测范围覆盖整个广东省。

根据中山地区2005年1月至2008年12月48个月探测到的闪电资料 ，统计分析正、负地闪电次数及其所占闪电总数的百分比；一天中，按照整点时段（如 00：00-01：00，01：00-02：00，…，23：00-0：00）统计逐小时内闪电次数，一年中各月闪电次数采用4年平均数。

2 结果与分析

2.1 闪电分布特性

本文利用2005-2008年中山市闪电定位资料，分析了总闪、正地闪、负地闪变化规律。通常云底为正电荷，地面为负电荷时，闪电电流为正称之为正地闪；云底为负电荷，地面为正电荷时，闪电电流为负称之为负地闪；正地闪和负地闪之和称为总闪（也称为地闪）。

统计2005-2008年的闪电资料表明，中山地区4年共监测到云地闪次数大约为239325次，平均云地闪59831次，平均正地闪次数3322.25次，占总地闪5.55%，平均负地闪次数56509次，占总地闪94.55%。平均正地闪强度为38.01kA，平均负地闪强度42.64kA。主要原因是大多数积雨云上部带正电荷，云体下部主要带负电荷[2]，因此，云层与地面之间的放电绝大多为负地闪电。

2.2 闪电次数年变化

由表1可见，2005-2008年总闪次数的年际变化大，2007年总闪次数最多，其次是2008年，这两年都是闪电高发年；2005年总地闪次数最少，其次是2006年，这两年是闪电的低发年；2007年的总地闪次数是2006年的1.65倍。与南方大多数城市一样，中山市闪电以负地闪为主，占94.55%，正地闪占4.55%。

2005-2008年中山市总闪平均强度为40.55kA，负地闪的平均强度为42.64kA，正地闪的平均强度38.01kA，负地闪的平均强度大于正地闪的平均强度。2005年和2006年的总闪平均强度基本一致，2007年和2008年平均强度略有下降，负地闪平均强度的变化趋势与总闪基本一致。正地闪平均强度的年际变化大，2005-2008年平均强度有明显的下降趋势，2005-2008年的正地闪平均强度都小于负地闪平均强度。

2.3 闪电次数和强度月变化

由图1可知，中山市地闪活动主要集中在4-9月，即中山市的汛期，总闪次数占全年的99.4%；其中4-6月为前汛期，占全年总闪次数的52.7%，这三个月的总闪次数增加明显；7-9月为后汛期，占全年总闪次数的46.7%，由此可见，前汛期比后汛期的闪电活动稍活跃。总闪次数在6月达到峰值，其次是8月，汛期总闪次数最少出现在4月，其次是7月。非汛期（10月-翌年3月）总闪次数明显减少，最少为1月，其次是12月。全年负地闪次数明显多于正地闪次数。此次研究说明了气温与云流发展的旺盛情况成正比，气温越高，云流发展越为旺盛，击穿空气的电荷对地面的放电几率也就越小。

由图2可见，总闪平均强度与负地闪平均强度的年变化趋势较一致，正地闪平均强度的年变化波动更大，总闪、负地闪、正地闪平均强度都具有三峰结构。正地闪和负地闪平均强度同时在3月、6月和11月达到峰值，强度最大出现在负地闪过程中；负地闪、正地闪平均强度在1月达最小值。4月至10月，正地闪和负地闪的平均强度基本相同，3月正地闪平均强度大于负地闪平均强度。

2.4 闪电次数和强度日变化

从图3可以看出，中山地闪活动主要发生在下半天（当地时间12：00-20：00），此时段内闪电活动约占全天的67%，其次是上半天（06：00-11：00），此时段内闪电活动约占全天的17.8%，上半夜和下半天的地闪活动较少。由此可见，中山市的地闪活动主要集中在白天午后12：00-20：00之间。说明12：00-20：00是中山地区对流性雷电天气相对集中发生期，也是雷电防御的关键时段。

由图4可见，中山市地闪强度主要集中在10-60kA，约占闪电总数的79.0%。全日负地闪强度变化不大，正地闪强度在17：00和22：00波动较大。2005年6月13：14监测到最大电流强度为正地闪600kA。总体来看，雷电流幅值总体分布特征与负闪相似，雷电流幅值在10-60kA范围内落雷密度较大。

3 雷电防护效率探讨

3.1 绕击率

绕机主要指的是在被雷电集接闪器保护范围内被保护物击中的雷击现象，但是这一现象并非是不可确定的，当先导头部电压击穿与地面之间的间隙时，会受到地面的影响，并在此基础上进行导向，根据相关的防雷规范所提供的模型如以下所示

式中：hr为闪电的最后闪络距离（击距），也可规定为滚球半径；I是指与h相对应的得到保护的最小雷电流幅值（kA），也就是说被保护的空间是存在被雷电流小的情况下存在的。根据式（1）可以计算出，第1、第2、第3类防雷建筑物所对应的得到保护的最小雷电流幅值分别是5.57、10.78、15.45kA，也就是说当雷电流幅值小于上述幅值时，在接闪器保护范围内的被保护物体，有可能遭受直击雷的危害。统计中山地区闪电资料显示，雷电流幅值小于5.57、10.78、15.45kA的概率分别是0.817%、5.689%和15.604%。由表2可知，中山地區建筑物直击雷保护范围按照一、二、三类防雷类别设计时，可能会有0.817%、5.689%和15.604%的绕击率发生；也就是说，中山地区第一、第二、第三类防雷建筑物直击雷防护效率为99.457%、94.386%、84.454%左右。这说明为了进一步提升对雷电的防护效率，最为重要的是加强对不同场所的雷电防护针对性，加强对防雷电保护的计算水平，并在此技术上精确计算结果，以此来尽可能的减少绕击率。

3.2 反击率

为了在雷电的天气下加强对建筑物的保护，并在一定程度上避免出现雷击等情况的发生，在安装防雷机制的过程中，便要与物体保持一定的距离，保证距离的安全性，其中的地上部分的安全距离如下：

式中：Sa为地上部分安全距离（m）；I为雷电流幅值（kA）；Ri为接地装置的冲击接地电阻（Q）；ER为电阻电压降的空气击穿强度，取值为500kV/m；L0为引下线或避雷针的单位长度电感，取值为1.5μH/m；hx为被保护物或计算点的高度（m）；di/dt为雷电流陡度（kA/μs）；EL为电感电压降的空气击穿强（kV/m），其值为EL=600（1+）

（kV/m），T1为雷电流波形波头时间（s）。

根据式（2）就可推导出不同防雷类别建筑物的地上和地下的安全距离Sa和Se1（其中Se1=IR/ER，但是如果雷电流幅值大于200kA、150kA和100kA时，第一次雷击雷电流幅值所对应的防雷类别的地上和地下的安全距离要求会产生一定的改变，按照《建筑物防雷设计规范》中的相关条令进行安全距离设计时，便会发生不同的反击风险。从表2可以看，当雷电流幅值大于200kA、150kA 和100kA时，中山地区第一、第二、第三类防雷建筑物反击率分别在0.575%、1.107%、5.545%。

4 结论与讨论

①2005-2008年的闪电资料表明，中山地区这4年共监测到云地閃次数大约为239325次，闪电以负地闪为主，占94.55%，正地闪占5.55%。中山市总闪平均强度为40.55kA，负地闪的平均强度为42.64kA，正地闪的平均强度38.01kA，负地闪的平均强度大于正地闪的平均强度。

②2005-2008年统计数据来看，中山市雷电流强度主要集中在30-50kA范围内，闪电强度峰值出现在3月。

③中山地区地闪活动活跃期主要集中在4-9月（汛期），闪电次数占全年的99.4%；前汛期（4-6月）占全年总闪次数的52.7%；后汛期（7-9月）占全年总闪次数的46.7%。闪电次数峰值出现在6月，闪电次数最少出现在1月。

④中山地区地闪活动主要集中在白天午后12：00-20：00之间。说明12：00-20：00是中山地区对流性雷电天气相对集中发生期，也是雷电防御的关键时段。

⑤统计资料显示，中山地区雷电流幅值小于5.4kA、10.1kA、15.8kA的概率分别是0.82%、5.62%和15.59%，因此，中山地区建筑物直击雷保护范围按照一、二、三类防雷类别设计时，绕击率分别为0.82%、5.62%和15.29%，即第一、第二、第三类防雷建筑物直击雷防护效率分别为99.18%、94.38%、84.41%左右。雷电流幅值大于200、15O、100kA的概率分别是0.55%、1.17%、5.54%，因此，按照第一、第二、第三类防雷建筑物安全距离计算时，将分别会有0.55%、1.17%、5.54%左右的反击率发生。

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