随着人民生产生活对电力依赖程度的不断提高及输电线路总长度的扩展、传输容量的不断增长，对电网的安全性和可靠性要求越来越高。如何有效降低极端天气情况下电网灾害的发生是供电部门的一项重要课题。北京市雷电活动频繁且强烈，据统计电网雷害占电网灾害总数的71.3%，远高于因其他极端天气引起的电网灾害的总和^[1]。电网雷害已经成为威胁北京市电网安全稳定运行的最主要、最突出的矛盾。近年来，我国也结合自身电网特点开展了一系列电网雷击故障分析和防雷评估技术的相关研究^[2-3]。陈家宏等^[4-5]和王剑等^[6]率先在华北地区进行针对电网雷害的评估技术研究，并于2007年在国内外首次研制出针对电网的雷害分布图，确定了华北地区为雷害比较严重的区域。赵淳等^[7]采用电网雷害风险评估体系绘制了电网雷害风险分布图和单一线路雷害风险分布图，确定了500 kV电网的重点改造线路、区段和杆塔。国家电网武汉电力科学研究院于2011年形成系统化的电网雷害风险评估技术^[8]。以上分析从电网分布及电网雷害本身考虑电网雷害风险的高低，随着灾害风险评估方法的进一步发展，综合考虑灾害发生的风险概率和损失已经成为气象灾害风险评估的重要方面^[9-13]。本文根据北京电力试验研究院提供的电网资料分析了电网雷害的分布特点以及易损情况，并根据各易损度的评价分析结果形成综合易损度以及北京市电网雷害综合易损区划图，为建立科学规范的电网雷害风险评估体系、确定电网防雷改造的重点区域提供参考。

本文电网雷害的资料由北京电力试验研究院提供，共收集了1996—2009年北京市各电网沿线的受灾数据。对电网灾害的类型判断主要参考供电部门对电网灾害事件的记录和描述进行致灾成因分析。电网雷害资料共统计了北京市朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区、延庆县、昌平区、怀柔区、密云县、平谷区、顺义区、门头沟区、房山区、大兴区、通州区共14个区县的电网受灾情况。根据区域自然灾害风险形成过程主要考虑4个因素综合作用的影响，即危险性 (H)、暴露性 (E)、脆弱性 (V) 和防灾减灾能力 (R)^[14]。图 1显示了4个因素以及相应的因子。危险性主要反映本地区的雷电活动特征，雷电是产生电网雷害的直接原因，与当地的气候背景以及下垫面性质等因素有关。通常，地闪频数是最直接反映孕灾环境的雷电灾害评估指标，由于目前国内气象部门还没有统一标准的业务运行闪电定位系统，且北京市闪电定位系统运行时间不长，还未积累较长时间尺度的地闪频数资料，用雷暴日数代表一个区域内雷电活动的频繁程度仍有一定的参考价值^[15]。暴露性包括经济暴露和人口暴露，经济暴露反映在经济易损模数E(E＝E_S/S，单位：亿 (人民币)·km^-2，E_S为北京市各区县的国民生产总值，S为北京市各区县的行政面积)，指区域内发生雷电灾害时单位面积上可能受影响的经济情况；人口暴露反映在生命易损模数L(L=L_S/S，单位：万人·km^-2，L_S为北京市各区县人口和暂住人口总和)，指区域发生电网雷害时单位面积上可能受影响的人口数量。上述各区县的人口和经济特征统计资料来自北京市统计局2010年发布的北京市统计数据^①，并假定各区县的人口和经济特征具有相对稳定性，人口增长和经济发展大致同步。电网的脆弱性指电网在雷电灾害中的承载能力，主要反映在杆塔结构特征，包括输电线路的防雷设备等。电网的防灾减灾能力反映在电网的雷击跳闸率和跳闸重合率，通过电网雷害概率、电网雷害频次和电网雷害密度3个副因子来反映。其中，电网雷害概率P(单位：%) 是指各区县发生电网雷害的次数与该区县发生的雷暴数的比值，也是反映发生电网雷害可能性的重要指标；电网雷害频次F(F=N/年数，N为1996—2009年电网雷害总数) 是指区域内每年发生的电网雷害次数，反映了区域灾害发生频率和次数的高低；电网雷害密度D(D＝N/S，单位：次·km^-2) 是指单位面积内所发生的电网雷害次数。

① http://www.bjstats.gov.cn/.

图 1

图 1. 电网雷害风险概念框架 Fig 1. Conceptual framework of power grid lighting disaster

目前北京市的输电线路主要包括了500, 220, 110 kV和35 kV的高、中、低压输电线路。从输电线路的百分比看，500 kV高电压输电线路主要分布于北京地区外围，约占总输电线路的3%。从电网雷害的发生来看，各输电线路电网雷害分别占总数的1.6%, 17.7%, 41.8%和38.9%。因此，电网雷害的发生主要集中在220 kV以下的中低压的输电线路。由于220 kV以下的输电线路在北京地区呈网格状均匀分布，分析电网雷害的时空分布对于认识北京地区电网雷害的发生规律具有重要意义。图 2给出了1996—2009年北京市各输电线路的电网雷害受灾的时间分布曲线。从电网雷害年变化曲线 (图 2a) 可以看到北京市电网雷害主要集中在4—10月，6—9月是电网雷害的高发期，占全年电网雷害总数的88.4%，其中8月的电网雷害总数达82起，占全年电网雷害总数的32.9%，11月—次年3月几乎没有电网雷害发生。电网雷害的季节分布特征与华北雨季的季节性移动以及北京的初雷和终雷的发生密切相关。夏季暖湿气流旺盛，对流性天气相对较多引起雷电活动频繁有关。从电网雷害的日变化曲线 (图 2b) 可以看到，15：00(北京时，下同)—21：00电网雷害处于高发期，约占电网雷害总数的51.0%, 08：00—15：00处于相对低发期，占电网雷害总数的15.3%。因此，北京市电网雷害也存在一定的日分布规律。

图 2

图 2. 1996—2009年北京市各输电线路的电网雷害分布 (a) 年变化，(b) 日变化 Fig 2. Distribution of power grid lighting disasters from 1996 to 2009 in Beijing (a) annual variation, (b) diurnal variation

图 3给出了北京市电网雷害的地域分布情况，可以看到，北京市西部和北部山区的电网雷害要明显高于东南部地区。北京处于华北平原的边缘，地势呈现西北高、东南低的特点。西部和北部山区居多，地势较高，东南则是向渤海倾斜的平原地区。山区的地形抬升作用往往使对流性天气的发生频率和强度要明显高于东南部的平原地区。因此，电网雷害的分布和北京地形关系密切。

图 3

图 3. 北京市电网雷害的地域分布特征 Fig 3. Distribution of power grid lighting disasters in Beijing

表 1为北京市各区县的电网雷害概率、电网雷害频次、电网雷害密度、经济易损模数和生命易损模数的统计情况。由表 1可以看到，北京市发生电网雷害的平均概率为3.97%，高于平均概率的区县大部分集中在北京西部和北部的延庆、昌平、密云、门头沟和房山。电网雷害概率最高为昌平，可达8.84%；石景山的概率最低，为1.12%。因此，北京市电网雷害的发生概率与北京的地形特点有一定关系。当云团移近山前时易加强不稳定层结的对流运动，使得雷暴的强度也加强，对于承灾能力相同的防雷设备，山区电网雷害的发生概率要高于平原地区。从电网雷害频次看密云和昌平的雷害频次较高，年发生次数在2次以上。北京市中心城区附近的朝阳、海淀、丰台和石景山电网雷害密度、经济易损模数和生命易损模数均较高。

表 1

表 1 北京市各区县电网雷害易损评估分析指标 Table 1 Power grid lightning disaster vulnerability assessment of various districts in Beijing 地名 电网雷害 概率/% 电网雷害年 频次/次 电网雷害密度/ (次·10-2 km-2) 经济易损模数/ (亿·km-2) 生命易损模数/ (万人·km-2) 朝阳区 3.50 1.07 3.30 4.59 0.93 海淀区 3.52 1.07 3.48 5.34 0.95 丰台区 2.22 0.71 3.27 1.77 0.77 石景山区 1.12 0.36 5.93 2.49 0.97 延庆县 4.42 1.50 1.05 0.03 0.02 昌平区 8.84 2.79 2.90 0.25 0.11 怀柔区 3.91 1.36 0.90 0.07 0.02 密云县 8.41 3.07 1.93 0.05 0.02 平谷区 1.72 0.57 0.84 0.09 0.05 顺义区 2.65 0.71 0.98 0.52 0.09 门头沟区 4.54 1.50 1.45 0.05 0.02 房山区 4.82 1.43 1.01 0.12 0.05 大兴区 1.82 0.50 0.68 0.23 0.16 通州区 2.82 0.71 1.10 0.26 0.16

表 1 北京市各区县电网雷害易损评估分析指标 Table 1 Power grid lightning disaster vulnerability assessment of various districts in Beijing

影响电网雷害发生的因素很多，包括输电线路的杆塔结构、该地区的地形和地质特征、极端性天气发生的频率和次数等。为了得到电网雷害的综合易损度，参考文献[16]中的对称不等分间隔的分级方法将电网雷害分为4级，并赋予各等级如下定值：极高为1，高为0.8，中为0.5，低为0.2。按照5个电网雷害评估指标风险系数的结果进行累加，并取其平均值得到北京市各区县电网雷害的综合易损度。最后，根据区域综合易损度的评估分析结果，参考蒋勇军等^[17]的分区法将电网雷害分为低易损区 (0~0.59)、中易损区 (0.60~0.69)、高易损区 (0.70~0.79) 和极高易损区 (0.80~1.00)，结果如表 2所示。

表 2

表 2 北京市电网雷害综合易损度区划表 Table 2 Vulnerability zoning of power grid lightning disaster in Beijing 易损度级别 区域 低易损区 大兴区、怀柔区、平谷区、延庆县、顺义区、门头沟区 中易损区 密云县、房山区、通州区、石景山区 高易损区 丰台区 极高易损区 朝阳区、海淀区、昌平区

表 2 北京市电网雷害综合易损度区划表 Table 2 Vulnerability zoning of power grid lightning disaster in Beijing

由表 2可以看出，朝阳区、海淀区和昌平区为电网雷害的极高易损区，丰台区为电网雷害的高易损区，密云县、房山区、通州区和石景山区为电网雷害的中易损区，其余区县为电网雷害的低易损区。

本文分析了1996—2009年北京市电网雷害的分布规律，结合同期气象观测站的雷暴日资料，以及北京市的人口和经济情况，提出了北京市电网雷害评估指标，并对北京市各区县进行了电网雷害综合易损度的区划分析，主要结论如下：

1) 北京市电网雷害主要发生在6—9月，占全年电网雷害总数的88.4%，其中8月的电网雷害最高，占全年总数的32.9%。15：00—21：00是电网雷害的高发期。西部和北部电网雷害频次明显高于东南平原地区。

2) 北京市电网雷害风险评估分析结果表明：朝阳区、海淀区和昌平区为电网雷害的极高易损区，丰台区为电网雷害的高易损区，密云县、房山区、通州区和石景山区为电网雷害的中易损区，其余区县为电网雷害的低易损区。

北京市电网雷害易损度评估和易损区划可为北京市电网的防雷减灾规划提供参考，同时也为开展较大面积区域的易损性评估和易损区划进行了有益探索。本文在进行风险评估时存在一定不足，区域易损性除了综合考虑自然系统对各种环境变化的敏感性和区域社会经济系统的脆弱性外，还取决于区域自然和社会经济系统受到保护的水平。同时，不同级别输电线路的防雷抗灾能力是风险评估需要考虑的重要因素，这也是有待于进一步探讨的问题。