閃電監測數據在成都市雷擊風險評估中的應用

李一丁，靳小兵，陸 茂，卜俊偉，劉婷立

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

閃電監測數據在成都市雷擊風險評估中的應用

李一丁，靳小兵，陸 茂，卜俊偉，劉婷立

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

雷電監測資料的開發與應用，是雷電業務建設的主要內容，其在公眾服務、專業服務、科技服務中都發揮了重要作用。該文詳細描述了如何利用四川省雷電監測資料中的地閃密度和電流幅值以及雷暴日統計分布等參數取代傳統人工觀測的雷暴日數等數據進行評估，并以具體事例進行計算，分別與傳統計算方法進行對比。通過利用雷電監測資料進行雷擊風險評估，對提高防雷技術服務能力，提升防雷減災服務效果有積極的作用。

雷電;監測資料;雷電災害;風險評估

1 引言

雷電災害是全球最嚴重的十種自然災害之一。四川省雷電活動十分頻繁，是雷電災害多發區之一，雷電災害多見于盆地區和川西高原南部。盆地區和川西高原南部的雷電活動主要發生在3—10月。四川省每年因雷擊造成人員傷亡、財產損失巨大，而根據防雷技術規范的要求對建設項目可能遭受的雷擊風險進行評估，提出科學、經濟和符合項目特性的防御措施，可有效避免和減輕雷電災害造成的損失，保障人民生命和財產安全。

到目前為止，氣象領域還是通過測站觀測員看到閃電或聽到雷聲識別記錄雷暴情況來進行雷擊風險評估。由于閃電發生的時空分布與氣候、地形、地貌、土壤等密切相關，所以由人工記錄的雷暴不能全面反映雷暴的發展過程以及閃電分布情況，而閃電定位儀的地閃記錄可以清楚實時地表示一次對流活動的發生發展情況。因此在雷電災害風險評估時，使用閃電定位資料代替人工觀測資料，能夠更加真實地反映建設項目所在區域的雷電活動情況。

2 四川省雷電監測系統簡介

閃電以其大電流、高電壓、強電磁輻射和發生的瞬態性等為特征。閃電放電擊穿過程可以產生頻率范圍很寬且連續的電磁輻射。

雷電監測系統就是利用閃電回擊輻射的聲、光、電磁場特性來遙測閃電回擊放電參數的一種自動化探測系統。四川省雷電監測系統是一個專業性較強的系統，涉及到氣象、計算機等各領域。該雷電監測網絡從2004年底開始建設，于2005年開始投入運行，目前四川省雷電監測網共由27個子站和1個中心站構成，初步形成了覆蓋全省的雷電監測網絡。

四川省雷電監測業務系統以地閃資料為基礎，以四川省氣象局信息中心到四川省防雷中心高速通信網絡為紐帶，采用人機交互方式，實現監測業務產品制作的定時、定點、定量和客觀化、自動化。其業務流程見圖1，包括：資料收集、資料加工和雷電監測業務產品生成、雷電監測業務產品發送等，業務產品主要包括四川省雷電監測快報、四川省雷電監測月報、四川省雷電監測年報、四川省雷電專報、成都市雷電監測快報、成都市雷電監測年報、雷災調查報告、雷擊風險評估報告以及其他為專業用戶提供的雷電監測業務產品。極大地滿足了四川省氣象局內部用戶和其他專業用戶開展雷電監測的工作需要。

3 地閃密度在雷擊風險評估中的應用

在計算建筑物雷擊風險時需要使用地閃密度數據。根據 GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》附錄A，建筑物年預計雷擊次數的公式為：

圖1 四川省雷電監測業務流程圖

式中：N為建筑物年預計雷擊次數(次/a);k為校正系數，在一般情況下取1;Ng為建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度(次/km2/a);Ae為與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積(km2)。

雷擊大地的年平均密度，首先按當地氣象臺、站資料確定;若無此資料，可按下式計算：

式中：Td為年平均雷暴日，根據當地氣象臺、站資料確定(d/a)

地閃密度若根據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》附錄A計算，則該地區的雷暴日必須是已知的。但是，根據雷暴日的定義，1 d內觀測員只要聽到雷聲，無論次數多少，均記為1個雷暴日。

雷暴日分布與指定的統計區域有關，單位為：天數/一定區域內，比較科學的方法是采用10×10 km2網格為標準統計區域，但這與現在的雷暴日計算方法有差異，目前我國以氣象觀測站聽到雷聲為統計依據，國外科學家研究，聽力好的人可以聽到20 km以外的雷聲，聽力不好的人連5 km處發生的雷電都聽不到，另外也與雷聲大小、背景噪聲及傳播路徑上有無障礙有關，同時，我國目前基本是1個行政縣設1個氣象觀測站，可以依縣級行政區域為雷暴日統計單位。依據不同的統計方法，得出來的結論相差很大。在四川地區，僅僅憑借幾個觀測點來觀測全省的雷暴日是遠遠不夠的，且并不能保證觀測員能聽到所有的雷聲。通常情況下，距離觀測點15 km以內的雷電可以聽到其雷聲，超出此范圍的雷電不能夠被聽到。也就是說，該指定區域的范圍是以觀測點為圓心，以15 km為半徑的圓形區域。因此就產生了一定的觀測誤差。這里的雷聲既包括云地閃發出的，也包括云內閃和云際閃發出的，并不能準確表征地面落雷的頻繁程度。

如成都市年平均雷暴日數為35.1 d，帶入式(2)中計算得出成都市平均地閃密度為3.51(次/km2/a)。而通過四川省雷電監測系統可以統計出(圖2)，成都市范圍內各個區域的地閃密度差異很大，如按照GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》附錄A計算地閃密度，與實際測量得出的地閃密度值有較大差異，對后面計算建筑物年預計雷擊次數進而確定該建筑物的防雷等級產生了影響。而四川省雷電監測系統可以根據被測建筑物所在經緯度，進行更為精細化的地閃密度統計(圖3)，不難看出，采用雷電監測網實際測得的地閃密度值進行計算更具真實性。

因此，在進行建筑物年預計雷擊次數的估算時，應以建筑物所在區域測得的地閃密度為準。而不應以通過雷暴日計算的地閃密度為準。當測量地閃密度困難或不可能時，可用通過雷暴日計算得出的地閃密度進行計算，但誤差較大。

4 雷電流幅值在雷擊風險評估中的應用

在進行雷擊風險評估時，被評估建筑物所在區域的雷電流幅值用于評估SPD(電涌保護器)通流容量的選擇。而利用雷電定位系統獲得雷電流幅值分布特征，可使防雷計算的結果更符合實際情況。根據四川省雷電監測系統探測到的四川省2005-2011年地閃資料進行分析，可以得出，其中負極性雷擊約占96%，正極性雷擊約占4%，且正雷擊多發生在每年5月之前、9月之后氣溫較低的情況下。造成雷擊事故主要是負極性雷擊，本文主要討論四川省負極性雷電的幅值的分布以及在雷擊風險評估中的應用。

在GB50057-2010附錄F中規定的首次負極性雷擊的雷電流參量：第一類防雷建筑物為100 kA;第二類防雷建筑物為75kA;第三類防雷建筑物為50kA。如果在評估中采用規范的推薦值進行計算的話，得出的SPD通流容量可能不能真正反映出被評估建筑物所需SPD級數及其通流容量，即評估針對性不強，因此選擇雷電監測網所提供的實測雷電流幅值來進行計算。而監測網給出的雷電流幅值會有若干極大值，畢竟這些極大值的出現屬于小概率事件，因此采用雷電流累積概率為99%、98%、97%、90%時對應的雷電流強度值和平均雷電流強度值作為計算依據，現舉具體實例如下。

根據成都市某建筑物位置地理參數，得出3 km范圍雷電流累積概率分布曲線(圖4)，由分布曲線得出雷電流累積概率分別為99%、98%、97%、90%時對應的雷電流強度值和平均雷電流強度統計表見表1。

圖4 成都市某建筑物3 km半徑范圍地閃雷電流強度累積概率曲線圖

根據圖4可知，項目所在地(3 km半徑)區域范圍內7 a雷電流幅值：平均值為28.25kA;雷電流幅值＞178.9 kA的地閃概率為1%;雷電流幅值＞86.0 kA的地閃概率為2%;雷電流幅值＞60.0 kA的地閃概率為3%;雷電流幅值＞40.1 kA的地閃概率為10%。

表1 項目所在地雷電流強度統計表

假定總雷電流i0的50%流入建筑物的LPS的接地裝置中，而其余的50%的i0即is進入各種設施(外來電力線、金屬管道等)間分配。

雷電流經過SPD1后，會有50% ～30%的殘余施加于SPD2上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于SPD2上，則SPD2的標稱通流量為：

I2=I1×50%

同樣，雷電流經過SPD2后，會有50% ～30%的殘余施加于SPD3上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于SPD3上，則SPD3的標稱通流量為：

I3=I2×50%

根據以上計算，成都市某二類防雷建筑物，實測雷電流累積概率為99%的雷電流幅值為178.9 kA，即雷電流幅值＞178.9 kA的地閃概率為1%。試按照GB50057-2010附錄F中規定的雷電流參量和四川省雷電監測系統實測的雷電流幅值分別計算和確定該建筑物SPD通流容量(表2)。

表2 建筑物SPD流通容量統計表(單位：KA)

表2分別采用實測值和規范的推薦值進行了比較計算，可以看出，若采用推薦值75kA或者150 kA計算，該建筑物需要安裝的SPD通流容量均偏小，實際應用中不能達到雷電防御的要求，應加強該區域的建筑物防雷措施。

5 雷暴日統計在雷擊風險評估中的應用

雷暴日數反映了某一地區雷電活動的頻繁程度，利用傳統觀測方法得到的雷暴日統計，既包括云地閃信息，也包括云內閃和云際閃信息，并不能準確表征地面落雷的頻繁程度，因此，在進行建筑物所在地域雷暴日的統計時，應以在建筑物所在區域測得的地閃雷暴日為準。

根據四川省雷電監測網提供的成都市2005—2011年雷暴日資料，可以得出下列雷電活動特征。從圖5可知，雷暴主要發生在5-9月，11、12、1月基本沒有雷暴發生。表3列出按氣象常規四季劃分法得出各季雷暴日數占全年雷暴日數的百分比。從表3可看出，春夏季是成都雷暴日高發季節，占全年的84.63%，冬季最少，僅占全年的1.74%。

表3 成都市各季節雷暴日數占全年比率(2005-2011)

圖5 2005—2011年雷暴日累月平均數

圖6 成都市某建筑工程所在區域(3 km)地閃季節變化曲線

以下雷電資料取自四川省雷電監測網，以在成都市某建筑物中心位置附近現場測量的地理參數為基準點，以3 km為半徑提取7 a(2005—2011)地閃資料，進行統計分析得出如下結論，作為雷電風險評估的基礎參數之一。

從圖6上可知，5、8月為雷電高發期，則成都市在建工程項目各類機房內靈敏設備安裝、調試，應盡可能避開這4個月份，特別是7、8月份，最好安排在11-12月或1-2月。

從圖7可知，成都市某建筑工程項目所處地區雷電活動主要集中在14時-次日凌晨02時，95%的地閃都發生在這個時段，凌晨03時-13時地閃相對較少，約5%的地閃發生在這個時段。塔吊等可用作接閃器的施工機械安裝和拆卸作業應安排在每日13時以前，14-20時段不宜進行此類作業。

圖7成都市某建筑工程項目地區(3 km)地閃日變化曲線

綜上所述，通過合理安排工期，尤其是高空作業和弱電系統設備的安裝、調試應避開雷暴高發期和時段，至少可將潛在雷擊危險顯著降低到1%以下。

6 小結

①雷擊風險評估是防雷工程設計工作之前最重要的環節，必須同防雷工程設計一樣，作為業務工作來實行，這樣才能使防雷工程建設立于科學基礎之上，真正做到安全可靠、技術先進和經濟合理。

②將雷電監測資料應用到雷擊風險評估中的地閃密度值、雷電流幅值以及雷暴日的計算和統計中，可以使得評估結果更具客觀性和科學性，從而使防雷事業健康快速地發展，以防止或減少雷電災害給經濟建設、人民生命財產帶來的重大損失。

［1］ GB50057-2010，建筑物防雷設計規范［S］.

［2］ 易高流.雷電監測資料在雷擊風險評估中的應用［J］.江西氣象科技，2004，27(4)：45-47.

［3］ 問楠臻，高文俊.基于IEC62305雷擊風險評估計算方法［J］. 建筑電氣，2008，27(7)：34-37.

［4］ 張小青.建筑物內電子設備的防雷保護［M］.北京：電子工業出版社，2000.

P49

B

1003-6598(2012)04-0051-04

2012-06-30

李一丁(1983-)，男，工程師，主要從事雷電監測防護工作。