精細化雷擊風險評估方法的研究

柴 健， 王學良

(湖北省防雷中心， 湖北 武漢 430074)

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精細化雷擊風險評估方法的研究

柴 健， 王學良

(湖北省防雷中心， 湖北 武漢 430074)

在國家現有的雷擊風險評估標準GB/T21714-2008的基礎上，運用統計分析、原理計算、軟件仿真等方法提出多個風險因子的評估方法：提出了雷電流幅值的累積概率分布經驗公式，并推算出建構筑物未來70～100年使用年限內可能遭遇不同等級雷電流的雷擊次數。根據某地區的閃電監測資料，統計推算出一、二、三類防雷建筑物可能發生的繞擊率和反擊率；根據不同土壤特征以及人體重量，提出作用于人體的跨步電壓計算及安全性分析；運用電路的方法以及有限元差分法，計算出雷擊建筑物時的雷電流分布以及內部磁場強度分布，為敏感電子設備的安全防護措施提供了理論基礎。

雷擊風險評估； 雷電流累積概率； 繞擊率； 反擊率； 跨步電壓； 雷電流分布； 磁場強度分布

0 引 言

雷電災害是一種爆發性的自然災害，其危害隨著社會信息化和電子化的發展變得更加明顯而廣泛。雷電災害長期不斷地威脅人身安全和財產安全并危害公共服務和文化遺產[1]。災害是一種風險，防治災害就是管理和降低或者消除風險。為此，需要正確認識和評估風險，對于雷電災害來講，就是開展雷擊風險評估，進而實施合理的雷電防護。科學合理的雷擊風險評估能有效降低雷電災害發生的頻率，能適應于各種場合，從而能更好地指導防雷設計和施工，以最小的投入達到最好防雷保護。我國現行的雷擊風險評估標準中，對雷擊風險因子的評估手段較為單一，計算方法較為籠統，不具針對性。

著名的防雷專家Peter Hasse[2]在DIN VDE 0815中提出了不同的接閃模型下，LPS的保護規格以及LEMP的保護方式，提出了建筑物的保護等級與保護效率之間的關系。Bouquegneau[3]總結了目前主要風險評估方法的優缺點，提出了雷擊風險評估應該如何因地制宜。在國內，雷電災害風險評估的成果主要來自雷擊風險評估和QX3-2000等標準。我國的GB/T21714-2008等同采用IEC62305:2006, 作為現行的建筑物雷電風險評估的標準。QX3-2000是氣象信息系統雷擊電磁脈沖防護規范，其適用范圍是雷擊電磁脈沖(LEMP)對氣象信息系統造成損失的風險評估。此外，楊仲江副教授[4]通過對參數和公式的修改，將只適用于建筑物雷電風險評估的IEC62305很好地運用到露天變電站、熱電站、油田等情況復雜的場所，并得到了一系列實踐性很強的特定場所風險評估方法。鐘萬強[5]根據風險程度的不同以及雷電災害統計的區域性，在風險評估計算中引入風險權重因子ω、地區因子Kp和行業因子Kv。王學良等先后統計分析了武漢地區云地閃電時空分布特征，并根據該特征和經驗公式提出了針對湖北地區的雷電流幅值概率分布以及根據閃電監測資料推算出的項目區域的繞擊率和反擊率。

本文在國內外學者的研究基礎上，運用統計分析、原理計算、軟件仿真等方法，提出一種精細化雷擊風險評估方法，重點解決風險值概率的計算方法，為開展雷擊風險評估工作提供了可靠的理論依據。

1 雷電流幅值累積概率、繞擊率和反擊率風險

雷電流幅值的累積概率分布一直是國內外防雷界非常重視的雷電參數之一，在繞擊和反擊防雷計算中占據十分重要的位置。我國現行的雷擊風險評估標準GB/T21714-2008中沒有給出雷電流幅值的累積概率分布公式，這對于地區內的繞擊率和反擊率存在很大的誤差。由于各個地區的雷電流幅值概率分布不同，因此有必要總結出針對某個地區的雷電流幅值的累積概率分布公式，便于精確計算地區內發生繞擊和反擊的概率，得出相應的風險概率值。

1.1 雷電流幅值的累積概率

根據某地區近3年的閃電監測資料，繪制出大于某一雷電流幅值的累積概率(見圖1)。

文獻[6-7]給出的Anderson根據Berger實測數據提出的雷電流幅值分布公式：

式中:P為大于某一雷電流幅值的累積概率(%)；I為雷電幅值電流(kA)；a為中值電流，即雷電流幅值大于a的概率為50%；b(b>1)為雷電流幅值累積概率曲線擬合指數，體現曲線變化程度，相當于曲線斜率的絕對值，b值越大表示幅值概率曲線下降程度越快，電流幅值集中性越強。經統計分析，當a=29.2，b=3.4時，根據雷電流幅值分布公式計算，繪制圖1中的“擬合曲線”；從圖1可以看出，擬合曲線與實際監測曲線基本相同，實測值與計算值相關系數高達0.999 98。因此，在實際防雷工程設計中，可根據方程：

求出某地區大于某雷電流幅值的累積概率。

圖1 雷電流幅值的累積概率

根據某地區閃電監測數據，建構筑物未來70～100年內可能遭遇不同等級雷電流的雷擊次數可按照以下方法計算：

雷擊次數=雷擊密度(次/km2·a)×(70～100)(年)×面積(km2)×雷電流累積率

該公式計算得出的結果反映某一建構筑物在其使用年限內遭受不同等級雷電流的雷擊次數，有效反映了該建構筑物遭受雷擊的風險概率。

1.2 繞擊率和反擊率計算

根據《建筑物防雷設計規范》[8]中的有關規定和提供的電氣-幾何模型：

hr=10I0.65

式中,hr為雷閃的最后閃絡距離(擊距)，也可規定為滾球半徑；I是指與hr相對應的得到保護的最小雷電流幅值(kA)，即比該雷電流小的雷電流可能擊到被保護的空間。

根據電氣-幾何模型公式可以計算出第一、第二、第三類防雷建筑物所對應的得到保護的最小雷電流幅值分別是5.4、10.1和15.8 kA。也就是說，當雷電流幅值小于上述幅值時，在接閃器保護范圍內被保護物體，有可能遭受直擊雷的危害。統計某地區閃電資料顯示，雷電流幅值小于5.4、10.1和15.8 kA的概率分別是1.3%、3.3%和11.5%。由表1可知，某地區建筑物直擊雷保護范圍按照一、二、三類防雷類別設計時，可能會有1.3%、3.3%和11.5%的繞擊率發生。對于特別重要的場所，如需提高直擊雷防護效率，在直擊雷防護保護范圍計算時，可以根據需要減小滾球半徑hr值，以進一步減小繞擊率。

表1 不同防雷范圍內的繞擊率與反擊率

根據《建筑物防雷設計規范》中的有關規定，安全距離按電阻電壓降和電感電壓降相應求出的距離相加而得。地上部分的安全距離為：

式中：Sa為地上部分安全距離(m)；I為雷電流幅值(kA)；Ri為接地裝置的沖擊接地電阻(Ω)；ER為電阻電壓降的空氣擊穿強度(kV/m)，取值為500 kV/m；L0為為引下線或接閃桿的單位長度電感(μH/m)；取值為1.5 μH/m；hx為被保護物或計算點的高度(m)；di/dt為雷電流陡度(kA/μs)；EL為電感電壓降的空氣擊穿強度(kV/m)，其值為EL=600(1+1/T)(kV/m)，T1為雷電流波形波頭時間(μs)。

根據地上部分的安全距離公式，就可推導出不同防雷類別建筑物的地上和地下的安全距離Sa和Se1(其中Se1=IRi/ER)，但是如果雷電流幅值大于200、150和100 kA時，首次雷擊電流幅值所對應的防雷類別的地上和地下的安全距離要求將會發生變化，此時按照《建筑物防雷設計規范》進行安全距離設計，將有不同程度的反擊風險發生。從表1可見，當雷電流幅值大于200、150和100 kA時，某地區第一、第二、第三類防雷建筑物反擊率分別在0.1%、0.2%、1.6%。

2 跨步電壓計算及安全性風險

我國現行雷擊風險評估標準中只提及了跨步電壓的基本概念，而未對其計算公式進行研究，作用于人體的安全值也無從考證。根據IEEE Std80-2000中提出由IEEE公式外推決定的體重為50 kg和70 kg人體允許雷電流為18.34 A和24.82 A。

根據文獻[9]，對跨步電壓的計算公式進行簡化，采用簡化計算法和Thapar計算法兩種方法計算。

2.1 最大跨步電壓計算公式(簡化計算法)

Ek=(1.5-α)×

以上為方形地網計算公式，若為矩形地網或其它不規則地網，則n值取：

式中：L為地網接地總長度(m)；Lj為地網周邊總長度(m)；

2.2 Thapar公式計算不規則地網的跨步電壓

Ki=0.644+0.148n

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；I為流過接地極的最大電流，A；h為接地體埋深，m；D為平行導體間距，m；n為接地網單方向平行導體數；L為接地電網總長，m。

對于不規則地網：

式中：Lj為接地網周長，m；S為接地網面積，m2；Lx為接地網沿x方向的最大長度m；Ly為接地網沿y方向的最大長度m；Dm為接地網最大對角線長度，m。

2.3 作用于人體的跨步電壓計算

分別考慮建筑物周圍為土壤、混凝土、潮濕的混凝土、碩石或瀝青混凝土、積水，人體重量在50、70 kg情況下，人體所能承受的最大跨步電壓值。以此來作為人體遭受跨步電壓的危險性分析。

(1) 建筑物周圍為土壤時，

式中：Rb為人體電阻，取Rb=1.0 kΩ和1.5 kΩ兩種；ρ為土壤電阻率。

(2) 建筑物周圍敷設混凝土時，

式中：ρS為上層混凝土電阻率，干燥時，取ρS=2.0 kΩ·m；

ρ為下層土壤電阻率Ω·m；D為混凝土厚度。

(3) 建筑物周圍敷設混凝土，但混凝土濕潤潮濕時，ρS=100 Ω·m(或50～200 Ω·m)。

(4) 建筑物周圍敷設碩石或瀝青混凝土時，ρS=5.0 Ω·m。

(5) 建筑物周圍積水時，Uk=Ek。

當人體重量分別為50、70 kg時，人體的安全電流為：

人體承受的最大跨步電壓為

在進行工頻電壓安全設計計算時，人體電阻一般取1.0～1.5 Ω，在雷電流沖擊下，人體電阻在不同幅值和頻率時，呈現不同的值，根據“頻率增加電阻阻抗減少，電流增加及膚阻抗下降”的研究試驗，美國IEEE觀點，雷電流沖擊情況下，人體沖擊電阻在300～500 Ω范圍。

3 敏感電子設備受電磁干擾風險

3.1 雷電流分布計算

現代建筑物的防雷設計，多利用建筑體內結構鋼筋的相互聯接形成暗裝的籠式接閃網，以此作為雷電流的接閃、分流和接地系統。當建筑物遭受直接雷擊時，強大的雷電流將沿此系統中各個分支導體泄流入地，并且在建筑物內產生強烈的電磁現象，這對于信號水平較低的電子系統的正常工作及室內人員的安全構成直接的影響。因此，金屬構架中雷電流分布的數值分析具有十分重要的現實意義。雷電流分布特性的研究可以為敏感電子設備遭受雷擊的風險計算提供有效的理論依據。

傳統計算雷電流分布的方法是將保護系統按一定的原則進行分段，每段導體以耦合π型電路來等效[10-17]，將整個防直擊雷系統轉化為僅含RLC的等效網絡，然后利用EMTP程序求解。由于該方法中對EMTP程序的使用較為繁瑣，輸入格式比較復雜，對于大型的電路更容易出錯。因此本文中運用電路的基本定律，采用將雷電流在不同頻率下的頻域解轉換為時域解的計算方法，自行編制了相應的電磁暫態計算程序并形成雷電流分布計算軟件。該軟件在Solidworks三維機械繪圖軟件的基礎平臺上加入了雷擊分流模塊，能夠快速完成建筑物三維模型的建立，同時輸入雷電流參數及雷擊點位置就能準確的計算出每一段導體的雷電流分布特性。圖2為一簡單框架結構的模型圖，表2為各分支導體上的雷電流分布情況。

如圖2所示，該框架結構每根鋼筋直徑為8 mm，框架結構的長、寬、高均為2 m，兩層結構。注入的雷電流幅值為10 kA，波形為10/350 μs，邊角注入。如表2所示，運用軟件得出的計算結果與用傳統的計算方法EMTP程序得出的結果非常接近，驗證了該軟件的可行性。

圖2 簡單框架結構模型

分支編號12345678計算值/%24.2820.4624.2831.020.6515.3820.6543.33EMTP計算值/%23.421.223.432.021.216.321.243.3

3.2 內部磁場強度分布計算

在計算出雷擊建筑物時各段導體中的雷電流分布特性的基礎上，進一步研究建筑物內部磁場強度分布特性，為敏感電子設備的屏蔽防護措施提出指導性的意見。利用加拿大三維電磁暫態仿真計算軟件(簡稱IES)，導入并處理建筑物三維模型后，將計算得出的雷電流分布值附入各段導體后，設置雷電流參數值，最終計算得出空間磁場強度分布特征。該軟件采用有限差分方法求出空間任一點磁場強度的數值解。圖3為導入并處理后的建筑物三維模型圖。設置雷電流波形為10/350 μs，幅值為150 kA，雷擊樓頂一拐角處。

圖3 建筑物三維模型

如圖4所示，仿真計算結果為第一層1 m高處的磁場強度分布情況。明顯得出雷擊點正下方的磁場強度最大，且分布極不均勻，而中間以及對角線附近的磁場強度分布較均勻。圖5為利用Matlab進行差值處理后的效果圖。根據每層磁場強度的分布特性，可以為敏感電子設備的抗干擾防護措施提供了依據。

4 結 語

本文簡述了雷擊風險評估的幾大研究進展，著重從雷電流幅值的累積概率、繞擊率、反擊率、跨步電壓計算及安全性分析、雷擊建筑物時雷電流及內部磁場分布這幾大方面著手，深入研究并總結歸納出相對應的影響因子評估方法。參考國內外學術文獻，融入新元素后，形成一套較完善的雷擊風險評估體系。為開展雷擊風險評估工作以及防雷工程設計、施工提供了理論依據。

圖4 第1層1 m高處的磁場強度分布

圖5 差值處理后的效果圖

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A Study on the Refinement Method for the Assessment of Lightning Hazards

CHAIJian，WANGXue-liang

(Hubei Lightning Protection Center, Wuhan 430074, China)

A method of multiple risk factors is proposed by using statistical analysis in this paper. Calculation principle and software simulation method are given based on the standard GB/T21714-2008 which is current state standard for lightning risk assessment. Firstly, the cumulative probability distribution of lightning current magnitude formula is proposed, and calculated different levels of lightning current for the buildings which may encounter in the period of next 70-100 years using lightning frequency. Secondly, the shielding failure rate and the counterattack rate may occur simultaneously, the two and the three of lightning protection buildings are presented based on the lightning monitoring data in a certain region. Thirdly, according to the different characteristics of soil and the body weight, the analysis of step voltage calculation and safety are put forward in human body. Finally, it can calculate the lightning current distribution and the internal magnetic field intensity distribution by the circuit method and finite element difference method when a building is stroked by a lightning, it provides the theoretical basis for the measures of safety protection of sensitive electronic equipment. From the above research, it improves the accuracy and integrity of the lightning risk assessment, and has certain guidance to the development of lightning risk assessment.

assessment of lightning hazards; cumulative probability; shielding failure rate; counterattack rate; step voltage; lightning current distribution; magnetic field intensity distribution

2014-04-10

柴 健(1986-)，男，江蘇南通人，碩士，助理工程師，研究方向：雷電防護技術。Tel.：15071195825；E-mail：haimencj@126.com

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1006-7167(2015)01-0284-05