雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用分析

牛　萍　田德寶　蔣煥宇　屠周益

（嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314050）

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雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用分析

牛萍田德寶蔣煥宇屠周益

（嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314050）

摘要雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)防雷為目的，運(yùn)用科學(xué)的原理和方法，對(duì)系統(tǒng)可能遭受雷擊的概率及雷擊產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析計(jì)算，提出相應(yīng)防護(hù)措施的評(píng)估過程。文章以教學(xué)樓雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為實(shí)例，分析了雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用。結(jié)果表明，雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是確定雷電防護(hù)水平非常重要的環(huán)節(jié)，使電涌保護(hù)器（SPD）的選擇更加科學(xué)合理，評(píng)估結(jié)論的合理利用可以使防雷設(shè)計(jì)建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上，避免盲目性，保證防雷工程安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞：雷電災(zāi)害；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；防雷設(shè)計(jì)；電涌保護(hù)器

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)速度的迅速發(fā)展，各種電子設(shè)備和大規(guī)模集成電路被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，由于其抗干擾能力弱，雷擊電磁脈沖易引發(fā)系統(tǒng)損壞或錯(cuò)誤運(yùn)行，造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。隨著大型建設(shè)工程、重點(diǎn)工程、爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境、人員密集場(chǎng)所、電力供電設(shè)施等的迅速增加使雷電災(zāi)害造成的損失也呈現(xiàn)出愈來愈嚴(yán)重的趨勢(shì)，面對(duì)日益嚴(yán)重的雷電災(zāi)害，科學(xué)合理的雷電防護(hù)措施就顯的尤為重要。

災(zāi)害是一種風(fēng)險(xiǎn)，防治災(zāi)害就是管理并降低或者消除風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，要正確的認(rèn)識(shí)和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是防止和減少雷電災(zāi)害損失的重要手段，也是進(jìn)行科學(xué)合理雷電防護(hù)的必要前提[2]。近年來，很多學(xué)者對(duì)諸如加油站[3]、山地旅游景區(qū)[4]等各個(gè)領(lǐng)域不同使用性質(zhì)的防護(hù)對(duì)象就雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了大量的研究，為防雷減災(zāi)工作提供了一定的借鑒。

1　雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估概述

通過研究雷電災(zāi)害機(jī)制表明，雷電流是造成損害的根本原因。根據(jù)雷擊點(diǎn)的位置不同（S1—S4），雷電流造成的基本損害類型也不同，不同類型的損害，都會(huì)使被保護(hù)對(duì)象產(chǎn)生不同的損失后果。根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的重要性、使用性質(zhì)及其內(nèi)存物品等特性，雷擊可能出現(xiàn)的損失類型有人身傷亡損失（L1）、公眾服務(wù)損失（L2）、文化遺產(chǎn)損失（L3）、經(jīng)濟(jì)損失（L4），對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)有人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)（R1）、公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)（R2）、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)（R3）、經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)（R4）。不同損害類型產(chǎn)生的損失和風(fēng)險(xiǎn)如圖1所示。

圖1　不同損害類型產(chǎn)生的損失和風(fēng)險(xiǎn)

不同的風(fēng)險(xiǎn)值R，都是由不同的風(fēng)險(xiǎn)分量RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ組成，各風(fēng)險(xiǎn)分量用一般式表示為

式中，NX雷擊次數(shù)；PX損害概率；LX損失量。

2　雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用

GB 50057—2010[6]第1.0.1條指出：“為使建（構(gòu)）筑物防雷設(shè)計(jì)因地制宜地采取防雷措施，防止或減少雷擊建（構(gòu)）筑物所發(fā)生的人身傷亡和文物、財(cái)產(chǎn)損失，以及雷擊電磁脈沖所引發(fā)的電氣和電子系統(tǒng)損壞或錯(cuò)誤運(yùn)行，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，制定本規(guī)范”。如何實(shí)現(xiàn)安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)間的權(quán)衡，進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則是最有效的解決手段。下面以某擬建教學(xué)樓為例，通過對(duì)其進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，來確定教學(xué)樓的雷電防護(hù)等級(jí)和SPD參數(shù)的選擇，闡述雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用。

2.1雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例

該擬建教學(xué)樓位于嘉興市城郊結(jié)合處，項(xiàng)目所在地地勢(shì)平坦、土壤濕潤、土質(zhì)良好。根據(jù)嘉興市近年來雷暴日及閃電觀測(cè)資料顯示，3—9月份是全年雷電主要發(fā)生期，7—8月份是雷電高發(fā)期，也是雷電災(zāi)害發(fā)生的主要集中期。

教學(xué)樓所處地域較為空曠，周圍無其他較高建筑，且校區(qū)周邊有輸電桿塔及架空線路，這些都增加了教學(xué)樓遭受雷擊的概率，加之教學(xué)樓為人員密集場(chǎng)所，因此在防雷設(shè)計(jì)前對(duì)其進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是非常有必要的。

1）教學(xué)樓雷擊損害成因分析

雷電流造成教學(xué)樓損害的成因有：

（1）直接雷擊教學(xué)樓時(shí)，在距離教學(xué)樓3m范圍內(nèi)，因接觸和跨步電壓可能造成人員傷害。

（2）直接雷擊教學(xué)樓時(shí)，教學(xué)樓內(nèi)因危險(xiǎn)火花放電觸發(fā)火災(zāi)引起物理損害。

（3）雷擊入戶線路時(shí)，雷電流沿入戶線路侵入教學(xué)樓內(nèi)因接觸電壓造成人員傷害。

（4）雷擊入戶線路時(shí)，因雷電流沿入戶線路侵入教學(xué)樓，在入口處入戶設(shè)施與其他金屬部件產(chǎn)生危險(xiǎn)火花放電而引發(fā)火災(zāi)造成物理損害。

因此，教學(xué)樓存在的雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)有人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)（R1）和經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)（R4），不存在公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)（R2）及文物損失風(fēng)險(xiǎn)（R3）。下面主要針對(duì)人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1進(jìn)行計(jì)算。

2）教學(xué)樓雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

（1）教學(xué)樓數(shù)據(jù)及特性

根據(jù)初步設(shè)計(jì)，該教學(xué)樓未采取任何防雷保護(hù)措施，故PB=0.1，項(xiàng)目所在地區(qū)年平均雷暴日為Td=40，其余參數(shù)詳見表1。

表1　教學(xué)樓特性

（2）線路及其相連內(nèi)部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和特性

該教學(xué)樓電源線路由校區(qū)配電房引出，線路穿鋼管埋地敷設(shè)，但兩端未進(jìn)行接地處理；校園廣播線路從已建教學(xué)樓引出，線路敷設(shè)方式與電源線路相同；教學(xué)樓通信采用光纖引入，在光纖轉(zhuǎn)換器前端將金屬加強(qiáng)筋和鎧裝層做可靠接地時(shí)，雷電流對(duì)其造成的損失率可忽略不計(jì)。線路及其相連內(nèi)部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和特性見表2。

表2　線路及其相連內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)及特性

（3）區(qū)域劃分及其特性

考慮到教學(xué)樓入口和教學(xué)樓內(nèi)部地表類型不同、教師辦公區(qū)內(nèi)的損失率LX比教學(xué)區(qū)的損失率小等因素，將教學(xué)樓劃分為以下主要區(qū)域：Z1（入口處）；Z2（教學(xué)區(qū)）；Z3（辦公區(qū)），各區(qū)特性見表3。

表3　Z1—Z3區(qū)特性

（4）教學(xué)樓雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算

根據(jù)以上評(píng)估參數(shù)，計(jì)算教學(xué)樓及其引入線路的截收閃電面積（見表4）、預(yù)計(jì)年危險(xiǎn)事件次數(shù)（見表5）、各區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分量值（見表6）。

教學(xué)樓人身傷亡損失總風(fēng)險(xiǎn)為R1=7.0548×10?5高于風(fēng)險(xiǎn)容許值RT=10?5，故需采取防護(hù)措施，使人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1控制在風(fēng)險(xiǎn)容許值RT以下。

3）教學(xué)樓雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論

教學(xué)樓人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1高于風(fēng)險(xiǎn)容許值RT，需對(duì)建筑物采取雷電防護(hù)措施。根據(jù)表6，風(fēng)險(xiǎn)主要集中在Z2區(qū)的RB分量、RV(R)分量上。因此，針對(duì)各主要風(fēng)險(xiǎn)分量，可采取以下任何一種防護(hù)措施：

表4　教學(xué)樓和引入線路的截收面積

表5　教學(xué)樓和線路的年平均雷擊危險(xiǎn)事件次數(shù)

表6　各區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分量值

（1）安裝Ⅳ類LPS，以減少分量RB，在校園廣播入戶線路上安裝防雷級(jí)別為Ⅳ級(jí)SPD，以減小分量RV。在教學(xué)區(qū)域安裝自動(dòng)噴淋、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，以減小該區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)RB和RV。該LPS無格柵形空間屏蔽特性。

（2）安裝Ⅳ類LPS，以減少分量RB，在校園廣播線路和通信線路入戶處安裝防雷級(jí)別為Ⅳ級(jí)SPD，以減小RV。該LPS無格柵形空間屏蔽特性。

（3）安裝Ⅳ類LPS，以減少分量RB，在校園廣播線路和電力線路入戶處安裝防雷級(jí)別為Ⅳ級(jí)SPD，以減小RV。該LPS無格柵形空間屏蔽特性。

通過計(jì)算，上述任何一種或多種聯(lián)合防護(hù)措施均可以將人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1控制在風(fēng)險(xiǎn)容許值RT=10?5以下。因此，在防雷設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件合理性選擇具體的防護(hù)方案。

2.2雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用分析

通過上述教學(xué)樓雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)例分析可知，雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中起到至關(guān)重要的作用，具體表現(xiàn)如下。

1）雷電防護(hù)等級(jí)的確定

（1）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)被保護(hù)物的參數(shù)、選址、總體布局、功能分區(qū)等，結(jié)合當(dāng)?shù)氐睦纂娰Y料、現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，對(duì)雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面進(jìn)行的綜合計(jì)算分析，確定被保護(hù)物的LPS、等電位連接、屏蔽、警示等防護(hù)措施，給施工圖的設(shè)計(jì)者提供科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、安全的雷電防護(hù)建議。如上述教學(xué)樓評(píng)估結(jié)論中安裝Ⅳ類LPS，LPS具體措施又包括接閃器、引下線、接地裝置等，其詳細(xì)技術(shù)要求按GB 50057—2010規(guī)定實(shí)施。即雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是確定建筑物是否需要采取防護(hù)措施，以及采取何種等級(jí)的防護(hù)措施，是科學(xué)防雷的必要前提。

（2）通過雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以識(shí)別各區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)對(duì)象和風(fēng)險(xiǎn)主體，明確被保護(hù)對(duì)象所面臨的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)及其特征，為防雷工程的設(shè)計(jì)提供更加全面、更具有針對(duì)性的綜合防護(hù)指導(dǎo)意見，避免防雷工程設(shè)計(jì)的盲目性。如教學(xué)樓人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)主要集中在Z2區(qū)的RB和RV分量上，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)載體主要體現(xiàn)在LPS和SPD上，因此可以針對(duì)這兩方面采取有效的防護(hù)措施，以降低人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)，避免在其他方面投入無謂的耗材。

（3）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在確保安全可靠的基礎(chǔ)上，通過科學(xué)分析計(jì)算，有針對(duì)性的提出多種防護(hù)方案，設(shè)計(jì)者或業(yè)主可結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件選擇最佳的防護(hù)方案。

2）電涌保護(hù)器（SPD）參數(shù)的選擇

IEC 62305規(guī)定選擇SPD時(shí)要考慮電壓保護(hù)水平、安裝位置和放電電流，而安裝位置和放電電流由損害源、雷電防護(hù)水平等因素確定。首先對(duì)建筑物進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析建筑物是否采取外部防雷裝置、屏蔽、等電位連接等措施，計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)分量在風(fēng)險(xiǎn)總量中所占比例，確定建筑物雷電防護(hù)水平，分析可能造成損失的主要損害源（雷擊建筑物S1、雷擊建筑物附近S2、雷擊線路S3、雷擊線路附近S4）。不同損害源和雷電防護(hù)水平所對(duì)應(yīng)的雷擊過電流浪涌預(yù)期值不同[7]，依據(jù)建筑物雷電防護(hù)水平和損害源等評(píng)估結(jié)果，分析雷擊過電流浪涌的預(yù)期值，確定需安裝SPD放電電流，詳細(xì)值見表7。

表7　雷擊過電流浪涌的預(yù)期值（以低壓系統(tǒng)為例）

由此可以看出：

（1）通過雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估判斷雷電流的主要損害源，進(jìn)而分析不同損害源及雷電防護(hù)水平下雷擊過電流的預(yù)期值，由此確定SPD的放電電流，使SPD的參數(shù)選擇更加全面客觀。

（2）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估充分考慮了受保護(hù)對(duì)象的外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置等因素對(duì)降低雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)值的作用，通過分析防護(hù)措施對(duì)雷電流的分流及泄放作用，進(jìn)而確定SPD的放電電流，使SPD的選擇更加科學(xué)合理。

3　結(jié)論

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域的雷電活動(dòng)資料、地理環(huán)境、土壤性質(zhì)等因素，結(jié)合建設(shè)項(xiàng)目的重要性、使用性質(zhì)、建筑結(jié)構(gòu)、功能分區(qū)等，對(duì)雷電可能導(dǎo)致的人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與范圍等方面進(jìn)行的綜合分析計(jì)算，為評(píng)估對(duì)象提供科學(xué)的雷電防護(hù)措施意見，以實(shí)現(xiàn)防雷工程安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是開展綜合防雷的重要程序，也是實(shí)現(xiàn)科學(xué)防雷的必要條件，體現(xiàn)了預(yù)防為主，防治結(jié)合的防雷理念。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在防雷設(shè)計(jì)中的作用可簡(jiǎn)單歸納為以下幾點(diǎn)：

1）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是保證防雷設(shè)計(jì)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的重要環(huán)節(jié)。

2）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是系統(tǒng)性防雷和區(qū)域性防雷的技術(shù)支撐，是準(zhǔn)確定位雷電防護(hù)等級(jí)及合理設(shè)計(jì)防雷工程技術(shù)方案的必要前提。

3）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是有針對(duì)性的采取最有效的或者最好的風(fēng)險(xiǎn)處理措施，即雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是選擇最恰當(dāng)防護(hù)措施的準(zhǔn)則，對(duì)防雷減災(zāi)工作具有重要指導(dǎo)意義。

4）雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估使綜合防雷中具體防護(hù)措施（如SPD相關(guān)參數(shù)）選擇更加科學(xué)合理。

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牛萍（1963-），女，工程師，主要從事防雷技術(shù)服務(wù)及管理工作。

Analysis on Effects of Lightning Risk Assessment in Lightning Protection Design

Niu PingTian DebaoJiang HuanyuTu Zhouyi
(Jiaxing Meteorological Bureau, Jiaxing, Zhejiang314050)

Abstract To realize system lightning protection, lightning risk assessment mainly investigates the possibility of lightning, analyzes consequent severity with scientific principles and methods, and puts forward corresponding protective measures. A case study on teaching building lightning risk assessment was conducted in this paper, and the contribution of lightning risk assessment to lightning protection design was also discussed. The results suggest that lightning risk assessment is of great significance to determine the lightning protection level, and leads to more scientific selection of surge protection device. appropriate use of assessment conclusion can improve the scientificalness of lightning protection design, and prevent unclear design, and also enable lightning protection engineering to proceed with advanced technology in a safe, reliable, economic and appropriate manner.

Keywords：lightning disaster; risk assessment; lightning protection design; surge protective device

作者簡(jiǎn)介