基于雷電流幅值分布的雷擊建筑物物理損害概率計算方法

陶世銀++蔡忠周

摘要 應用《雷電防護 第2部分：風險管理》（GB/T 21714.2）（以下均稱規范）進行雷電災害風險評估時，對雷擊建筑物導致物理損害概率因子Pb的取值往往選擇規范中給出的典型值，在實際應用中是不合理的。但在具體的雷電災害風險評估時，各項目因其所在地域、地理環境、氣象條件、雷電活動規律等不同而選取不同的Pb值。利用青海省地閃監測網監測的2008—2015年閃電監測數據，通過對不同幅值的雷電流幅值進行頻次和累積概率的統計，運用最小二乘法對雷電流累積概率進行擬合，并利用SPSS軟件對擬合相關性進行了檢驗。發現不同地區、不同類別的防雷措施均具有不同的Pb取值。因此，在雷電災害風險評估時，通過對地閃監測數據統計、擬合、計算和選取Pb值，更能體現出被評估對象所在地的雷電活動規律，從而使雷電災害風險評估更加科學化、精細化。

關鍵詞 地閃監測；雷電流幅值累積概率；雷擊建筑物；物理損害概率；計算方法

中圖分類號 TU895 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）02-0223-02

雷電災害風險評估是自然災害風險評估的重要組成部分，在現代社會安全領域得到了越來越多的關注。近年來，青海省雷電災害風險評估工作也已逐步規范，在應用《雷電防護 第2部分：風險管理》（GB/T 21714.2—2015/IEC 62305-2：2008）（以下簡稱評估規范）規范提供的評估方法進行雷電災害風險評估時，雷擊建筑物導致物理損害的概率因子（以下簡稱Pb）是一個重要參數，Pb因子的選取直接影響著人身傷亡損失風險（R1）、物理損失風險（R2）和服務設施損失風險（R3）的計算結果[1]，從而對評估項目的最終雷電風災害險總量和評估結論有著決定性作用。

同時，評估規范中指出，雷電損害概率既取決于所采取的保護措施的類型和效能，還取決于建筑物、服務設施以及雷電流的特性[1]。因此，通過對青海省閃電監測網監測數據進行統計、擬合等，計算出針對雷電災害風險評估的Pb因子取值方法是進行精細化雷電災害風險評估的重要前提。

1 存在的問題

應用評估規范中給出的典型Pb值進行雷電災害風險評估時，存在以下2個問題：一是規范中給出的典型值是在全球范圍內閃電觀測（監測）的基礎數據上統計得出的，而特定地區（地域）的閃電觀測（監測）數據與其基礎閃電觀測（監測）數據對存在一定的差異，具體體現為閃電分布特征、閃電活動規律等方面的差異；二是規范中給出的典型值是針對IEC中Ⅰ～Ⅳ類LPS（外部防雷裝置）給出的，IEC中Ⅰ～Ⅳ類LPS采取的措施與我國現行國家防雷技術標準（GB 50057—2010）中規定的建筑物防雷類別分類及其外部防雷措施存在一定的差異。

2 綜合損壞概率計算方法

根據《建筑物防雷設計規范》，對于時間周期t=1年，在NPt<<1的條件下（所有真實情況都滿足這一條件，其中N為建筑物年預計雷擊次數），基于防雷裝置或建筑物遭受一次雷擊發生損壞的綜合概率（P），可用式（1）表示[2]：

P=Pi×Pid+Pf×Pfd（1）

式（1）中，Pi為防雷裝置截收雷擊的概率，也表示為Ei；Pf為防雷裝置截收雷擊失敗的概率，其值等于1-Pi；Pid為防雷裝置截收雷擊后保護失敗而發生損壞的概率；Pfd為防雷裝置沒有截收到雷擊而發生損壞的概率。

《建筑物防雷設計規范》中指出，雷擊建筑物引起損壞的概率與雷電閃擊參量的分布概率有關。同時，在出現雷擊事件的地方出現周圍物體可能被損壞的概率取決于建筑物特點、存放物和用途。

《建筑物防雷設計規范》中對上述情況作了如下假定：①在出現雷擊事件的地方，其周圍物體被損壞的概率對每一類損壞是相同的，用共同概率Pr代替；②沒有被防雷裝置截收到的雷擊所引發的損壞是肯定的，損壞的出現與周圍物體可能被損壞的出現是同時發生的，即Pfd=Pr；③被截收到的雷擊引發損壞的總概率只與防雷裝置的尺寸效率Es有關，并假定其等于1-Es。

將上述假定代入式（1），并引入雷擊后果附加系數Wr后，式（1）或轉化為式（2）：

P=PrWr（1-EiEs）（2）

式（2）中，概率Pr表示建筑物自身保護的程度或雷擊建筑物（防雷裝置）造成的損壞概率，其主要取決于建筑物的特點、用途、存放物或設備。

3 資料來源與計算方法

3.1 數據資料來源

青海省閃電監測網自運行以來，在2008—2013年間，共監測到省內地閃165 503次，各年度監測地閃次數分別為9 656、9 119、29 717、30 925、32 920、53 166次。

3.2 數據處理方法

對青海省閃電監測網監測的2008—2014年的閃電資料分別進行數據修正、雷電流幅值累積概率統計、應用最小二乘法進行參數擬合、顯著性檢驗和Pb值計算。

3.3 Pb因子計算方法

根據《雷電防護：第1部分 總則》（IEC 62305-1）及《建筑物防雷設計規范》，雷擊建筑物導致物理損害的概率因子（Pb）計算式可按式（3）計算：

Pb=PrWr（1-EiEs）（3）

式（3）中，EiEs（η=EiEs）為防雷裝置的效率。

4 雷電流幅值累積概率擬合

我國電力行業規程中雷電流累積頻率公式一直采用的形式為：

lgPI=-I/c（4）

原水利電力部于1979年1月頒發的《電力設備過電壓保護設計技術規程》（SDJ 7—79）給出了雷電流累積頻率分布計算式（3）中c值為108[3]；《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—94）（2000年版）沿用了這一公式。在對SDJ 7—79規范與其他規范合并修訂之后，于1997年10月實施的規程中給出了雷電流累積頻率分布計算式中的c值為88[4]。

美國IEEE Std 1243—1997推薦的雷電流累積頻率分布計算式為[5]：

PI=■（5）

式（5）中，a表示樣本中值電流，即電流幅值>a的概率為50%；b反映了曲線的指數變化程度，當b值增大時，50%概率點左右側曲線陡度絕對值均變大，其中a=31 kA，b=2.6[5]。

根據馮志偉等[5]、陳家宏等[6]的研究發現，美國IEE Std 1243—1997中推薦的雷電流累積頻率分布計算式要優于我國電力行業規程中的計算式。因此，利用青海省2008—2014年監測閃電資料和式（4）進行擬合后，其擬合參數為a=25.350和b=2.838，與IEE Std 1243—1997及IEC 62305-1中給出的值略有差異。

5 雷擊建筑物導致物理損害概率因子選取

根據《雷電防護第2部分：風險管理》（IEC 62305-2）中關于Pb值的計算方法[1]，其在計算Pb值時，將式（3）中PrWr的值取為1，即假定防雷裝置截閃失敗后，遭受雷擊的建筑物均會受到損壞。在實際雷電災害風險評估中，按照保守原則，將PrWr的值取為1是可取的。因此，式（3）或簡化為以下形式：

Pb=1-EiEs（6）

給出的各類LPS接閃最小雷電流、最大雷電流和Pb計算方法，將擬合出的參數（a=25.350，b=2.838）代入式（5），并將第Ⅰ～Ⅲ類防雷措施對應的接閃最小雷電流及最大雷電流分別代入式（5）后，分別求得各類防雷措施對應的Ei和Es各參數見表1。

通過擬合計算發現，擬合出的Pb值與《雷電防護 第2部分：風險管理》（IEC 62305-2）給出的典型Pb值差別明顯。

《雷電防護 第2部分：風險管理》（IEC 62305-2）中對于安裝有Ⅰ類LPS，并采用連續的金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物，其Pb值為0.01，為僅安裝有Ⅰ類LPS建筑物Pb值的1/2。因此，對于分別安裝了第Ⅰ～Ⅲ類LPS，并采用連續的金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物的Pb可取以下數值（表2）。

對于以金屬屋面作為接閃器或安裝有接閃器，使所有屋面裝置得到完全的直擊雷防護，連續金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物，其Pb值可取安裝有Ⅰ類LPS，并采用連續的金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物Pb值的1/2，即0.003 5。

6 結語

通過對青海省閃電監測網監測的雷電流數據的統計、擬合和計算，對GB 50057—2010給出的各類防雷裝置對應的接閃效率、接閃失效概率進行了計算，發現擬合值與IEC 62305-2中給出的Pb典型值差別明顯。因此，在實際雷電災害風險評估工作中，應注意以下幾點：

（1）應用《雷電防護 第2部分：風險管理》（GB/T 21714.2—2015）規定的方法進行雷電災害風險評估時，對Pb的取值應根據項目所在地雷電活動情況選取，以體現出被評估項目所在地的雷電活動規律。

（2）利用《雷電防護 第2部分：風險管理》（GB/T 21714.2—2015）對根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）等國家有關規范要求設計（設置）防雷裝置的建筑（構）物進行雷電災害風險評估時，須對各防雷等級的Pb值進行擬合計算。

（3）對國家級、省級重點項目和大型項目進行雷電災害風險評估時，對于Pb的取值可按上述方法對項目所在地一定范圍內的閃電監測資料進行統計、擬合和計算，從而得出更符合當地雷電活動特征的Pb值，使雷電災害風險計算結果更加準確。

7 參考文獻

[1] 雷電防護 第2部分：風險管理：GB/T21714.2-2015[S].北京：中國標準出版社，2016.

[2] 建筑物防雷設計規范：GB50057-2010[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[3] 電力設備過電壓保護設計技術規程：SDJ 7-1979[S].北京：電力工業出版社，1979.

[4] 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合：DL-T 620-1997[S].北京：中國電力出版社，1997.

[5] 馮志偉，肖穩定，馬金福，等.基于地閃數據的雷電流幅值累積頻率公式探討[J].氣象科技，2012（1）：27-32.

[6] 陳家宏，童雪芳，谷山強，等.雷電定位系統測量的雷電流幅值分布特征[J].高電壓技術，2008（9）：1893-1897.