精細(xì)化雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究

柴 健， 王學(xué)良

(湖北省防雷中心， 湖北 武漢 430074)

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精細(xì)化雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究

柴 健， 王學(xué)良

(湖北省防雷中心， 湖北 武漢 430074)

在國家現(xiàn)有的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)GB/T21714-2008的基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、原理計(jì)算、軟件仿真等方法提出多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的評估方法：提出了雷電流幅值的累積概率分布經(jīng)驗(yàn)公式，并推算出建構(gòu)筑物未來70～100年使用年限內(nèi)可能遭遇不同等級雷電流的雷擊次數(shù)。根據(jù)某地區(qū)的閃電監(jiān)測資料，統(tǒng)計(jì)推算出一、二、三類防雷建筑物可能發(fā)生的繞擊率和反擊率；根據(jù)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(jì)算及安全性分析；運(yùn)用電路的方法以及有限元差分法，計(jì)算出雷擊建筑物時(shí)的雷電流分布以及內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布，為敏感電子設(shè)備的安全防護(hù)措施提供了理論基礎(chǔ)。

雷擊風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)度分布

0 引 言

雷電災(zāi)害是一種爆發(fā)性的自然災(zāi)害，其危害隨著社會信息化和電子化的發(fā)展變得更加明顯而廣泛。雷電災(zāi)害長期不斷地威脅人身安全和財(cái)產(chǎn)安全并危害公共服務(wù)和文化遺產(chǎn)[1]。災(zāi)害是一種風(fēng)險(xiǎn)，防治災(zāi)害就是管理和降低或者消除風(fēng)險(xiǎn)。為此，需要正確認(rèn)識和評估風(fēng)險(xiǎn)，對于雷電災(zāi)害來講，就是開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估，進(jìn)而實(shí)施合理的雷電防護(hù)。科學(xué)合理的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估能有效降低雷電災(zāi)害發(fā)生的頻率，能適應(yīng)于各種場合，從而能更好地指導(dǎo)防雷設(shè)計(jì)和施工，以最小的投入達(dá)到最好防雷保護(hù)。我國現(xiàn)行的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)中，對雷擊風(fēng)險(xiǎn)因子的評估手段較為單一，計(jì)算方法較為籠統(tǒng)，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(hù)規(guī)格以及LEMP的保護(hù)方式，提出了建筑物的保護(hù)等級與保護(hù)效率之間的關(guān)系。Bouquegneau[3]總結(jié)了目前主要風(fēng)險(xiǎn)評估方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)該如何因地制宜。在國內(nèi)，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的成果主要來自雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估和QX3-2000等標(biāo)準(zhǔn)。我國的GB/T21714-2008等同采用IEC62305:2006, 作為現(xiàn)行的建筑物雷電風(fēng)險(xiǎn)評估的標(biāo)準(zhǔn)。QX3-2000是氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范，其適用范圍是雷擊電磁脈沖(LEMP)對氣象信息系統(tǒng)造成損失的風(fēng)險(xiǎn)評估。此外，楊仲江副教授[4]通過對參數(shù)和公式的修改，將只適用于建筑物雷電風(fēng)險(xiǎn)評估的IEC62305很好地運(yùn)用到露天變電站、熱電站、油田等情況復(fù)雜的場所，并得到了一系列實(shí)踐性很強(qiáng)的特定場所風(fēng)險(xiǎn)評估方法。鐘萬強(qiáng)[5]根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度的不同以及雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)的區(qū)域性，在風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)算中引入風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重因子ω、地區(qū)因子Kp和行業(yè)因子Kv。王學(xué)良等先后統(tǒng)計(jì)分析了武漢地區(qū)云地閃電時(shí)空分布特征，并根據(jù)該特征和經(jīng)驗(yàn)公式提出了針對湖北地區(qū)的雷電流幅值概率分布以及根據(jù)閃電監(jiān)測資料推算出的項(xiàng)目區(qū)域的繞擊率和反擊率。

本文在國內(nèi)外學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、原理計(jì)算、軟件仿真等方法，提出一種精細(xì)化雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估方法，重點(diǎn)解決風(fēng)險(xiǎn)值概率的計(jì)算方法，為開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估工作提供了可靠的理論依據(jù)。

1 雷電流幅值累積概率、繞擊率和反擊率風(fēng)險(xiǎn)

雷電流幅值的累積概率分布一直是國內(nèi)外防雷界非常重視的雷電參數(shù)之一，在繞擊和反擊防雷計(jì)算中占據(jù)十分重要的位置。我國現(xiàn)行的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)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(qū)內(nèi)的繞擊率和反擊率存在很大的誤差。由于各個(gè)地區(qū)的雷電流幅值概率分布不同，因此有必要總結(jié)出針對某個(gè)地區(qū)的雷電流幅值的累積概率分布公式，便于精確計(jì)算地區(qū)內(nèi)發(fā)生繞擊和反擊的概率，得出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)概率值。

1.1 雷電流幅值的累積概率

根據(jù)某地區(qū)近3年的閃電監(jiān)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(xiàn)[6-7]給出的Anderson根據(jù)Berger實(shí)測數(shù)據(jù)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(shù)，體現(xiàn)曲線變化程度，相當(dāng)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(qiáng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)a=29.2，b=3.4時(shí)，根據(jù)雷電流幅值分布公式計(jì)算，繪制圖1中的“擬合曲線”；從圖1可以看出，擬合曲線與實(shí)際監(jiān)測曲線基本相同，實(shí)測值與計(jì)算值相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999 98。因此，在實(shí)際防雷工程設(shè)計(jì)中，可根據(jù)方程：

求出某地區(qū)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(jù)某地區(qū)閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，建構(gòu)筑物未來70～100年內(nèi)可能遭遇不同等級雷電流的雷擊次數(shù)可按照以下方法計(jì)算：

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

該公式計(jì)算得出的結(jié)果反映某一建構(gòu)筑物在其使用年限內(nèi)遭受不同等級雷電流的雷擊次數(shù)，有效反映了該建構(gòu)筑物遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)概率。

1.2 繞擊率和反擊率計(jì)算

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中的有關(guān)規(guī)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(luò)距離(擊距)，也可規(guī)定為滾球半徑；I是指與hr相對應(yīng)的得到保護(hù)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(hù)的空間。

根據(jù)電氣-幾何模型公式可以計(jì)算出第一、第二、第三類防雷建筑物所對應(yīng)的得到保護(hù)的最小雷電流幅值分別是5.4、10.1和15.8 kA。也就是說，當(dāng)雷電流幅值小于上述幅值時(shí)，在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)被保護(hù)物體，有可能遭受直擊雷的危害。統(tǒng)計(jì)某地區(qū)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(qū)建筑物直擊雷保護(hù)范圍按照一、二、三類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，可能會有1.3%、3.3%和11.5%的繞擊率發(fā)生。對于特別重要的場所，如需提高直擊雷防護(hù)效率，在直擊雷防護(hù)保護(hù)范圍計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)需要減小滾球半徑hr值，以進(jìn)一步減小繞擊率。

表1 不同防雷范圍內(nèi)的繞擊率與反擊率

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，安全距離按電阻電壓降和電感電壓降相應(yīng)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(qiáng)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(hù)物或計(jì)算點(diǎn)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(qiáng)度(kV/m)，其值為EL=600(1+1/T)(kV/m)，T1為雷電流波形波頭時(shí)間(μs)。

根據(jù)地上部分的安全距離公式，就可推導(dǎo)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(shí)，首次雷擊電流幅值所對應(yīng)的防雷類別的地上和地下的安全距離要求將會發(fā)生變化，此時(shí)按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行安全距離設(shè)計(jì)，將有不同程度的反擊風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。從表1可見，當(dāng)雷電流幅值大于200、150和100 kA時(shí)，某地區(qū)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(jì)算及安全性風(fēng)險(xiǎn)

我國現(xiàn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)中只提及了跨步電壓的基本概念，而未對其計(jì)算公式進(jìn)行研究，作用于人體的安全值也無從考證。根據(jù)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(jù)文獻(xiàn)[9]，對跨步電壓的計(jì)算公式進(jìn)行簡化，采用簡化計(jì)算法和Thapar計(jì)算法兩種方法計(jì)算。

2.1 最大跨步電壓計(jì)算公式(簡化計(jì)算法)

Ek=(1.5-α)×

以上為方形地網(wǎng)計(jì)算公式，若為矩形地網(wǎng)或其它不規(guī)則地網(wǎng)，則n值取：

式中：L為地網(wǎng)接地總長度(m)；Lj為地網(wǎng)周邊總長度(m)；

2.2 Thapar公式計(jì)算不規(guī)則地網(wǎng)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(dǎo)體間距，m；n為接地網(wǎng)單方向平行導(dǎo)體數(shù)；L為接地電網(wǎng)總長，m。

對于不規(guī)則地網(wǎng)：

式中：Lj為接地網(wǎng)周長，m；S為接地網(wǎng)面積，m2；Lx為接地網(wǎng)沿x方向的最大長度m；Ly為接地網(wǎng)沿y方向的最大長度m；Dm為接地網(wǎng)最大對角線長度，m。

2.3 作用于人體的跨步電壓計(jì)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?yàn)r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(xiǎn)性分析。

(1) 建筑物周圍為土壤時(shí)，

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(shè)混凝土?xí)r，

式中：ρS為上層混凝土電阻率，干燥時(shí)，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(shè)混凝土，但混凝土濕潤潮濕時(shí)，ρS=100 Ω·m(或50～200 Ω·m)。

(4) 建筑物周圍敷設(shè)碩石或?yàn)r青混凝土?xí)r，ρS=5.0 Ω·m。

(5) 建筑物周圍積水時(shí)，Uk=Ek。

當(dāng)人體重量分別為50、70 kg時(shí)，人體的安全電流為：

人體承受的最大跨步電壓為

在進(jìn)行工頻電壓安全設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，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(shí)，呈現(xiàn)不同的值，根據(jù)“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(yàn)，美國IEEE觀點(diǎn)，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(shè)備受電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)

3.1 雷電流分布計(jì)算

現(xiàn)代建筑物的防雷設(shè)計(jì)，多利用建筑體內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的相互聯(lián)接形成暗裝的籠式接閃網(wǎng)，以此作為雷電流的接閃、分流和接地系統(tǒng)。當(dāng)建筑物遭受直接雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流將沿此系統(tǒng)中各個(gè)分支導(dǎo)體泄流入地，并且在建筑物內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁現(xiàn)象，這對于信號水平較低的電子系統(tǒng)的正常工作及室內(nèi)人員的安全構(gòu)成直接的影響。因此，金屬構(gòu)架中雷電流分布的數(shù)值分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。雷電流分布特性的研究可以為敏感電子設(shè)備遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算提供有效的理論依據(jù)。

傳統(tǒng)計(jì)算雷電流分布的方法是將保護(hù)系統(tǒng)按一定的原則進(jìn)行分段，每段導(dǎo)體以耦合π型電路來等效[10-17]，將整個(gè)防直擊雷系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為僅含RLC的等效網(wǎng)絡(luò)，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(fù)雜，對于大型的電路更容易出錯(cuò)。因此本文中運(yùn)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(zhuǎn)換為時(shí)域解的計(jì)算方法，自行編制了相應(yīng)的電磁暫態(tài)計(jì)算程序并形成雷電流分布計(jì)算軟件。該軟件在Solidworks三維機(jī)械繪圖軟件的基礎(chǔ)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(shí)輸入雷電流參數(shù)及雷擊點(diǎn)位置就能準(zhǔn)確的計(jì)算出每一段導(dǎo)體的雷電流分布特性。圖2為一簡單框架結(jié)構(gòu)的模型圖，表2為各分支導(dǎo)體上的雷電流分布情況。

如圖2所示，該框架結(jié)構(gòu)每根鋼筋直徑為8 mm，框架結(jié)構(gòu)的長、寬、高均為2 m，兩層結(jié)構(gòu)。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(yùn)用軟件得出的計(jì)算結(jié)果與用傳統(tǒng)的計(jì)算方法EMTP程序得出的結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了該軟件的可行性。

圖2 簡單框架結(jié)構(gòu)模型

分支編號12345678計(jì)算值/%24.2820.4624.2831.020.6515.3820.6543.33EMTP計(jì)算值/%23.421.223.432.021.216.321.243.3

3.2 內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布計(jì)算

在計(jì)算出雷擊建筑物時(shí)各段導(dǎo)體中的雷電流分布特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究建筑物內(nèi)部磁場強(qiáng)度分布特性，為敏感電子設(shè)備的屏蔽防護(hù)措施提出指導(dǎo)性的意見。利用加拿大三維電磁暫態(tài)仿真計(jì)算軟件(簡稱IES)，導(dǎo)入并處理建筑物三維模型后，將計(jì)算得出的雷電流分布值附入各段導(dǎo)體后，設(shè)置雷電流參數(shù)值，最終計(jì)算得出空間磁場強(qiáng)度分布特征。該軟件采用有限差分方法求出空間任一點(diǎn)磁場強(qiáng)度的數(shù)值解。圖3為導(dǎo)入并處理后的建筑物三維模型圖。設(shè)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(jì)算結(jié)果為第一層1 m高處的磁場強(qiáng)度分布情況。明顯得出雷擊點(diǎn)正下方的磁場強(qiáng)度最大，且分布極不均勻，而中間以及對角線附近的磁場強(qiáng)度分布較均勻。圖5為利用Matlab進(jìn)行差值處理后的效果圖。根據(jù)每層磁場強(qiáng)度的分布特性，可以為敏感電子設(shè)備的抗干擾防護(hù)措施提供了依據(jù)。

4 結(jié) 語

本文簡述了雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估的幾大研究進(jìn)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(jì)算及安全性分析、雷擊建筑物時(shí)雷電流及內(nèi)部磁場分布這幾大方面著手，深入研究并總結(jié)歸納出相對應(yīng)的影響因子評估方法。參考國內(nèi)外學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，融入新元素后，形成一套較完善的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估體系。為開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估工作以及防雷工程設(shè)計(jì)、施工提供了理論依據(jù)。

圖4 第1層1 m高處的磁場強(qiáng)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(hù)技術(shù)。Tel.：15071195825；E-mail：haimencj@126.com

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1006-7167(2015)01-0284-05