雷擊風險計算分析評估系統(tǒng)

黃進云等

摘要

根據(jù)中華人民共和國GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、GB/T 21714《雷電防護》和國際電工標準IEC 61662的規(guī)定和要求，運用C#語言編制計算機計算、分析、綜合評估平臺，通過對63個建設(shè)工程項目的風險評估分析計算驗證，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)計算和分析結(jié)果與實際情況出入不大，基本能滿足風險評估工作需要，為建設(shè)項目工程防雷工程設(shè)計提供科學依據(jù)，避免盲目性，保證防雷工程安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。

關(guān)鍵詞 雷擊風險評估；計算方法；流程；系統(tǒng)

中圖分類號S429文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）24-149-03

雷電是發(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象，其放電電流可達數(shù)十千安，甚至數(shù)百千安，雷電流產(chǎn)生巨大的破壞力和極強的電磁干擾。聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布雷電災(zāi)害為自然界十大災(zāi)害之一，地球上平均每秒就會發(fā)生100次左右的閃電，強大的雷電流對建筑物和電子設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用。雷擊風險評估是指以實現(xiàn)綜合雷電防護為目的，運用科學原理和方法，對被評估對象可能遭受雷擊概率及雷擊后產(chǎn)生后果的嚴重程度進行分析計算，向建設(shè)單位提供科學合理且經(jīng)濟安全的雷電防護措施和建議。雷擊風險評估屬于災(zāi)害評估的一種，可分為新建項目預(yù)評估、在建項目方案評估和已建項目現(xiàn)狀評估3種。

近年來，由于全球變暖加劇，極端天氣頻繁出現(xiàn)，雷擊事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失呈上升趨勢[1]。最嚴重的2011年發(fā)生雷電災(zāi)害事故次數(shù)6 127次、人員死亡人數(shù)1 109人、經(jīng)濟損失50 635萬元。隨著國民經(jīng)濟的快速增長，民用住宅小區(qū)和國家大中型項目開工建設(shè)，對雷擊風險評估工作提出了更高要求。我國幅員遼闊，各個地方的氣候環(huán)境和地理環(huán)境情況差別很大，如果不區(qū)分域地統(tǒng)一采取措施，將會造成經(jīng)濟上的巨大浪費。根據(jù)中華人民共和國GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[2]、GB/T 21714《雷電防護》[3]和國際電工標準IEC 61662的規(guī)定和要求，運用C#語言編制計算機計算、分析、綜合評估平臺，大大地減少風險值計算的工作量和計算誤差。筆者在此通過雷擊風險計算評估系統(tǒng)對建筑物的相關(guān)情況及所處的位置和周邊環(huán)境進行科學計算和分析[4]，對雷擊風險值進行定量化計算，為建設(shè)項目工程防雷工程設(shè)計提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1資料選取

選用當?shù)貧庀笈_站多年氣象觀測數(shù)據(jù)、云南省閃電定位儀觀測記錄數(shù)據(jù)；工程項目立項審批報告相關(guān)數(shù)據(jù)、建筑物設(shè)計方案數(shù)據(jù)；工程所在地地質(zhì)、土壤電阻率和地理環(huán)境要素等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2雷擊損失風險計算參數(shù)選取

雷擊損失風險評估主要是計算由于雷電發(fā)生造成一定的生命傷亡、經(jīng)濟損耗以及其他方面的各種風險疊加，同時綜合周邊環(huán)境特性和閃電的時空分布規(guī)律。為項目區(qū)域范圍內(nèi)的建設(shè)項目的位置選定、功能布局、雷電防護等級（類別）和防雷設(shè)施設(shè)計、施工提供科學，也為雷電災(zāi)害事故應(yīng)急預(yù)案評價方法提供建設(shè)性意見。

雷擊損失風險內(nèi)容共分為人員生命損失風險、公眾服務(wù)損失風險、文化遺產(chǎn)損失風險、經(jīng)濟損失風險4類。雷擊損失風險的計算結(jié)果主要取決于風險相關(guān)參數(shù)（表1），參數(shù)值的選取正確與否決定風險的計算結(jié)果[2]。

2 雷擊風險分量計算

2.1 按風險管理要求進行雷擊風險評估

2.1.1

雷擊導(dǎo)致建筑物的各種損失對應(yīng)的風險分量（Rx）。其計算公式為Rx=Nx×Px×Lx，式中，Nx為年平均雷擊危險事件次數(shù)；Px為每次雷擊損害概率；Lx為每次雷擊損失率。

2.1.2

建筑物的雷擊損害風險（R）。其計算公式為R=∑Rx，式中，Rx為建筑物的雷擊損害風險涉及的風險分量。

2.2 建筑物及入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算

2.2.1

建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)（N）。其計算公式為N=N1+N2，式中，N1為建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)（次/a）；N2為建筑物入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)（次/a）。

2.2.2

建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)（N1）。其計算公式為N1=K×Ng×Ae，式中，K為校正系數(shù)；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地密度[次/（km2·a）]，Ng≈0.1×Td，其中，Td為建筑物所在地年平均雷暴日數(shù)（d/a）；Ae為建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。

2.2.3

建筑物等效面積（Ae）。當建筑物高度H<100 m時，其每邊的擴大寬度D（m）和等效面積Ae（km2）按公式

D=H（200-H）

、Ae= [Lw+2（L+W）×D+πH（200-H）]×10-6計算確定。當建筑物高度H≥100 m時，其每邊的擴大寬度應(yīng)按等于建筑物的高H計算，建筑物等效面積按公式Ae= [Lw+2H（L+W）+πH2]×10-6計算確定，式中，Lw為建筑物a端到服務(wù)設(shè)施的距離；L、W、H分別為建筑物的長、寬、高（m）。

2.2.4

入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)（N2）。按照公式N2=Ng×Ae′=Ng×（Ae1′+Ae2′）計算，式中，N2為入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)（次/a）；Ae1′為電源線入戶設(shè)施截收面積（km2）；Ae2′為信號線纜入戶設(shè)施截收面積（km2）。

2.3可接受最大年平均雷擊次數(shù)（Nc）的計算

其計算公式為Nc=5.8×10-1/C，式中，C為各類因子C1（材料結(jié)構(gòu)因子）、C2（信息系統(tǒng)程度因子）、C3（信息系統(tǒng)耐壓因子）、C4（信息系統(tǒng)防護因子）、C5（信息系統(tǒng)雷擊因子）、C6（區(qū)域雷暴等級因子）之和，按照文獻[2]中的規(guī)定取值。

2.4人身傷亡損失率（Lx）

其計算公式為Lx=（np/nt）×（tp/8 760），式中，np為可能受到危害的人員數(shù)量；nt為預(yù)期的建筑物內(nèi)總?cè)藬?shù)；tp為以小時計算的可能受害人員每年處于危險場所的時間。

2.5公眾服務(wù)中斷損失率（Lx）

其計算公式為Lx=（np/nt）×（t/8 760），式中，np為可能失效服務(wù)的年平均用戶數(shù)量；nt為接受服務(wù)的用戶總數(shù)；t為用小時表示的年平均服務(wù)中斷時間。

3 雷擊風險分量計算流程

各類雷擊風險分量Rx按以上運算公式計算，計算結(jié)果與雷擊風險容許值Rt（其中人生傷亡損失風險Rt≤10-3，公眾服務(wù)損失風險、文化遺產(chǎn)損失風險、文化遺產(chǎn)損失風險Rt≤10-3）[3]進行對比分析，綜合考慮各種防護措施的技術(shù)可行性和施工成本，選擇最有效的綜合防護措施，雷擊風險分量計算流程如圖1所示。

4 編制雷擊風險分析評估平臺

建立氣象要素歷史數(shù)據(jù)庫、閃電定位數(shù)據(jù)庫、各類風險容許值數(shù)據(jù)庫，運用C#計算機編制風險雷擊計算進行風險雷擊參數(shù)計算和綜合分析，得出風險雷擊評估數(shù)據(jù)。雷擊風險計算分析評估系統(tǒng)計算機平臺界面如圖2所示。

通過雷擊風險分析評估平臺的計算結(jié)果（圖3），結(jié)合工程項目的建筑設(shè)計參數(shù)、使用性質(zhì)、地理環(huán)境、總體布局、功能等因素綜合分析論證，提供科學合理的雷擊風險評估結(jié)論。

5 結(jié)論

雷擊風險評估是近年來才開展的一項針對新建、在建建設(shè)項目可能受到雷電破壞的可行性評價論證工作。由于開展的時間不長，雷擊災(zāi)害造成損失的各類風險分量的計算仍停留在手工計算上，各項參數(shù)的選擇存在不確定性。手工計算不僅費工費時，且容易出現(xiàn)計算誤差。

風險評估系統(tǒng)工作經(jīng)過近一年的應(yīng)用，通過對63個建設(shè)工程項目的風險評估分析計算驗證，系統(tǒng)計算和分析結(jié)果與實際情況出入不大，基本能滿足風險評估工作需要。該系統(tǒng)的特點是界面清晰、操作簡單；參數(shù)選擇實現(xiàn)定量化；數(shù)據(jù)篩選、計算、統(tǒng)計實現(xiàn)自動化；參評對象選擇模式分類；可根據(jù)工作需求調(diào)整、增添模塊；實現(xiàn)人機對話功能。該系統(tǒng)雖然解決了雷擊風險評估中的一部分實際問題，隨著新項目的

開展和新技術(shù)的開發(fā)運用，還需要逐步改進和完善，以適應(yīng)

雷擊風評估工作的需要。

參考文獻

[1]

徐丹.基于surferr平臺的雷擊風險評估系統(tǒng)設(shè)計[D].大連：大連理工大學，2013.

[2] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范：GB50057-2010[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[3] 四川中光高科產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團.雷電防護：GB/T 21714[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 陳阿仲，王興國，周興瑤.雷擊風險評估的流程優(yōu)化分析研究[C]//第26屆中國氣象學會年會氣象災(zāi)害與社會和諧分會場論文集.中國氣象學會，2009.