雷擊風險計算分析評估系統

黃進云，程 林，儂耀輝

(云南省紅河州氣象局，云南蒙自 661199)

雷電是發生在大氣中的聲、光、電物理現象，其放電電流可達數十千安，甚至數百千安，雷電流產生巨大的破壞力和極強的電磁干擾。聯合國“國際減災十年”公布雷電災害為自然界十大災害之一，地球上平均每秒就會發生100次左右的閃電，強大的雷電流對建筑物和電子設備產生巨大的破壞作用。雷擊風險評估是指以實現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生后果的嚴重程度進行分析計算，向建設單位提供科學合理且經濟安全的雷電防護措施和建議。雷擊風險評估屬于災害評估的一種，可分為新建項目預評估、在建項目方案評估和已建項目現狀評估3種。

近年來，由于全球變暖加劇，極端天氣頻繁出現，雷擊事故造成的人員傷亡和財產損失呈上升趨勢［1］。最嚴重的2011年發生雷電災害事故次數6 127次、人員死亡人數1 109人、經濟損失50 635萬元。隨著國民經濟的快速增長，民用住宅小區和國家大中型項目開工建設，對雷擊風險評估工作提出了更高要求。我國幅員遼闊，各個地方的氣候環境和地理環境情況差別很大，如果不區分域地統一采取措施，將會造成經濟上的巨大浪費。根據中華人民共和國GB 50057－2010《建筑物防雷設計規范》［2］、GB/T 21714《雷電防護》［3］和國際電工標準IEC 61662的規定和要求，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對建筑物的相關情況及所處的位置和周邊環境進行科學計算和分析［4］，對雷擊風險值進行定量化計算，為建設項目工程防雷工程設計提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料選取 選用當地氣象臺站多年氣象觀測數據、云南省閃電定位儀觀測記錄數據;工程項目立項審批報告相關數據、建筑物設計方案數據;工程所在地地質、土壤電阻率和地理環境要素等相關數據。

1.2 雷擊損失風險計算參數選取 雷擊損失風險評估主要是計算由于雷電發生造成一定的生命傷亡、經濟損耗以及其他方面的各種風險疊加，同時綜合周邊環境特性和閃電的時空分布規律。為項目區域范圍內的建設項目的位置選定、功能布局、雷電防護等級(類別)和防雷設施設計、施工提供科學，也為雷電災害事故應急預案評價方法提供建設性意見。

雷擊損失風險內容共分為人員生命損失風險、公眾服務損失風險、文化遺產損失風險、經濟損失風險4類。雷擊損失風險的計算結果主要取決于風險相關參數(表1)，參數值的選取正確與否決定風險的計算結果［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 雷擊導致建筑物的各種損失對應的風險分量(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;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 建筑物及入戶服務設施年預計雷擊次數的計算

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

2.2.2 建筑物年預計雷擊次數(N1)。其計算公式為N1=K×Ng×Ae，式中，K為校正系數;Ng為建筑物所處地區雷擊大地密度［次/(km2·a)］，Ng≈0.1 × Td，其中，Td為建筑物所在地年平均雷暴日數(d/a);Ae為建筑物截收相同雷擊次數的等效面積(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=、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端到服務設施的距離;L、W、H分別為建筑物的長、寬、高(m)。

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

表1 雷擊損失風險參數

2.3 可接受最大年平均雷擊次數(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(材料結構因子)、C2(信息系統程度因子)、C3(信息系統耐壓因子)、C4(信息系統防護因子)、C5(信息系統雷擊因子)、C6(區域雷暴等級因子)之和，按照文獻［2］中的規定取值。

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量;nt為預期的建筑物內總人數;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為可能失效服務的年平均用戶數量;nt為接受服務的用戶總數;t為用小時表示的年平均服務中斷時間。

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，公眾服務損失風險、文化遺產損失風險、文化遺產損失風險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據庫、閃電定位數據庫、各類風險容許值數據庫，運用C#計算機編制風險雷擊計算進行風險雷擊參數計算和綜合分析，得出風險雷擊評估數據。雷擊風險計算分析評估系統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果(圖3)，結合工程項目的建筑設計參數、使用性質、地理環境、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論。

圖1 雷擊風險分量計算流程

5 結論

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，各項參數的選擇存在不確定性。手工計算不僅費工費時，且容易出現計算誤差。

風險評估系統工作經過近一年的應用，通過對63個建設工程項目的風險評估分析計算驗證，系統計算和分析結果與實際情況出入不大，基本能滿足風險評估工作需要。該系統的特點是界面清晰、操作簡單;參數選擇實現定量化;數據篩選、計算、統計實現自動化;參評對象選擇模式分類;可根據工作需求調整、增添模塊;實現人機對話功能。該系統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的開發運用，還需要逐步改進和完善，以適應雷擊風評估工作的需要。

圖2 雷擊風險計算評估系統計算機平臺界面

圖3 雷擊風險分量計算結果輸出圖

［1］徐丹.基于surferr平臺的雷擊風險評估系統設計［D］.大連:大連理工大學，2013.

［2］中國機械工業聯合會.建筑物防雷設計規范:GB50057－2010［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［3］四川中光高科產業發展集團.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化分析研究［C］//第26屆中國氣象學會年會氣象災害與社會和諧分會場論文集.中國氣象學會，2009.