基于閃電數據的雷擊建筑物物理損害概率研究

吳 量，向清才，陸華靜

(1.河池市氣象局，廣西河池 547000；2.都安縣氣象局，廣西都安 530700)

當雷電擊中建筑物時，強大的電流、炙熱的高溫會導致建筑的物理性損害，為有效地防御和減輕災害的發生，已有一些學者根據各地雷電活動情況開展了雷擊建筑物物理損害概率研究，彭國平等[1]利用建筑物附近一定范圍內的雷電監測網資料，基于統計得到雷電流概率分布函數,計算得到雷擊建筑物物理損害概率(PB)。李家啟[2]基于重慶地區的閃電定位系統監測地閃資料，采用IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率公式實現對該地區的雷擊建筑物繞擊率區劃。當前開展的研究雖然已經考慮雷擊電流特性對PB的影響[3-4]，但是未將建筑物、接閃器的特性納入計算中，鑒于之前研究工作的局限性，基于河池市2010年1月—2017年12月閃電監測數據，利用雷電擊中建筑物的EGM模型[5-6]，計算得到適合當地的針對不同接閃器、建筑物的PB值，以期為所轄區域的雷電防護業務提供參考。

1 雷電擊中建筑物的EGM模型

EGM模型是根據擊距法進行計算的。所謂擊距，就是雷云對地面上的建筑物發生雷擊之前，由雷云向地面發展的雷電流先導頭至建筑物雷擊點之間的距離。圖1中，H為被保護建筑物高度，H2為安裝在建筑物上的接閃器高度,d為接閃裝置與建筑物需保護范圍邊緣的距離，CE弧、EF弧為分別以B、A為圓心，擊距R為半徑的圓弧。CD為離地面高度為H的直線，當雷電流先導沿路徑①侵入圓弧EF時，閃電將擊中接閃器A；當雷電流先導沿路徑②侵入圓弧CE時，閃電將擊中建筑物；當雷電流先導沿路徑③侵入圓弧CD時，閃電將擊中地面或地面物體。當擊距R增大，EF弧將變大，CD位置越來越高，CE弧將變小。當R增大到某個臨界值Rm時(圖2)，CE弧將變為一個點K，此時E點、C點和K點重合。

圖1 EGM模型

圖2 極端情況下的EGM模型

由圖2中的幾何關系可以得到[1]

(1)

將得到極端情況下的Rm表達公式(1)帶入到擊距與雷電流幅值的關系公式[2]中

R=10I0.65，

(2)

R為擊距(m)，I為雷電流幅值(kA)。得到有可能擊中建筑物的雷電流Im與建筑物、接閃器特性參數H、H2、d的關系為

(3)

2 雷電流幅值累積概率分布

國內外使用的雷電流幅值累積概率分布表達式不同[7]，其中美國電氣與電子工程師協會(institute of electrical and electronics engineers， IEEE)1243號標準(1997年)[8]推薦的雷電流累積頻率分布計算式應用較為廣泛，即

(4)

式中，I∈(2，200)kA，P為大于某一雷電流幅值的累積頻率(%)，a為中值電流，即雷電流幅值大于a的頻率為50%；b(b>1)為雷電流幅值累積頻率曲線擬合指數，體現曲線變化程度，相當于曲線斜率的絕對值，b值越大表示幅值頻率曲線下降程度越快、電流幅值集中性越強[7]。

采用IEEE推薦的公式對河池市地閃監測資料的雷電流幅值I∈(2，200)kA進行擬合，得到雷電流幅值累積概率表達式

(5)

擬合相似度為0.998。

3 PB計算

將Im表達式代入公式(5)中，即可得到雷電電流I>Im的發生概率

(6)

根據EGM理論，小于Im的雷電流有可能繞過防雷裝置擊中建筑物。Pm為雷電流大于Im的概率，則1-Pm為雷電流小于Im的概率PB。根據以上分析，得到雷擊建筑物物理損害概率與建筑物、接閃器特性參數H、H2、d的關系

(7)

假設接閃裝置與建筑物需保護范圍邊緣距離d為5 m。根據以上公式，繪制雷擊建筑物物理損害概率PB與建筑物、接閃器特性參數H、H2、d的關系如圖3所示。由圖3可知，在d為某一固定值時，PB是隨H和H2呈非線性變化的；當d、H2為某一固定值時，PB隨H增加而明顯增大；當d、H為某一固定值時，PB隨H2增加并沒有明顯變化。

將PB計算公式應用到河池市一些新建建筑物的雷擊風險參數評估中(表1)發現，EGM算法

的PB值與國際電工委員會提出的評估標準IEC 62305推薦的參考值并不相同。究其原因，EGM算法的PB結果是根據建筑物、接閃器的特性計算接閃裝置能夠保護的最小雷電流幅值，然后由實測的閃電數據擬合得到雷電流幅值累積概率分布，最后計算小于最小雷電流幅值的雷電流概率值。而IEC標準對最小雷電流幅值的取值是依據建筑物的雷電防護等級LPL(分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個等級)，雷電流幅值累積概率是根據CIGRE(國際大電網會議)報告獲得的雷電流參數值計算得到[9]，因此IEC 62305推薦的PB是按照建筑物的雷電防護等級而取值，兩種方法相比較使用EGM算法計算得到的PB更具有準確性。

圖3 PB值與建筑物、接閃器高度關系(d=5 m)

表1 河池市新建建筑物使用EGM算法得到PB與IEC 62305推薦PB比較

注：接閃器高度為屋面女兒墻高度(1.5 m)、接閃桿長度(0.4 m)及支撐架高度(0.15 m)之和

4 基于EGM模型的雷擊建筑物物理損害概率區劃

由以上分析可知，在建筑物、接閃器特性參數相同情況下，雷電流幅值累積概率分布是影響參數PB準確性的重要因素。將河池市按0.1°×0.1°間隔分成29×23個網格進行雷電流幅值累積概率分析，將建筑物、接閃器特性參數H、H2、d帶入PB計算公式，基于GIS軟件的克里金插值方法[10]得到PB區劃結果(圖4)。從圖4可以看出，河池市雷擊建筑物物理損害概率總體呈現東南向西北逐漸減小的趨勢，其中羅城、宜州、都安和大化4縣大部分的PB>0.891，該區域內涉及建筑物的防雷設計、施工均應注意提高防護措施。此外，在環江、金城江、鳳山等縣的部分地區PB也為高值區，也應提高相應的防護技術措施，保障建筑防雷安全。

H=78.0 m；H2=2.05 m；d=1.0 m圖4 河池市雷擊建筑物物理損害概率區劃

為了進一步探究在建筑物、接閃器特性參數相同情況下，雷電流幅值對PB分布的影響，對河池市29×23個格點中的雷電流幅值按每隔10 kA統計該幅值區間的閃電頻次占總閃頻次的比值，結果得到10～40 kA強度閃電頻次分布與PB分布呈明顯正相關(圖5)，相關系數為0.96，即由于10～40 kA強度閃電多發生在羅城、宜州、都安和大化，以及環江、金城江、鳳山等縣的部分地區，因此造成該地區的PB為高值。

圖5 河池市10～40 kA強度閃電占總閃頻次比值分布

5 結論

基于河池市閃電定位資料，利用雷電擊中建筑物的EGM模型，對雷擊建筑物物理損害概率(PB)與建筑物、接閃器特性關系進行分析，得到如下結論。

(1)當接閃裝置與建筑物需保護范圍邊緣距離為某一固定值時，PB隨建筑物高度和接閃器高度變化呈非線性變化；當接閃裝置與建筑物需保護范圍邊緣距離、接閃器高度為某一固定值時，PB隨建筑物高度增加而明顯增大；當接閃裝置與建筑物需保護范圍邊緣距離、建筑物高度為某一固定值時，PB隨接閃器高度增加并沒有明顯變化。因此,基于EGM模型計算得到的PB更具有科學、準確性，能夠更嚴格的估計雷電災害的危險程度。

(2)在建筑物、接閃器特性參數相同的情況下，河池市雷擊建筑物物理損害概率呈現東南向西北逐漸減小的趨勢，這與10～40 kA強度閃電多發生在東南部有關，PB大值區域應提高相應的防雷技術措施。