雷電災害風險評估現場勘察定量化方法研究

付小霞 彭琳 劉林 胡美瓊

湖南省氣象災害防御技術中心 湖南 長沙 410007

1.引言

雷電災害風險評估是根據項目所在地雷電活動時空分布特征及其災害特征，結合現場情況進行分析，對雷電可能導致的人員傷亡、財產損失程度與危害范圍等方面的綜合風險計算。從當前現場勘察方法來看，大部分以定性為主，對于定量化分析和判斷較少，做好雷電災害風險評估定量化方法研究，對于指導區域雷電災害防護，具有較好的現實意義。本文以長沙磁浮工程長沙南站為例，從雷擊電子信息系統電磁防護和人員安全兩個方面進行分析，提出勘察范圍，以期為雷電災害風險評估現場勘察提供具體思路和借鑒。

2.雷電磁場屏蔽防護勘察方法

2.1 構建接閃后的磁場強度分布及風險臨界范圍

根據GB50343，建筑物接閃后LPZ0區內磁場強度參照下式進行計算：

式中：i0----雷電流幅值（A）；

sa----從雷擊點到屏蔽空間中心的距離（m）。

根據GBT21431-2008，參考美國通用研究公司研究結果，磁場強度為0.07Gs（約5.55A/m），可以造成計算機誤動作；磁場強度為0.75Gs，可以造成計算機假性損壞；磁場強度為2.4Gs時，可以造成計算機元件永久損壞。

2.2 項目接閃后需考慮的影響勘察范圍

項目接閃后，將對周邊建筑設施內的電子信息設備造成影響，其影響勘察范圍，應參考周邊建筑物的電子信息系統防護需要，在不考慮屏蔽的情況下，項目接閃后，建議按照A級和B級防護的電子信息系統不會造成假性損壞標準進行勘察，C級以下按照不會造成永久性損壞的標準進行勘察。

結合2.1進行計算，對于具有A級和B級防護的電子信息系統建筑物，勘察范圍半徑R1為：

式中：imax----項目所在地歷史最大雷電流幅值（A）。

對于具有C級以下防護等級的電子信息系統建筑物，勘察范圍半徑R2為：

R2= imax/(380.4π)

長沙磁浮工程長沙南站歷史最大雷電流強度219KA，以此為例計算：

因此，在對長沙磁浮工程長沙南站的現場勘察中，應重點考慮項目周邊586米半徑范圍內的具有A級和B級防護的電子信息系統建筑物；周邊183米半徑范圍內的具有C級以下等級防護的電子信息系統建筑物。

2.3 項目電子信息系統防護需勘察的周邊接閃物范圍

周邊具有明顯接閃作用的設施，一旦接閃，將對項目內的電子信息系統設備造成影響，因此，應加強對周邊可能接閃的設施進行勘察。

經過計算長沙南站電子信息系統雷電防護等級采用B級，在不考慮屏蔽的情況下，應注意R1（586米）半徑范圍內周邊可能接閃設施的勘察。在考慮屏蔽的情況下，長沙南站電子信息系統設備所在關鍵場所等效網格寬度W取4m，r取0.004米，則屏蔽系數SF為：

在LPZ1區內磁場強度按下式計算

假設最大勘察半徑為R,則有：

imax=219KA，H1=59.5A/m，SF=3.27代入上式計算，R為402米，在項目現有屏蔽措施的情況下，應重點勘察402米半徑范圍內的可能接閃物，做好重點防范。

3. 雷電人員安全勘察方法

3.1 雷擊土壤散流模型

假設土壤為均勻、單一土壤，不考慮大地回流，地網對散流無影響，則強度為I的雷電流流入土壤電阻率為ρ的大地時，離開球心（電流流入點）為r的土壤中，電流密度J和電場強度E為：

距離雷電流流入點距離為a的電勢V為：

3.2 人體承受雷電流的安全閥值

關于脈沖電流的安全問題，引用IEEE Std80-2000所提出的人體所允許電流公式，由IEEE公式外推決定的體重為50kg和70kg，人體允許雷電流分別為18.34A和24.82A。

人體承受的最大跨步電壓Ukmax為：

根據IEEE觀點，雷電流沖擊情況下，人體沖擊電阻在300～500Ω范圍，分析中取400Ω。通過上式計算，雷電流波形在10/350μs時，50kg人體能承受的最大Ukmax為2.482KV，70kg人體Ukmax為3.3568KV；雷電流波形在2.6/50μs時，50kg人體Ukmax為6.5620KV，70kg人體Ukmax為8.8813KV。

3.3 人員安全勘察范圍

假設人員步長為0.8米，雷擊點與人員中心點（兩腳與中心點前后差0.4米）水平距離為d，則人體承受的跨步電壓dv為：

按計算的Ukmax值的最小值來計算，對于長沙南站,I=219KA，ρ=103.3Ω˙m，代入上式，d=34.08m，因此需勘察項目接閃構建周邊34.08米范圍內的人員密集場所，做好人員安全防范。