南寧超高層建筑雷電繞擊率分析研究

何 寬，郭 媛，徐源徽，韋卓運(yùn)

（廣西區(qū)防雷中心，廣西 南寧 530022）

0 前言

現(xiàn)代社會(huì)里，雷電災(zāi)害越來越頻繁。雖然超高層建筑的直擊雷防護(hù)裝置設(shè)計(jì)得比較完備，但在保護(hù)空間內(nèi)的物體還是會(huì)被雷電直接擊中，特別是超高層建筑的中間層遭受雷擊的事故屢見不鮮，即存在繞擊現(xiàn)象。繞擊現(xiàn)象是指雷電擊中在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)物上的雷擊現(xiàn)象。雷電先導(dǎo)的發(fā)展起初是不確定的[1]，直到先導(dǎo)頭部電壓足以擊穿它與地面目標(biāo)間的間隙時(shí)，也即先導(dǎo)與地面目標(biāo)的距離等于擊距時(shí)，才受到地面影響而開始定向。繞擊為超高層建筑物的雷電防護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)。所以研究不同高度的繞擊率特征有重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過研究得出的結(jié)論，能給超高層建筑物的防雷設(shè)計(jì)施工提供有效的建議，提高超高層防雷裝置的防護(hù)效果，保護(hù)建筑物。

1 電氣幾何模型計(jì)算繞擊率

目前，計(jì)算雷電繞擊率的方法有規(guī)程法和電氣幾何模型（EGM：Elecfrical Geometric Model）法兩種，規(guī)程法是建立在經(jīng)驗(yàn)累積的基礎(chǔ)上制定的，由于用規(guī)程法計(jì)算繞擊率時(shí)并未考慮雷電流的過程，存在一定缺陷。電氣幾何模型法[2-3]，利用最大擊距的方法來判斷被保護(hù)物是否會(huì)遭受雷電繞擊，引入雷電流幅值來計(jì)算繞擊率，結(jié)果更加客觀。

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]提供了擊距R與雷電流幅值I電氣幾何模型：

式中：R 為擊距（m）；I為雷電流幅值（kA）。

根據(jù)電氣幾何模型知，最大繞擊距Rm對(duì)應(yīng)一個(gè)雷電流Im值，稱之為臨界雷電流Im，只有小于臨界雷電流Im的雷電才有可能發(fā)生繞擊。

先導(dǎo)在臨界擊穿距離范圍內(nèi)，當(dāng)與地面目標(biāo)的距離等于擊距時(shí)，才受到地面影響而開始定向，此時(shí)的擊距即滾球半徑。依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010），第一類防雷建筑物的滾球半徑R為30 m，二類為45 m，三類為60 m。當(dāng)發(fā)生的雷閃的擊距小于等于R時(shí)，也就是小于雷電流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滾球半徑臨界值時(shí)，防雷裝置保護(hù)范圍就變小，產(chǎn)生繞擊，建筑物頂端的防雷裝置就會(huì)失效。當(dāng)雷電的距離等于或大于該雷電流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滾球半徑臨界值時(shí)，雷電流將被屋頂?shù)姆览籽b置接閃。根據(jù)EGM算法的公式（1）滾球半徑對(duì)應(yīng)的臨界值為：第一類防雷建筑物，滾球半徑R=30 m，I=5.43 kA；第二類防雷建筑物，滾球半徑R=45 m，I=10.14 kA；第三類防雷建筑物，滾球半徑R=60 m，I=15.79 kA[5]。每一次雷擊有相應(yīng)的I值，當(dāng)I值小于各類的的臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生繞擊現(xiàn)象。

超高層建筑物繞擊概率分析：

按照GB50057-2010的規(guī)定，超高層建筑物為第二類防雷建筑物。

（1）利用IEEE（std 1243-1997）推薦的雷電流幅值I的概率P公式：

其中：P為雷電流幅值大于I時(shí)，P的累積概率。

（2）還可以依據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T620-1997）推薦采用的雷電流幅值累積概率分布模式：

PI為大于雷電流臨界值的累積概率，所以建筑物的繞擊率P為（1-PI）。

根據(jù)公式（2）和（3）兩種方法，和南寧市2018年雷電定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的雷電流幅值統(tǒng)計(jì)得到南寧市電氣幾何模型法防雷裝置繞擊率，如表1所示。

表1 南寧市電氣幾何模型法防雷建筑物繞擊率

從表1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于第一類防雷建筑物建筑物，IEEE（std 1243號(hào)）更貼近實(shí)際雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的繞擊率，對(duì)于第二類和第三類防雷建筑物，DL/T620的算法更加與實(shí)際雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的繞擊率一致。對(duì)于超高層建筑物（第二類防雷建筑物）而言，采取電氣幾何模型加上DL/T620的算法更能體現(xiàn)本地特點(diǎn)。對(duì)于超高層建筑的超高部分，繞擊率實(shí)際值比計(jì)算值大，應(yīng)以實(shí)際值為準(zhǔn)。

圖1 防雷建筑側(cè)擊雷累積概率隨高度變化曲線

2 超高層繞擊率的變化分析

以東盟商務(wù)區(qū)某超高層建筑XX世紀(jì)為例，建筑高度381 m，隨著高度的增加，每個(gè)高度的繞擊率會(huì)發(fā)生變化。

按照GB50057-2010的規(guī)定，超高層建筑物的防雷分類為二類。屋面已有完備的直擊雷防護(hù)裝置。擊距即滾球半徑，建筑物高度上升，擊距增大，滾球半徑增大。以高度30 m對(duì)應(yīng)的雷電流幅值5.43 kA為最小臨界值開始計(jì)算分析。根據(jù)公式（1）。當(dāng)I＜5.43 kA時(shí)，該建筑物30 m以下的側(cè)面可能遭受雷電流的繞擊；當(dāng)I＜15.7 kA時(shí)，60 m以下可能遭受雷電流的繞擊；當(dāng)5.43 kA＜I＜15.7 kA時(shí)，30 m～60 m部分可能遭受雷電流的繞擊[6]。

為了進(jìn)一步展示建筑高度與繞擊雷電電流幅值之間的關(guān)系，采取不同建筑高度進(jìn)行計(jì)算，通過公式（1）得出超高層建筑不同高度對(duì)應(yīng)的雷電流幅值臨界值，小于該值的雷電流累積比例就是該高度以下建筑部分可能受到的繞擊率[7-8]。通過2018年南寧市雷電定位系統(tǒng)的云地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出小于某雷電流幅值的雷電次數(shù)比例。例如：滾球半徑30 m對(duì)應(yīng)的5.43 kA＜I的雷電流的云地閃的次數(shù)為38 238次，占全年云地閃次數(shù)1 385 001次的2.76%，滾球半徑60 m對(duì)應(yīng)的15.7 k＜I的雷電流的云地閃的次數(shù)為619 286次，占全年云地閃次數(shù)138 5001次的44.71%。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制如圖1，防雷建筑繞擊率累積概率隨高度變化曲線圖。

從圖1可以看出，隨著建筑物高度的增加，第二類防雷建筑物遭受側(cè)擊雷的概率在增大，并且這種概率迅速增大，近乎成指數(shù)增長(zhǎng)。在到達(dá)120 m之后，比例無限接近100%，繞擊的必然產(chǎn)生成為計(jì)算的結(jié)果。

3 超高層防雷裝置施工建議及防雷檢測(cè)方法

3.1 施工建議

（1）在建筑物上部占高度20%的部位，各表面上的尖物、墻角、邊緣、設(shè)備以及顯著突出的物體，應(yīng)按屋頂上的保護(hù)措施處理；接閃器應(yīng)重點(diǎn)布置在墻角、邊緣和顯著突出的物體上。

（2）外部金屬物，當(dāng)其最小尺寸符合GB50057的規(guī)定時(shí)，可利用其作為接閃器，還可利用布置在建筑物垂直邊緣處的外部引下線作為接閃器。

（3）外墻內(nèi)、外豎直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的頂端和底端，應(yīng)與防雷裝置等電位連接。外墻幕墻上下四個(gè)角應(yīng)接地，水平方向接地間距不應(yīng)大于防雷引下線的間距，垂直方向接地間距不應(yīng)大于均壓環(huán)的間距，如無均壓環(huán)，宜每三層接地一次。窗口為塑鋼窗時(shí)，有金屬骨架且有金屬條外露的塑鋼窗應(yīng)與均壓環(huán)相連。無金屬骨架的可以不連接。

3.2 檢測(cè)方法

按設(shè)計(jì)要求有防側(cè)擊措施的樓層開始進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)外墻金屬門、窗、欄桿與防雷裝置的連接情況，宜采取抽樣檢測(cè)的方法。

（1）抽樣方法。建筑物外墻金屬門、窗、欄桿檢測(cè)抽樣方法抽樣數(shù)量要求。抽測(cè)數(shù)量為應(yīng)檢測(cè)總數(shù)量的10%。樓層抽樣方法為抽測(cè)的樓層數(shù)不少于10%，至少抽測(cè)三層，采取防側(cè)擊雷措施的首個(gè)樓層以及頂層必測(cè)，首個(gè)樓層與頂層之間的樓層均勻抽測(cè)。選定抽測(cè)的樓層外墻上所有金屬門、窗、欄桿全部檢測(cè)。當(dāng)某些原因所選抽測(cè)的樓層金屬門、窗、欄桿不能全部檢測(cè)時(shí)，應(yīng)增加樓層進(jìn)行檢測(cè)，以滿足抽測(cè)數(shù)達(dá)到應(yīng)檢測(cè)總數(shù)的10%。

（2）有均壓環(huán)的樓層數(shù)少于3層時(shí)應(yīng)全數(shù)檢查，多于3層時(shí)抽查不得少于3層，對(duì)有女兒墻蓋頂?shù)谋仨殭z查，每層至少應(yīng)查3處。無均壓環(huán)的樓層抽查不得少于2層，每層至少應(yīng)查3處。

（3）檢測(cè)均壓環(huán)材型規(guī)格、環(huán)間垂直距離、與引下線連接方式應(yīng)在施工過程中進(jìn)行。外墻非金屬突出物安裝的接閃器是否與防雷裝置連接。外墻金屬突出物是否與防雷裝置連接。檢測(cè)幕墻與防雷裝置的等電位連接是否符合JGJ/T 139-2001中4.2的要求。

（4）在選定抽測(cè)的樓層，測(cè)量該樓層電氣豎井接地扁鋼或預(yù)留接地端子（當(dāng)沒有電氣豎井接地扁鋼或預(yù)留接地端子時(shí)，任意選擇該樓層某個(gè)外墻金屬門、窗、欄桿）的接地電阻，當(dāng)其值符合要求時(shí)，將這個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，使用等電位連接測(cè)試儀或微歐計(jì)測(cè)量其他金屬門、窗、欄桿與基準(zhǔn)點(diǎn)的過渡電阻，過渡電阻應(yīng)不大于0.2 Ω。

4 結(jié)束語

超高層建筑物防雷是有其特別之處，繞擊率是比一般建筑都高。本文在電氣幾何模型的計(jì)算框架之下，探討了依據(jù)IEEE（std 1243號(hào)）、DL/T620和南寧市雷電定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三種方法繞擊率的對(duì)比，證明在45 m以上用DL/T620的方法與實(shí)際監(jiān)測(cè)的雷電數(shù)據(jù)更加貼近，繞擊率實(shí)際值比計(jì)算值大，應(yīng)以實(shí)際值為準(zhǔn)。而且隨著建筑物高度的增加，繞擊率迅速增大，近乎成指數(shù)增長(zhǎng)。在到達(dá)120 m之后，比例無限接近100%，繞擊的必然產(chǎn)生成為計(jì)算的結(jié)果。并根據(jù)超高層建筑物的防雷特點(diǎn)，對(duì)側(cè)擊雷的防護(hù)提以上建議為更好保護(hù)人民群眾的人身及財(cái)產(chǎn)安全。