雷暴路径在雷击风险评估中的应用初探

王 芳 李 剑 张卫斌

(浙江省防雷中心，浙江杭州310017)

0 引言

GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》［1］在总则中提出，建筑物防雷设计，要在认真研究雷电活动规律以及被保护物特点等的基础上进行，对某一区域而言，落雷的强度、密度及其时空分布、雷暴路径是反映该区域雷电活动规律的主要内容，目前对前者的研究较多，而对雷暴路径研究及应用的文献则较少，马宏达在文献［2］中指出，上世纪50年代，浙江天目山气象站雷暴活动强烈，并造成多起雷击事故，根据观察，雷云总是从左侧的山头上袭来，因此他们于1957年在那里装设了一些避雷针，在雷雨时可观察到这些避雷针接闪，该气象站此后再没发生过直击雷事故。王克［3］通过对送电线路雷击跳闸事故的统计分析发现，线路雷击闪络的部位与当地雷暴路径有密切关系。从笔者对雷电灾害案例的研究分析中发现，对某些体量较大的单体，曾出现某些部位反复遭直接雷击的现象，而在由多个高度相仿的单体组成的较大建筑群中，有些单体多次遭直接雷击，而有的单体从未发生过雷击事故。本文尝试就雷暴路径对雷击接闪概率和在雷击风险评估中的应用做些探讨。

1 研究模型

我们利用简化的电气－几何模型R=10I0.65作为研究的基础，该模型反映了击距与雷电流的关系，在雷暴云发展过程中，随着雷暴云中电荷的不断集聚，雷云下部的云雾大气被击穿，随着大气电场的进一步增强，云底的电荷与空气分子发生碰撞，产生轻度的电离，形成向下发展梯级先导，当先导头部离地面一定距离时，会发生“最后一击”击中地面上某一点，这就是通常所说的雷击。发生“最后一击”时的距离称为击距(R)，而在先导到达距大地或物体间隔为R之前可以认为是随机的，当达到R时其走向将受地物的影响。为分析方便，现以两个同等高度的建筑物为研究对象，并做出如下假设:

1)该区域地质条件相同，建筑物A、B结构相同，材料相同，高度相等。

2)雷云在经过该区域时，其电荷结构不会发生改变，且该区域内一定会落雷。

3)先导头部(可视为一点)离哪一点(含物体、地面)最先达到击距距离，就击于哪一点。

图1为雷云与建筑物A、B之间的位置关系以及相对应的建筑物接闪概率图，其中雷云与建筑物位置关系分为3种，图中圆周为以建筑物A、B为雷击对象，击距R为半径的滚球在水平面上的投影。当雷云移近时，若先导头部在圆周之外，则雷击地面，若与圆周相交，则表示地面和建筑物均有可能遭雷击，若在圆周之内，则建筑物被击中。由图1可见:

1)雷云沿建筑物A、B径向方向移动，当雷云靠近该区域的时候，则必然是处于上风方的建筑物A接闪，而其下风方的建筑物B被雷击中的概率很小(图1a)。

2)雷云沿建筑物A、B法向方向靠近该区域，则A、B遭雷击的概率是均等的(图1b)。

图1 雷云与建筑物A、B之间的位置关系以及相对应的建筑物接闪概率图

3)雷云移动方向与建筑物A、B径向方向之间的夹角为 α(0＜α ＜90°)，如图1c所示，若先导头部位于 m、l之间，则A被击中;若先导头部位于h、n之间，则B被击中;若先导头部位于l、h之间，则取决于夹角α以及雷云到建筑物的距离。当先导头部经过C点时，距A、B的距离相等，A、B均可能被击中。过点C作平行于l的直线k，若先导头部位于l、k之间，则A被击中，若先导头部位于k、h之间，则B被击中。总之，若先导头部位于 m、k之间，雷击建筑物A;若先导头部位于 k、n之间，雷击建筑物B。直线m、k之间的距离大于k、n，即建筑物A遭雷击的概率大于建筑物B。而当先导头部位于直线m左边或n右边则击于大地。

以上分析可知当雷云靠近该区域时，位于雷暴路径上风方的建筑物A接闪的概率大于下风方建筑物B。

2 位置因子的取值

在 GB/T 21714.2—2008/IEC 62305—2:2006雷击风险评估标准附录A［4］中，计算年平均危险事件次数ND时，考虑建筑物暴露程度及周围物体对危险事件次数的影响引入了位置因子Cd，并且规定当评估对象周围有更高的建筑物或树木时，Cd取0.25，周围有相同高度或更矮的建筑物或树木时，Cd取0.5。事实上，周围物体对评估对象的影响并不是简单的高度关系，它与两者之间的位置以及雷暴路径密切相关，下面以图2为例，探讨位置因子的取值。

图2a为由9幢等高单体组成的建筑群，成3×3矩阵排列，分别以①～⑨表示，雷暴主导路径为自左向右。由图所示，以第二行单体④～⑥为例，从现有规范Cd取值的标准来看，这3幢单体均表现为周围有相同高度或更矮的建筑物或树木。若考虑雷暴路径的因素，对单体⑤而言，四周均有相同高度的建筑物存在，无论雷暴从哪个方向来，对其影响相同，Cd可取0.5;若评估对象是单体④，虽然三面有相同高度的建筑物，而其上风方为空旷地带，单体④遭雷击的概率较大，Cd取值应高于0.5;若评估对象是单体⑥，则同样是三面有相同高度的建筑物，然而，单体⑥的上风方有单体④，单体⑤存在，则该单体遭雷击的概率较小，Cd取值应低于0.5。

图2b为位于雷暴主导路径上的3幢单体组成的建筑群，分别以a、b、c表示，由图可见单体b最高，单体a和单体c高度相同，距单体b距离相等，且均处在单体b的保护范围(例如1:3比例关系)内，分别位于单体b的上风方和下风方。当雷云移近时，单体c由于其上风方有更高建筑物存在，遭雷击的概率很小，Cd可取0～0.25，而单体a处于雷暴路径的上风方，虽然处于单体b的保护范围内，但遭雷击的概率仍可能较大，Cd可能要在0.25～1取值，这也许就是产生雷电绕击的原因之一，笔者认为，发生绕击现象并非仅与雷电流强度有关，还与雷暴路径密切相关。

图2 建筑群中各单体位置分布关系

3 应用个例

3.1 雷暴路径分析

本例所用雷电监测资料来自于浙江省地闪监测网，统计时间范围为2007—2010年，空间范围为绍兴远东石化有限公司及其周围5 km半径的区域，将雷暴路径分为:正北(N)、东北(NE)、正东(E)、东南(SE)、正南(S)、西南(SW)、正西(W)、西北(NW)八个方向，利用各次过程的每30 min的地闪空间演变图，分析雷暴活动路径，若雷暴过程持续时间短，范围集中，可利用每10 min的地闪演变图分析。

由浙江省雷电监测定位系统2007—2010年地闪数据分析可得，绍兴远东石化有限公司及其5 km半径内共监测到104次雷暴过程，通过对这104次雷暴过程的逐时地闪时空演变情况进行统计，分析雷暴活动路径，结果可得:西南方向(SW)33次，正西方向(W)28次，西北方向(NW)17次，东北方向(NE)7次，东南方向(SE)4次，正东方向(E)2次，正南方向(S)1次。由此可见，雷暴路径在方向上分布是不均等的，自西向东移动的雷暴过程共有78次，占总数的75%，为雷暴路径的主导方向(见图3)。此外，有12次雷暴过程活动路径无规则(U)。

3.2 易遭雷击部位

通过以上分析可见，绍兴远东石化有限公司及周围5 km半径内，雷暴路径在方向上分布是不均等的，主导方向为自西向东。厂区所在地地形属于河口冲积平原，地势平坦，位置空旷，公司厂区内有烟囱、生产装置等高大建筑以及大量金属构件。位于厂区西部的高大建(构)筑物更易遭雷击，其下风方的中部的高大建筑遭雷击的概率小于西部，厂区东部建筑不易遭雷击，可适当降低雷电防护的级别。

图3 雷暴路径分布图

4 结语

本文通过分析得出:地面物体遭雷击的概率与雷暴路径有关，位于雷暴路径上风方的物体更易受雷击，在实际防雷工作中，要考虑雷暴路径对雷击点的影响，而不单是几何模型的关系。对位置因子的确定，应结合雷暴路径的因素，考虑周围物体的影响，适当增加或降低雷击风险评估标准中给予的参考值。此外，本文还提出绕击与雷暴路径有关。

［1］ 机械工业联合会.GB50057－2010建筑物防雷设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2011.

［2］ 马宏达.山区电网防雷的新概念－区域性防雷［J］.电网技术，1995，19(7):43 －46.

［3］ 王克.雷暴路径与雷击闪络［J］.电网技术，1990，14(3):43－46.

［4］ 全国雷电防护标准化技术委员会.GB/T 21714.2—2008/IEC 62305—2:2006雷击风险详估标准［S］.北京:中国标准出版社，2008.