精细化雷击风险评估方法的研究

柴 健， 王学良

(湖北省防雷中心， 湖北 武汉 430074)



精细化雷击风险评估方法的研究

柴 健， 王学良

(湖北省防雷中心， 湖北 武汉 430074)

在国家现有的雷击风险评估标准GB/T21714-2008的基础上，运用统计分析、原理计算、软件仿真等方法提出多个风险因子的评估方法：提出了雷电流幅值的累积概率分布经验公式，并推算出建构筑物未来70～100年使用年限内可能遭遇不同等级雷电流的雷击次数。根据某地区的闪电监测资料，统计推算出一、二、三类防雷建筑物可能发生的绕击率和反击率；根据不同土壤特征以及人体重量，提出作用于人体的跨步电压计算及安全性分析；运用电路的方法以及有限元差分法，计算出雷击建筑物时的雷电流分布以及内部磁场强度分布，为敏感电子设备的安全防护措施提供了理论基础。

雷击风险评估； 雷电流累积概率； 绕击率； 反击率； 跨步电压； 雷电流分布； 磁场强度分布

0 引 言

雷电灾害是一种爆发性的自然灾害，其危害随着社会信息化和电子化的发展变得更加明显而广泛。雷电灾害长期不断地威胁人身安全和财产安全并危害公共服务和文化遗产[1]。灾害是一种风险，防治灾害就是管理和降低或者消除风险。为此，需要正确认识和评估风险，对于雷电灾害来讲，就是开展雷击风险评估，进而实施合理的雷电防护。科学合理的雷击风险评估能有效降低雷电灾害发生的频率，能适应于各种场合，从而能更好地指导防雷设计和施工，以最小的投入达到最好防雷保护。我国现行的雷击风险评估标准中，对雷击风险因子的评估手段较为单一，计算方法较为笼统，不具针对性。

著名的防雷专家Peter Hasse[2]在DIN VDE 0815中提出了不同的接闪模型下，LPS的保护规格以及LEMP的保护方式，提出了建筑物的保护等级与保护效率之间的关系。Bouquegneau[3]总结了目前主要风险评估方法的优缺点，提出了雷击风险评估应该如何因地制宜。在国内，雷电灾害风险评估的成果主要来自雷击风险评估和QX3-2000等标准。我国的GB/T21714-2008等同采用IEC62305:2006, 作为现行的建筑物雷电风险评估的标准。QX3-2000是气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范，其适用范围是雷击电磁脉冲(LEMP)对气象信息系统造成损失的风险评估。此外，杨仲江副教授[4]通过对参数和公式的修改，将只适用于建筑物雷电风险评估的IEC62305很好地运用到露天变电站、热电站、油田等情况复杂的场所，并得到了一系列实践性很强的特定场所风险评估方法。钟万强[5]根据风险程度的不同以及雷电灾害统计的区域性，在风险评估计算中引入风险权重因子ω、地区因子Kp和行业因子Kv。王学良等先后统计分析了武汉地区云地闪电时空分布特征，并根据该特征和经验公式提出了针对湖北地区的雷电流幅值概率分布以及根据闪电监测资料推算出的项目区域的绕击率和反击率。

本文在国内外学者的研究基础上，运用统计分析、原理计算、软件仿真等方法，提出一种精细化雷击风险评估方法，重点解决风险值概率的计算方法，为开展雷击风险评估工作提供了可靠的理论依据。

1 雷电流幅值累积概率、绕击率和反击率风险

雷电流幅值的累积概率分布一直是国内外防雷界非常重视的雷电参数之一，在绕击和反击防雷计算中占据十分重要的位置。我国现行的雷击风险评估标准GB/T21714-2008中没有给出雷电流幅值的累积概率分布公式，这对于地区内的绕击率和反击率存在很大的误差。由于各个地区的雷电流幅值概率分布不同，因此有必要总结出针对某个地区的雷电流幅值的累积概率分布公式，便于精确计算地区内发生绕击和反击的概率，得出相应的风险概率值。

1.1 雷电流幅值的累积概率

根据某地区近3年的闪电监测资料，绘制出大于某一雷电流幅值的累积概率(见图1)。

文献[6-7]给出的Anderson根据Berger实测数据提出的雷电流幅值分布公式：

式中:P为大于某一雷电流幅值的累积概率(%)；I为雷电幅值电流(kA)；a为中值电流，即雷电流幅值大于a的概率为50%；b(b>1)为雷电流幅值累积概率曲线拟合指数，体现曲线变化程度，相当于曲线斜率的绝对值，b值越大表示幅值概率曲线下降程度越快，电流幅值集中性越强。经统计分析，当a=29.2，b=3.4时，根据雷电流幅值分布公式计算，绘制图1中的“拟合曲线”；从图1可以看出，拟合曲线与实际监测曲线基本相同，实测值与计算值相关系数高达0.999 98。因此，在实际防雷工程设计中，可根据方程：

求出某地区大于某雷电流幅值的累积概率。

图1 雷电流幅值的累积概率

根据某地区闪电监测数据，建构筑物未来70～100年内可能遭遇不同等级雷电流的雷击次数可按照以下方法计算：

雷击次数=雷击密度(次/km2·a)×(70～100)(年)×面积(km2)×雷电流累积率

该公式计算得出的结果反映某一建构筑物在其使用年限内遭受不同等级雷电流的雷击次数，有效反映了该建构筑物遭受雷击的风险概率。

1.2 绕击率和反击率计算

根据《建筑物防雷设计规范》[8]中的有关规定和提供的电气-几何模型：

hr=10I0.65

式中,hr为雷闪的最后闪络距离(击距)，也可规定为滚球半径；I是指与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值(kA)，即比该雷电流小的雷电流可能击到被保护的空间。

根据电气-几何模型公式可以计算出第一、第二、第三类防雷建筑物所对应的得到保护的最小雷电流幅值分别是5.4、10.1和15.8 kA。也就是说，当雷电流幅值小于上述幅值时，在接闪器保护范围内被保护物体，有可能遭受直击雷的危害。统计某地区闪电资料显示，雷电流幅值小于5.4、10.1和15.8 kA的概率分别是1.3%、3.3%和11.5%。由表1可知，某地区建筑物直击雷保护范围按照一、二、三类防雷类别设计时，可能会有1.3%、3.3%和11.5%的绕击率发生。对于特别重要的场所，如需提高直击雷防护效率，在直击雷防护保护范围计算时，可以根据需要减小滚球半径hr值，以进一步减小绕击率。

表1 不同防雷范围内的绕击率与反击率

根据《建筑物防雷设计规范》中的有关规定，安全距离按电阻电压降和电感电压降相应求出的距离相加而得。地上部分的安全距离为：

式中：Sa为地上部分安全距离(m)；I为雷电流幅值(kA)；Ri为接地装置的冲击接地电阻(Ω)；ER为电阻电压降的空气击穿强度(kV/m)，取值为500 kV/m；L0为为引下线或接闪杆的单位长度电感(μH/m)；取值为1.5 μH/m；hx为被保护物或计算点的高度(m)；di/dt为雷电流陡度(kA/μs)；EL为电感电压降的空气击穿强度(kV/m)，其值为EL=600(1+1/T)(kV/m)，T1为雷电流波形波头时间(μs)。

根据地上部分的安全距离公式，就可推导出不同防雷类别建筑物的地上和地下的安全距离Sa和Se1(其中Se1=IRi/ER)，但是如果雷电流幅值大于200、150和100 kA时，首次雷击电流幅值所对应的防雷类别的地上和地下的安全距离要求将会发生变化，此时按照《建筑物防雷设计规范》进行安全距离设计，将有不同程度的反击风险发生。从表1可见，当雷电流幅值大于200、150和100 kA时，某地区第一、第二、第三类防雷建筑物反击率分别在0.1%、0.2%、1.6%。

2 跨步电压计算及安全性风险

我国现行雷击风险评估标准中只提及了跨步电压的基本概念，而未对其计算公式进行研究，作用于人体的安全值也无从考证。根据IEEE Std80-2000中提出由IEEE公式外推决定的体重为50 kg和70 kg人体允许雷电流为18.34 A和24.82 A。

根据文献[9]，对跨步电压的计算公式进行简化，采用简化计算法和Thapar计算法两种方法计算。

2.1 最大跨步电压计算公式(简化计算法)

Ek=(1.5-α)×

以上为方形地网计算公式，若为矩形地网或其它不规则地网，则n值取：

式中：L为地网接地总长度(m)；Lj为地网周边总长度(m)；

2.2 Thapar公式计算不规则地网的跨步电压

Ki=0.644+0.148n

式中：ρ为土壤电阻率，Ω·m；I为流过接地极的最大电流，A；h为接地体埋深，m；D为平行导体间距，m；n为接地网单方向平行导体数；L为接地电网总长，m。

对于不规则地网：

式中：Lj为接地网周长，m；S为接地网面积，m2；Lx为接地网沿x方向的最大长度m；Ly为接地网沿y方向的最大长度m；Dm为接地网最大对角线长度，m。

2.3 作用于人体的跨步电压计算

分别考虑建筑物周围为土壤、混凝土、潮湿的混凝土、硕石或沥青混凝土、积水，人体重量在50、70 kg情况下，人体所能承受的最大跨步电压值。以此来作为人体遭受跨步电压的危险性分析。

(1) 建筑物周围为土壤时，

式中：Rb为人体电阻，取Rb=1.0 kΩ和1.5 kΩ两种；ρ为土壤电阻率。

(2) 建筑物周围敷设混凝土时，

式中：ρS为上层混凝土电阻率，干燥时，取ρS=2.0 kΩ·m；

ρ为下层土壤电阻率Ω·m；D为混凝土厚度。

(3) 建筑物周围敷设混凝土，但混凝土湿润潮湿时，ρS=100 Ω·m(或50～200 Ω·m)。

(4) 建筑物周围敷设硕石或沥青混凝土时，ρS=5.0 Ω·m。

(5) 建筑物周围积水时，Uk=Ek。

当人体重量分别为50、70 kg时，人体的安全电流为：

人体承受的最大跨步电压为

在进行工频电压安全设计计算时，人体电阻一般取1.0～1.5 Ω，在雷电流冲击下，人体电阻在不同幅值和频率时，呈现不同的值，根据“频率增加电阻阻抗减少，电流增加及肤阻抗下降”的研究试验，美国IEEE观点，雷电流冲击情况下，人体冲击电阻在300～500 Ω范围。

3 敏感电子设备受电磁干扰风险

3.1 雷电流分布计算

现代建筑物的防雷设计，多利用建筑体内结构钢筋的相互联接形成暗装的笼式接闪网，以此作为雷电流的接闪、分流和接地系统。当建筑物遭受直接雷击时，强大的雷电流将沿此系统中各个分支导体泄流入地，并且在建筑物内产生强烈的电磁现象，这对于信号水平较低的电子系统的正常工作及室内人员的安全构成直接的影响。因此，金属构架中雷电流分布的数值分析具有十分重要的现实意义。雷电流分布特性的研究可以为敏感电子设备遭受雷击的风险计算提供有效的理论依据。

传统计算雷电流分布的方法是将保护系统按一定的原则进行分段，每段导体以耦合π型电路来等效[10-17]，将整个防直击雷系统转化为仅含RLC的等效网络，然后利用EMTP程序求解。由于该方法中对EMTP程序的使用较为繁琐，输入格式比较复杂，对于大型的电路更容易出错。因此本文中运用电路的基本定律，采用将雷电流在不同频率下的频域解转换为时域解的计算方法，自行编制了相应的电磁暂态计算程序并形成雷电流分布计算软件。该软件在Solidworks三维机械绘图软件的基础平台上加入了雷击分流模块，能够快速完成建筑物三维模型的建立，同时输入雷电流参数及雷击点位置就能准确的计算出每一段导体的雷电流分布特性。图2为一简单框架结构的模型图，表2为各分支导体上的雷电流分布情况。

如图2所示，该框架结构每根钢筋直径为8 mm，框架结构的长、宽、高均为2 m，两层结构。注入的雷电流幅值为10 kA，波形为10/350 μs，边角注入。如表2所示，运用软件得出的计算结果与用传统的计算方法EMTP程序得出的结果非常接近，验证了该软件的可行性。

图2 简单框架结构模型

分支编号12345678计算值/%24.2820.4624.2831.020.6515.3820.6543.33EMTP计算值/%23.421.223.432.021.216.321.243.3

3.2 内部磁场强度分布计算

在计算出雷击建筑物时各段导体中的雷电流分布特性的基础上，进一步研究建筑物内部磁场强度分布特性，为敏感电子设备的屏蔽防护措施提出指导性的意见。利用加拿大三维电磁暂态仿真计算软件(简称IES)，导入并处理建筑物三维模型后，将计算得出的雷电流分布值附入各段导体后，设置雷电流参数值，最终计算得出空间磁场强度分布特征。该软件采用有限差分方法求出空间任一点磁场强度的数值解。图3为导入并处理后的建筑物三维模型图。设置雷电流波形为10/350 μs，幅值为150 kA，雷击楼顶一拐角处。

图3 建筑物三维模型

如图4所示，仿真计算结果为第一层1 m高处的磁场强度分布情况。明显得出雷击点正下方的磁场强度最大，且分布极不均匀，而中间以及对角线附近的磁场强度分布较均匀。图5为利用Matlab进行差值处理后的效果图。根据每层磁场强度的分布特性，可以为敏感电子设备的抗干扰防护措施提供了依据。

4 结 语

本文简述了雷击风险评估的几大研究进展，着重从雷电流幅值的累积概率、绕击率、反击率、跨步电压计算及安全性分析、雷击建筑物时雷电流及内部磁场分布这几大方面着手，深入研究并总结归纳出相对应的影响因子评估方法。参考国内外学术文献，融入新元素后，形成一套较完善的雷击风险评估体系。为开展雷击风险评估工作以及防雷工程设计、施工提供了理论依据。

图4 第1层1 m高处的磁场强度分布

图5 差值处理后的效果图

[1] 黄崇福. 自然灾害基本定义的探讨[J]. 自然灾害学报, 2009, 18(5): 10-12.

[2] Peter Hasse. 低压系统防雷保护[M]. 北京: 中国电力出版社,2005: 356.

[3] Bouquegneau C, Lecomte P， Coquelet F. A New Useful Software to Assess the Lightning Risk[C]∥Preprint Proceedings of the 11th Annual Meeting of China Association for Science and Technology China International Forum on Lightning Protection and Disaster Mitigation. 2009: 50-54.

[4] 杨仲江. 雷电灾害风险评估与管理基础[M]. 北京: 气象出版社, 2009: 90-120.

[5] 钟万强. 雷电灾害风险评估的参数研究与模型设计[D]. 南京：南京气象学院, 2004: 10-12.

[6] 王学良. 武汉地区云地闪电特征及防护效率研究[J]. 气象科技, 2010, 38(6): 805-809.

[7] 陈家宏, 童雪芳, 谷山强，等. 雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征[J]. 高电压技术, 2008， 34(9): 1893-1897.

[8] GB50057-2010, 建筑物防雷设计规范[M]. 北京: 中国计划出版社, 2011：20-30.

[9] 王洪泽. 任意形状接地网最大接触电位差的计算[J]. 电力建设, 2001,22(4):29-32.

[10] 戴传友. 雷击金属结构物时近区磁场分布的研究[D]. 武汉：武汉水利电力大学, 1998: 10.

[11] 张小青. 高层建筑钢筋结构体雷电暂态计算模型[J]. 中国电机工程学报, 1996,16(5): 306-311.

[12] 李清泉. 袁 鹏, 李彦明. 雷击建筑物时的雷电流分布研究[J]. 中国电力, 2002, 35(7): 52-55.

[13] 林福昌, 姚宗干, 蒋政龙. 雷击建筑物时电流分布的计算[J]. 高电压技术, 1998,24(1): 56-58.

[14] 郭福雁. 智能建筑的雷击影响分析与防雷系统工程关键问题的研究[D]. 天津：天津大学, 2006: 14-16.

[15] 杨金军. 雷电直击时结构近区电磁环境仿真算法研究及其系统开发[D]. 武汉：华中科技大学, 2012: 28-38.

[16] Cortina R, Porrino A. Calculation of impulse current distribution and magnetic fields in lighting protection structures A computer program and its laboratory validation[J]. IEEE trans on Magnetics, 1992, 28(2):1134-1137.

[17] Del Vecchio P, Geri A, Veca G m. Calculation of lightning’s EM effects on surrounding structure[J]. IEEE Trans on Magnetics, 1988; 24(6):2697-2699.

A Study on the Refinement Method for the Assessment of Lightning Hazards

CHAIJian，WANGXue-liang

(Hubei Lightning Protection Center, Wuhan 430074, China)

A method of multiple risk factors is proposed by using statistical analysis in this paper. Calculation principle and software simulation method are given based on the standard GB/T21714-2008 which is current state standard for lightning risk assessment. Firstly, the cumulative probability distribution of lightning current magnitude formula is proposed, and calculated different levels of lightning current for the buildings which may encounter in the period of next 70-100 years using lightning frequency. Secondly, the shielding failure rate and the counterattack rate may occur simultaneously, the two and the three of lightning protection buildings are presented based on the lightning monitoring data in a certain region. Thirdly, according to the different characteristics of soil and the body weight, the analysis of step voltage calculation and safety are put forward in human body. Finally, it can calculate the lightning current distribution and the internal magnetic field intensity distribution by the circuit method and finite element difference method when a building is stroked by a lightning, it provides the theoretical basis for the measures of safety protection of sensitive electronic equipment. From the above research, it improves the accuracy and integrity of the lightning risk assessment, and has certain guidance to the development of lightning risk assessment.

assessment of lightning hazards; cumulative probability; shielding failure rate; counterattack rate; step voltage; lightning current distribution; magnetic field intensity distribution

2014-04-10

柴 健(1986-)，男，江苏南通人，硕士，助理工程师，研究方向：雷电防护技术。Tel.：15071195825；E-mail：haimencj@126.com

X 913

A

1006-7167(2015)01-0284-05