大型户外空旷区域的雷击风险评估研究

黄克俭胡双伟俞家华杜少华

（1.湖北省防雷中心，武汉430074；2.荆州市气象局湖北荆州434000）

1 引言

目前，我国主要依据GB／T21714.2《雷电防护第二部分：风险管理》标准［1］对建筑物的雷击风险进行评估，该标准来源于IEC的雷电风险管理标准，架构合理，考虑全面、仔细，针对性较好，是全面雷击风险评估的恰当方法。但该标准只适应于建筑物的雷击风险评估，对大型户外空旷区域没有给出其相关的具体方法，不少科技工作者［2-18］对不适应于GB／T21714.2《雷电防护第二部分：风险管理》标准范围的评估对象如何评估、该标准中存在的一些问题以及一些特殊场所的防雷等进行了探索性地研究。如张科杰，范宏飞等对大型桥梁雷击风险评估的方法进行了研究；童雪芳，文习山等对天线阵列雷击风险评估与保护方案进行了研究；植耀玲，张欣，杨天琦等对地下建筑物遭受雷击损害的风险因子进行了分析；有以大型户外空旷区域为主体的雷击风险评估研究。然而，如旅游景区、大型广场等大型户外空旷区域存在较大的雷击风险隐患，也屡有雷击伤亡事件发生，为了对大型户外空旷区域更为科学有效地防雷，有必要对大型户外空旷区域的雷击风险评估进行研究分析，找出适合于大型户外空旷区域雷击风险评估的具体方法。

本文通过具体分析大型户外空旷区域存在的雷击风险，参照IEC的雷电风险管理标准［19］中雷击风险计算和参数取值方法，推导出大型户外空旷区域雷击风险评估的定量计算公式，并结合大型户外空旷区域实际情况确定了各参数的取值，为大型户外空旷区域雷击风险评估提供了一种具体的评估方法。

2 大型户外空旷区域雷击风险评估研究

2.1 研究思路

对于旅游景区、大型广场等大型户外空旷区域来说，由于大量人员活动其中，且比较开阔，其主要雷击灾害为人员伤亡损失，虽然与雷击建筑物造成的灾害类型和数量不一样，人员伤亡损失灾害造成的原因也不尽相同，但，从大的方面来分析，其两者的雷击灾害都是由当地的雷电活动特征（即致灾环境的危险性）和大型户外空旷区域或建筑物的特性以及雷电防护情况（即承灾体的脆弱性）这两方面的因数所决定的，因此，大型户外空旷区域雷击风险评估可参照IEC的雷电风险管理标准中风险的通用定量计算公式，结合大型户外空旷区域雷击风险的具体情况，具体分析各类风险分量和确定这些风险分量的各类参数，来进行定量评估。

2.2 大型户外空旷区域雷击风险分析与计算公式

由上述可知，对于旅游景区、大型广场等大型户外空旷区域，主要雷击灾害为人员伤亡损失，为进行定量评估，下面我们具体分析它的雷击人员伤亡损失风险，首先，诸如旅游景区观景平台、大型广场、运动场等户外空旷区域，一般都比较开阔，易发生雷电直接击中人的危险，即使有直击雷防护装置保护，也存在超出直击雷防护装置防护电流之外的雷电绕击致人伤亡的危险。其次，是雷电击中户外空旷区域内或边上的较高物体（诸如直击雷防护装置、照明杆塔、树木等）时，存在因旁侧闪络、接触电压和跨步电压致人员伤亡的危险。

有的旅游景区、大型广场等大型户外空旷区域内或边上有监控、照明等电气和电子系统，

雷电直接击中这些电气和电子系统时因闪络火花造成的人员伤亡的风险非常小，对于人员伤亡风险可不考虑。

综上所述，对于旅游景区、大型广场等大型户外空旷区域，其存在的雷击人员伤亡损失风险为雷电直接击中人员和雷电击中户外空旷区域内或边上的较高物体因旁侧闪络、接触电压和跨步电压致人员伤亡的损失风险。

为了定量分析大型户外空旷区域的雷击风险，我们依据文献［19］给出的通用风险分量基本关系式，将大型户外空旷区域的雷击风险分量RX用下列（1）式表示：

式中：

NX——每年雷击危险事件次数；

PX——损害概率；

LX——每一损害产生的损失率。对于大型户外空旷区域，我们只评估人员伤亡损失，因此，损害概率P为区域内雷击导致人员伤亡的概率，由上述可知，P参数取决于区域内的直击雷防护系统以及旁侧闪络、防接触电压和跨步电压措施。它由雷电直接击中人体导致人员伤亡的概率PB与雷击区域内直击雷防护设施因接触和跨步电压导致人员伤亡的概率PA组成。那么，与之对应的区域内人员伤亡损失率L就由雷击区域内直击雷防护设施因接触和跨步电压导致人员伤亡的损失率LA和雷电直接击中人体导致人员伤亡的损失率LB组成。

那么，依据（1）式，可将大型户外空旷区域的雷击人员伤亡损失风险用下列（2）式计算。

式中：

N——区域内每年雷击危险事件次数；

PB——区域内雷电直接击中人体导致人员伤亡的概率；

PA——雷击区域内较高物体因旁侧闪络、接触和跨步电压导致人员伤亡的概率；

LB——雷电直接击中人体导致人员伤亡的损失率；

LA——雷击区域内较高物体因旁侧闪络、接触和跨步电压导致人员伤亡的损失率。

2.3 各计算参数的取值与分析

下面依据文献［9］中N、P、L参数的取值方法，结合空旷区域的实际情况，对（2）中各参数进行取值与分析。

1）N的取值与分析

对于大型户外空旷区域，区域内每年雷击危险事件次数N参数取决于区域内的雷暴活动以及空旷区域的物理特性。

可按（3）式计算：

式中：NG——雷击大地密度（次／km2／年）；

AD——空旷区域的截收面积（m2）；

CD——空旷区域的位置因子。

雷击大地密度NG是每年每平方公里雷击大地的次数。这个数值可以利用当地闪电定位观测资料得到。也可以作如下估算：

这里Td是年平均雷暴日，可从当地气象部门30年以上的观测资料中统计得出。

空旷区域的截收面积AD，如果空旷区域在同一海拔高度，则，AD就是需评估的空旷区域面积。如果空旷区域在不在同一海拔高度，对于高于基准海拔高度的区域可按在地面上建筑物的截收面积计算方法计算。

空旷区域的位置因子CD，参照文献［9］中位置因子CD的取值方法，对于所处地周边也是同一海拔高度的平坦区域时，CD取值1；对于所处地为小山顶或山丘时，CD取值2；对于所处地周边有其他物体时，CD取值0.5。

2）PA和PB的取值与分析

雷电直接击中人体导致人员伤亡的概率PB取决于区域内的直击雷防护系统，因此，可参照文献［9］中雷击建筑物导致物理损害的概率PB的取值方法，文献［19］中Table B.2中给出了PB的数值，由Table B.2可以看出PB的数值与LPS防雷级别相关，经研究，我们发现文献［19］中雷击建筑物导致物理损害的概率PB的取值是由LPS防雷级别对应的保护雷击电流的累积概率所决定的，也就是说由超出LPS防雷级别保护的最小雷击电流的累积概率与超出LPS防雷级别保护的最大雷击电流的累积概率之和计算而来。

对于大型户外空旷区域来说，雷电直接击中人体是由超出LPS防雷级别保护的最小雷击电流范围的雷击所致，而与超出LPS防雷级别保护的最大雷击电流范围的雷击无关，因此，雷电直接击中人体导致人员伤亡的概率PB只由超出LPS防雷级别保护的最小雷击电流的累积概率计算即可。

依照文献［20］中给出的雷击电流累积概率，计算的雷电直接击中人体导致人员伤亡的概率PB值如下表1。

如果大型户外空旷区域无LPS系统，则只要是在该区域中落雷，就有可能直接击中人体，因此，对于无LPS系统的大型户外空旷区域，PB取1。

如果有当地多年的闪电定位观测资料，可根据当地的闪电定位观测资料雷击电流累积概率直接推导出PB的值。

表1 雷电直接击中人体导致人员伤亡的概率PB与LPS防雷级别（LPL）的关系

雷击区域内较高物体因旁侧闪络、接触和跨步电压导致人员伤亡风险类似于雷击建筑物，致建筑物内或外距离引下线3m的范围内因接触和跨步电压造成的人员伤亡风险，因此，雷击区域内较高物体因旁侧闪络、接触和跨步电压导致人员伤亡的概率PA的取值方法可按照文献［19］中Table B.1的PTA的取值方法取值。

3）LA和LB参数的取值与分析

对于雷击区域内较高物体因旁侧闪络、接触和跨步电压导致人员伤亡的损失率LA，它与人员呆在空旷区域的时间和数量以及区域内的地板或土壤类型有关，则，LA可按文献［19］中的公式C.1取值，按下列（5）式计算。

式中：

rt——由区域内地板或土壤类型决定的减少人身伤亡的因子

LT——一次雷击事件导致受害者遭电击伤害的典型平均相对量

nz——区域内可能受到威胁的人员的数量

nt——区域内预期的总人数

tz——每年人员呆在区域内的小时数

式中的rt可按文献［19］中TableC.3的取值，LT可按文献［19］中TableC.2的取值，取为10-2。tz可参照文献［21］中的基于年雷暴日的量化取值。取为24×Td（Td为当地的年雷暴日），若要更精细化的评估，tz可参照文献［21］中的基于闪电定位资料的量化取值。

对于雷电直接击中人体导致人员伤亡的损失率LB，它与人员呆在空旷区域的时间和数量有关。LB可参照文献［19］中的公式C.1取值，按下列（6）式计算。

式中的参量同（6）式。

由于LB是指雷电直接击中人体导致人员伤亡的损失率，因此，只考虑雷电直接击中人体导致人员伤亡的后果，因此，LB考虑因素只有人员呆在空旷区域的时间和数量，而不考虑区域内地板或土壤类型因子。

2.4 举例分析

设旅游景区有一大型活动平台，方圆为50m×60m的区域，地板为混凝土，所处地周边为同一海拔高度的平坦区域，但有树木覆盖，活动平台周边与树木有大于3米的隔离带，已知该旅游景区所处地的雷暴日为35天。

根据上述的大型户外空旷区域的雷击风险评估方法，该活动平台区域的雷击风险值R可用下列（7）式表示

若用雷暴日参数进行评估，由已知可知：

NG=0.1×Td=3.5，AD=3000，LB=10-2×（35×24）／8760=9.60×10-4，CD=0.5

因活动平台周边与树木有大于3米的隔离带，设活动平台以后所设直击雷防护装置均采取较好的防接触和跨步电压措施，则，PA=0

将上述参数值带入（7）式，得如下（8）式

由于R为人身伤亡损失，其容许值为10-5

则，PB=0.198

依据文献［19］中的Table B.2的PB与LPS防雷级别的关系，当PB=0.198时，应采用Ⅳ类以上的LPS。

因此，最后的评估结论为：若要将该大型活动平台的人身伤亡风险达到标准规定的容许值10-5，应采用Ⅳ类以上的LPS（设计的直击雷防护装置保护范围需按小于60m的滚球半径计算），且所设直击雷防护装置应采取较好的防接触和跨步电压措施。

3 结论

（1）大型户外空旷区域雷击风险评估应按照IEC的雷电风险管理标准中基本方法，根据大型户外空旷区域的具体情况，具体问题具体分析。

（2）大型户外空旷区域雷击风险评估的计算表达式为：R=N×PB×LB﹢N×PA×LA，其主要参数PB应按文中表1中给出的数据取值。

［1］GB/T21714.2：2008，雷电防护第二部分：风险管理［S］.

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