基于闪电定位数据的雷击风险评估精细化研究

2018-08-02范旻琪

湖北农业科学 2018年13期

范旻琪，李政

（湖北省防雷中心，武汉 430074）

雷击风险评估是为了衡量雷击灾害风险而对其做评价与估算的一个过程。最早的雷击风险评估方法来源于国际电工委员会标准IEC61024－1，还有后来的IEC61662，发展到现在运用比较广泛、评估方法比较成熟的是IEC62305（国内同步转译GB／T 21714）。依据IEC62305规定的雷击风险评估计算方法，国内学者结合实际工作情况，对风险评估精细化研究做了很多工作，但主要集中在对计算参数的精细化。如樊荣［1］拟合了雷击风险评估中Pms与Kms的连续关系式。扈海波等［2］把建筑物雷电灾害承灾体划分为3种空间类型，细化了建筑物接收面积Ad、位置因子Cd的计算方法。甘庆辉等［3］利用电气－几何模型，按照绕击的计算方法确定了更合理的Cd取值。王芳等［4］分析了常年雷暴路径对Cd取值的影响。

还有一些学者利用闪电定位预警技术来开展雷击风险评估，如李京校等［5］分析了安装雷电预警设备对雷击风险评估计算结果的影响。陈家宏等［6］利用雷击在线监测技术对输电线路的雷击风险评估方法进行了优化。但是利用闪电定位数据来反映目标建筑物的雷电环境，总结雷电发生规律，再结合建筑物使用特征，从而更精细地计算雷击风险结果的研究目前鲜见报道。本研究主要介绍了采用ADTD系统记录的闪电定位数据代替Td计算Ng的优点和具体方法，以及用闪电定位数据归纳闪电活动规律再结合建筑物的特殊使用性质优化Ng值的方法，以期为这方面研究提供参考。

1 ADTD闪电定位系统的工作原理

ADTD闪电定位系统是由雷击探测仪＋中心数据处理站＋用户数据服务网络＋图形显示终端组成。图1是ADTD闪电定位系统的工作原理，其中实线是雷击点的测量方位角，虚线是方位角测量中的随机误差，实心的交点是方位角矢量的3个不同交叉点所确定的3个可能的雷击点。实心圆是最理想的雷击点位置，是由X2的最小值确定。θi和Ei是未知的方位角以及电场峰值，θmi和Emi是在第i个观测站得到的方位角以及电场峰值。从理论上讲，其核心是通过几个站同时测量闪电回击辐射的电磁场来进行闪电定位，并可以得到闪电位置、发生时间、闪电电流、陡度等数据。

图1 ADTD闪电定位系统工作原理

2 闪电定位数据对Ng的精细化研究

2.1 Td计算 Ng几点不足

雷击风险评估就是评估雷电孕灾环境作用于受灾体造成的雷电灾害后果，雷电孕灾环境也就是灾害源，只有精确地分析孕灾环境才能准确地对灾害后果进行评估［7－10］。《GB/T 21714.2－2015》附录 A 中将反映目标建筑物孕灾环境的参数定义为雷击大地密度 Ng，单位为次 /（km2·a），在温带地区取 Ng=0.1×Td。Td是人工观测年平均雷暴日数。用Td来反映建筑物所在地区的雷电孕灾环境是目前很多标准上的规定，但是它只是在闪电定位系统布点不足，闪电定位数据观测年限不够的情况下采用的替代办法，因为Td参数存在缺陷。①气象部门从2015年开始取消了人工观测雷暴日数Td的业务记录，也就是说Td数据将不再更新。②Td只在气象站里由人工观测并记录，两个相邻的气象站相隔较远，但是据研究人的耳朵能听到的最远雷声距离只有18 km，并且随着城市建设的快速发展及各种干扰因素的影响（噪音、空气污染、观测站环境的恶化等），雷暴日Td越来越不能客观真实地反映实际的雷电环境。③在雷击风险评估计算时Td取的是历史平均值，随着气候变化Td数据变化也很明显，平均值越来越不能反映评估建筑物现有的雷电环境。以湖北省为例，王学良等［11］分析了近52年的湖北省雷暴日数据。结果表明湖北省的雷暴日Td明显减少。

2.2 闪电定位数据计算Ng时的具体要求

用ADTD闪电定位系统监测记录的闪电定位数据来代替Td计算Ng，能更准确地反映评估建筑物的雷电孕灾环境。但具体计算时还有几点要求，《IEC 62858：2015》（目前中国标准化委员会下辖的雷电标准委员会已经成立了工作组对该标准进行同步转译）对使用闪电定位数据计算Ng做了明确的规定。2.2.1 闪电定位网的探测效率《IEC 62858：2015》4.1条要求在使用闪电定位数据计算时，所用的闪电定位数据必须位于闪电定位网的探测效率80%以上区域。图1介绍了ADTD闪电监测系统的工作原理，从中可以看出在定位闪电时，需要多个探测仪同时工作。在湖北省布点的探测仪有14台，按照探测仪的布点位置就决定了有些地区闪电发生时，只有2台探测仪能工作，其他一些地区可能有3台甚至4台探测仪共同工作，这就造成了探测效率的不同。图2是湖北省ADTD系统探测效率分布图，可以看到目前湖北省内大部分地区的探测效率在90%以上，80%以上的探测效率覆盖全省。湖北省气象系统布点的ADTD系统记录的闪电定位数据满足这一要求。

图2 湖北省ADTD系统探测效率分布图

2.2.2 首次回击和后续回击的归闪闪电发生时有首次回击和后续回击，若同时满足后续回击与首次回击的时间间隔小于或等于1 s、位置距离小于或等于10km，后续回击之间的时间间隔小于或等于500ms，应将后续回击和首次回击记为同一次闪电。

2.2.3 最小观测周期为了确保气候变化对雷电参数的短时影响，在计算Ng时取的闪电定位数据应该有足够长的观测周期，至少10年，并且包含最近5年的闪电数据。如：为了满足2016年新建工程雷击风险评估计算需要，取2006－2015年的闪电定位数据计算Ng则符合要求，取2000－2009年的数据则不满足要求。

2.2.4 网格单元大小利用闪电定位数据计算Ng时，应在网格地图中进行，即特定地理边界内所有网格单元组成的网格阵列。那么在网格大小不同时就会影响Ng的精度，所以网格大小应符合下列公式的要求。

式（2）中 Tobs为观测周期，单位为年；Acell为每个网格单元的面积，单位为km2。

湖北省ADTD系统是2006年布点建设，2007年正式开始观测记录的，目前为止有10年的闪电定位数据，依据这10年数据得到图3湖北省2007－2016年闪电密度分布图。用总的闪电数据除以湖北省的面积得到湖北省平均为2.5次/km2·a，按照公式（2）的要求，在计算时采用的网格就可以满足要求，当然在图中平均只有0.5～1.0次/（km2·a）的区域，计算时的网格就需要扩大以满足公式（2）的要求。

图3 湖北省2007－2016年闪电密度分布

3 闪电定位数据优化Ng值

雷击风险评估中将风险类型分为4类：人身伤亡损失风险R1、不可接受的公众服务中断风险R2、无法挽回的文化遗产损失风险R3和经济损失风险R4。各类型的风险计算详见公式（3）：

式（3）中，Nx是危险事件次数，其中建筑物的危险事件次数ND：

式中，Ng为雷击大地密度，单位为次/（km2·a），AD为孤立建筑物的接受面积，CD为建筑物的位置因子。除此之外，标准中还对毗邻建筑物的危险事件次数NDJ，雷击建筑物附近的年平均危险事件数NM，雷击线路的年平均危险事件数NL等做了定义，但是在计算危险事件次数Nx都是基于Ng。所以只要能优化Ng，就可以对雷击风险计算结果进行优化。

3.1 有效 Ng值

在用闪电定位数据优化Ng值时，引入1个新的概念有效 Ng值，定义为 Ng′ 。

式（5）中，Ng′为有效的雷击大地年平均次数，单位为次/（km2·a），Sd为有效作用于建筑物的雷电比例，单位为%。

举例说明有效Ng值的概念，图4是湖北省2007－2015年的闪电月变化分布，从图4中可以看出，湖北省的闪电从每年2月份开始出现，逐月增多，7、8两个月最多，到了9月就开始锐减。其中7、8月的闪电占全年闪电的60%。而像学校这类单位在7、8月正在放暑假，只有少量值班人员活动且绝大部分的设备处于关闭状态，那么在学校进行雷击风险评估时，以去除7、8月闪电的有效Ng值Ng′来计算雷击风险更精确。引入Ng′结合目标建筑物的使用性质可以更精确的计算雷击灾害风险。

图4 2007－2016年湖北省闪电频次月变化分布

3.2 Ng′的计算

公式（5）交代了Ng′的定义和计算方法，在Ng取值一定时，Sd是计算Ng′的关键。计算Sd需要了解目标建筑物的使用性质和利用闪电定位数据归纳的雷电活动特征。图5是2007－2016年湖北省江汉平原闪电频次月变化分布图，对比图4可以发现这两者之间有明显的差别。说明即使在湖北省内，不同区域的闪电活动特征也不同。那么在计算Sd时，该如何确定闪电定位数据的取值范围。范围太小，闪电定位数据样本少，不能真实反映目标建筑物附近的雷电活动规律。范围太大，就会出现图4、图5这种问题。

笔者建议数据周期按照《IEC 62858：2015》4.3条的规定，取10年以上的闪电定位数据，其中必须包含最近5年的数据。范围取目标建筑物半径周围10 km范围数据来归纳闪电活动特征以计算Sd。

图5 2007－2016年湖北省江汉平原闪电频次月变化分布

武汉市的平均Ng大概为3.5次·年/km2，按上述原则取值时，1个目标建筑物附近大概有10 640条闪电定位数据。1万条闪电定位数据能否较好地反映雷电活动规律，针对这一情况本研究取10万条闪电定位数据归纳闪电活动月变化规律。再从这10万条闪电定位数据中，分3次随机抽取1万条闪电定位数据归纳闪电活动规律并和之前10万条数据归纳的活动规律对比（图6）。结果表明，1万条的闪电数据可以较好地反映出目标建筑物的雷电活动规律。