基于闪电数据的雷击建筑物物理损害概率研究

吴 量，向清才，陆华静

(1.河池市气象局，广西河池 547000；2.都安县气象局，广西都安 530700)

当雷电击中建筑物时，强大的电流、炙热的高温会导致建筑的物理性损害，为有效地防御和减轻灾害的发生，已有一些学者根据各地雷电活动情况开展了雷击建筑物物理损害概率研究，彭国平等[1]利用建筑物附近一定范围内的雷电监测网资料，基于统计得到雷电流概率分布函数,计算得到雷击建筑物物理损害概率(PB)。李家启[2]基于重庆地区的闪电定位系统监测地闪资料，采用IEEE工作组推荐的雷电流幅值累积概率公式实现对该地区的雷击建筑物绕击率区划。当前开展的研究虽然已经考虑雷击电流特性对PB的影响[3-4]，但是未将建筑物、接闪器的特性纳入计算中，鉴于之前研究工作的局限性，基于河池市2010年1月—2017年12月闪电监测数据，利用雷电击中建筑物的EGM模型[5-6]，计算得到适合当地的针对不同接闪器、建筑物的PB值，以期为所辖区域的雷电防护业务提供参考。

1 雷电击中建筑物的EGM模型

EGM模型是根据击距法进行计算的。所谓击距，就是雷云对地面上的建筑物发生雷击之前，由雷云向地面发展的雷电流先导头至建筑物雷击点之间的距离。图1中，H为被保护建筑物高度，H2为安装在建筑物上的接闪器高度,d为接闪装置与建筑物需保护范围边缘的距离，CE弧、EF弧为分别以B、A为圆心，击距R为半径的圆弧。CD为离地面高度为H的直线，当雷电流先导沿路径①侵入圆弧EF时，闪电将击中接闪器A；当雷电流先导沿路径②侵入圆弧CE时，闪电将击中建筑物；当雷电流先导沿路径③侵入圆弧CD时，闪电将击中地面或地面物体。当击距R增大，EF弧将变大，CD位置越来越高，CE弧将变小。当R增大到某个临界值Rm时(图2)，CE弧将变为一个点K，此时E点、C点和K点重合。

图1 EGM模型

图2 极端情况下的EGM模型

由图2中的几何关系可以得到[1]

(1)

将得到极端情况下的Rm表达公式(1)带入到击距与雷电流幅值的关系公式[2]中

R=10I0.65，

(2)

R为击距(m)，I为雷电流幅值(kA)。得到有可能击中建筑物的雷电流Im与建筑物、接闪器特性参数H、H2、d的关系为

(3)

2 雷电流幅值累积概率分布

国内外使用的雷电流幅值累积概率分布表达式不同[7]，其中美国电气与电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers， IEEE)1243号标准(1997年)[8]推荐的雷电流累积频率分布计算式应用较为广泛，即

(4)

式中，I∈(2，200)kA，P为大于某一雷电流幅值的累积频率(%)，a为中值电流，即雷电流幅值大于a的频率为50%；b(b>1)为雷电流幅值累积频率曲线拟合指数，体现曲线变化程度，相当于曲线斜率的绝对值，b值越大表示幅值频率曲线下降程度越快、电流幅值集中性越强[7]。

采用IEEE推荐的公式对河池市地闪监测资料的雷电流幅值I∈(2，200)kA进行拟合，得到雷电流幅值累积概率表达式

(5)

拟合相似度为0.998。

3 PB计算

将Im表达式代入公式(5)中，即可得到雷电电流I>Im的发生概率

(6)

根据EGM理论，小于Im的雷电流有可能绕过防雷装置击中建筑物。Pm为雷电流大于Im的概率，则1-Pm为雷电流小于Im的概率PB。根据以上分析，得到雷击建筑物物理损害概率与建筑物、接闪器特性参数H、H2、d的关系

(7)

假设接闪装置与建筑物需保护范围边缘距离d为5 m。根据以上公式，绘制雷击建筑物物理损害概率PB与建筑物、接闪器特性参数H、H2、d的关系如图3所示。由图3可知，在d为某一固定值时，PB是随H和H2呈非线性变化的；当d、H2为某一固定值时，PB随H增加而明显增大；当d、H为某一固定值时，PB随H2增加并没有明显变化。

将PB计算公式应用到河池市一些新建建筑物的雷击风险参数评估中(表1)发现，EGM算法

的PB值与国际电工委员会提出的评估标准IEC 62305推荐的参考值并不相同。究其原因，EGM算法的PB结果是根据建筑物、接闪器的特性计算接闪装置能够保护的最小雷电流幅值，然后由实测的闪电数据拟合得到雷电流幅值累积概率分布，最后计算小于最小雷电流幅值的雷电流概率值。而IEC标准对最小雷电流幅值的取值是依据建筑物的雷电防护等级LPL(分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级)，雷电流幅值累积概率是根据CIGRE(国际大电网会议)报告获得的雷电流参数值计算得到[9]，因此IEC 62305推荐的PB是按照建筑物的雷电防护等级而取值，两种方法相比较使用EGM算法计算得到的PB更具有准确性。

图3 PB值与建筑物、接闪器高度关系(d=5 m)

表1 河池市新建建筑物使用EGM算法得到PB与IEC 62305推荐PB比较

注：接闪器高度为屋面女儿墙高度(1.5 m)、接闪杆长度(0.4 m)及支撑架高度(0.15 m)之和

4 基于EGM模型的雷击建筑物物理损害概率区划

由以上分析可知，在建筑物、接闪器特性参数相同情况下，雷电流幅值累积概率分布是影响参数PB准确性的重要因素。将河池市按0.1°×0.1°间隔分成29×23个网格进行雷电流幅值累积概率分析，将建筑物、接闪器特性参数H、H2、d带入PB计算公式，基于GIS软件的克里金插值方法[10]得到PB区划结果(图4)。从图4可以看出，河池市雷击建筑物物理损害概率总体呈现东南向西北逐渐减小的趋势，其中罗城、宜州、都安和大化4县大部分的PB>0.891，该区域内涉及建筑物的防雷设计、施工均应注意提高防护措施。此外，在环江、金城江、凤山等县的部分地区PB也为高值区，也应提高相应的防护技术措施，保障建筑防雷安全。

H=78.0 m；H2=2.05 m；d=1.0 m图4 河池市雷击建筑物物理损害概率区划

为了进一步探究在建筑物、接闪器特性参数相同情况下，雷电流幅值对PB分布的影响，对河池市29×23个格点中的雷电流幅值按每隔10 kA统计该幅值区间的闪电频次占总闪频次的比值，结果得到10～40 kA强度闪电频次分布与PB分布呈明显正相关(图5)，相关系数为0.96，即由于10～40 kA强度闪电多发生在罗城、宜州、都安和大化，以及环江、金城江、凤山等县的部分地区，因此造成该地区的PB为高值。

图5 河池市10～40 kA强度闪电占总闪频次比值分布

5 结论

基于河池市闪电定位资料，利用雷电击中建筑物的EGM模型，对雷击建筑物物理损害概率(PB)与建筑物、接闪器特性关系进行分析，得到如下结论。

(1)当接闪装置与建筑物需保护范围边缘距离为某一固定值时，PB随建筑物高度和接闪器高度变化呈非线性变化；当接闪装置与建筑物需保护范围边缘距离、接闪器高度为某一固定值时，PB随建筑物高度增加而明显增大；当接闪装置与建筑物需保护范围边缘距离、建筑物高度为某一固定值时，PB随接闪器高度增加并没有明显变化。因此,基于EGM模型计算得到的PB更具有科学、准确性，能够更严格的估计雷电灾害的危险程度。

(2)在建筑物、接闪器特性参数相同的情况下，河池市雷击建筑物物理损害概率呈现东南向西北逐渐减小的趋势，这与10～40 kA强度闪电多发生在东南部有关，PB大值区域应提高相应的防雷技术措施。