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（嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314050）

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雷擊風險評估在防雷設計中的作用分析

牛萍田德寶蔣煥宇屠周益

（嘉興市氣象局，浙江 嘉興 314050）

摘要雷擊風險評估是以實現系統防雷為目的，運用科學的原理和方法，對系統可能遭受雷擊的概率及雷擊產生后果的嚴重程度進行分析計算，提出相應防護措施的評估過程。文章以教學樓雷擊風險評估為實例，分析了雷擊風險評估在防雷設計中的作用。結果表明，雷擊風險評估是確定雷電防護水平非常重要的環(huán)節(jié)，使電涌保護器（SPD）的選擇更加科學合理，評估結論的合理利用可以使防雷設計建立在科學的基礎之上，避免盲目性，保證防雷工程安全可靠、技術先進、經濟合理。

關鍵詞：雷電災害；風險評估；防雷設計；電涌保護器

隨著我國現代化建設速度的迅速發(fā)展，各種電子設備和大規(guī)模集成電路被廣泛應用于現代建筑中，由于其抗干擾能力弱，雷擊電磁脈沖易引發(fā)系統損壞或錯誤運行，造成人身傷亡和財產損失。隨著大型建設工程、重點工程、爆炸和火災危險環(huán)境、人員密集場所、電力供電設施等的迅速增加使雷電災害造成的損失也呈現出愈來愈嚴重的趨勢，面對日益嚴重的雷電災害，科學合理的雷電防護措施就顯的尤為重要。

災害是一種風險，防治災害就是管理并降低或者消除風險[1]。因此，要正確的認識和評估風險，開展雷擊風險評估是防止和減少雷電災害損失的重要手段，也是進行科學合理雷電防護的必要前提[2]。近年來，很多學者對諸如加油站[3]、山地旅游景區(qū)[4]等各個領域不同使用性質的防護對象就雷擊風險評估進行了大量的研究，為防雷減災工作提供了一定的借鑒。

1　雷擊風險評估概述

通過研究雷電災害機制表明，雷電流是造成損害的根本原因。根據雷擊點的位置不同（S1—S4），雷電流造成的基本損害類型也不同，不同類型的損害，都會使被保護對象產生不同的損失后果。根據被保護對象的重要性、使用性質及其內存物品等特性，雷擊可能出現的損失類型有人身傷亡損失（L1）、公眾服務損失（L2）、文化遺產損失（L3）、經濟損失（L4），對應的風險有人身傷亡損失風險（R1）、公眾服務損失風險（R2）、文化遺產損失風險（R3）、經濟損失風險（R4）。不同損害類型產生的損失和風險如圖1所示。

圖1　不同損害類型產生的損失和風險

不同的風險值R，都是由不同的風險分量RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ組成，各風險分量用一般式表示為

式中，NX雷擊次數；PX損害概率；LX損失量。

2　雷擊風險評估在防雷設計中的作用

GB 50057—2010[6]第1.0.1條指出：“為使建（構）筑物防雷設計因地制宜地采取防雷措施，防止或減少雷擊建（構）筑物所發(fā)生的人身傷亡和文物、財產損失，以及雷擊電磁脈沖所引發(fā)的電氣和電子系統損壞或錯誤運行，做到安全可靠、技術先進、經濟合理，制定本規(guī)范”。如何實現安全、技術、經濟間的權衡，進行雷擊風險評估則是最有效的解決手段。下面以某擬建教學樓為例，通過對其進行雷擊風險評估，來確定教學樓的雷電防護等級和SPD參數的選擇，闡述雷擊風險評估在防雷設計中的作用。

2.1雷擊風險評估案例

該擬建教學樓位于嘉興市城郊結合處，項目所在地地勢平坦、土壤濕潤、土質良好。根據嘉興市近年來雷暴日及閃電觀測資料顯示，3—9月份是全年雷電主要發(fā)生期，7—8月份是雷電高發(fā)期，也是雷電災害發(fā)生的主要集中期。

教學樓所處地域較為空曠，周圍無其他較高建筑，且校區(qū)周邊有輸電桿塔及架空線路，這些都增加了教學樓遭受雷擊的概率，加之教學樓為人員密集場所，因此在防雷設計前對其進行雷擊風險評估是非常有必要的。

1）教學樓雷擊損害成因分析

雷電流造成教學樓損害的成因有：

（1）直接雷擊教學樓時，在距離教學樓3m范圍內，因接觸和跨步電壓可能造成人員傷害。

（2）直接雷擊教學樓時，教學樓內因危險火花放電觸發(fā)火災引起物理損害。

（3）雷擊入戶線路時，雷電流沿入戶線路侵入教學樓內因接觸電壓造成人員傷害。

（4）雷擊入戶線路時，因雷電流沿入戶線路侵入教學樓，在入口處入戶設施與其他金屬部件產生危險火花放電而引發(fā)火災造成物理損害。

因此，教學樓存在的雷擊損失風險有人身傷亡損失風險（R1）和經濟損失風險（R4），不存在公眾服務損失風險（R2）及文物損失風險（R3）。下面主要針對人身傷亡損失風險R1進行計算。

2）教學樓雷擊風險評估

（1）教學樓數據及特性

根據初步設計，該教學樓未采取任何防雷保護措施，故PB=0.1，項目所在地區(qū)年平均雷暴日為Td=40，其余參數詳見表1。

表1　教學樓特性

（2）線路及其相連內部系統的數據和特性

該教學樓電源線路由校區(qū)配電房引出，線路穿鋼管埋地敷設，但兩端未進行接地處理；校園廣播線路從已建教學樓引出，線路敷設方式與電源線路相同；教學樓通信采用光纖引入，在光纖轉換器前端將金屬加強筋和鎧裝層做可靠接地時，雷電流對其造成的損失率可忽略不計。線路及其相連內部系統的數據和特性見表2。

表2　線路及其相連內部系統數據及特性

（3）區(qū)域劃分及其特性

考慮到教學樓入口和教學樓內部地表類型不同、教師辦公區(qū)內的損失率LX比教學區(qū)的損失率小等因素，將教學樓劃分為以下主要區(qū)域：Z1（入口處）；Z2（教學區(qū)）；Z3（辦公區(qū)），各區(qū)特性見表3。

表3　Z1—Z3區(qū)特性

（4）教學樓雷擊風險評估計算

根據以上評估參數，計算教學樓及其引入線路的截收閃電面積（見表4）、預計年危險事件次數（見表5）、各區(qū)風險分量值（見表6）。

教學樓人身傷亡損失總風險為R1=7.0548×10?5高于風險容許值RT=10?5，故需采取防護措施，使人身傷亡損失風險R1控制在風險容許值RT以下。

3）教學樓雷擊風險評估結論

教學樓人身傷亡損失風險R1高于風險容許值RT，需對建筑物采取雷電防護措施。根據表6，風險主要集中在Z2區(qū)的RB分量、RV(R)分量上。因此，針對各主要風險分量，可采取以下任何一種防護措施：

表4　教學樓和引入線路的截收面積

表5　教學樓和線路的年平均雷擊危險事件次數

表6　各區(qū)風險分量值

（1）安裝Ⅳ類LPS，以減少分量RB，在校園廣播入戶線路上安裝防雷級別為Ⅳ級SPD，以減小分量RV。在教學區(qū)域安裝自動噴淋、火災自動報警系統，以減小該區(qū)的風險RB和RV。該LPS無格柵形空間屏蔽特性。

（2）安裝Ⅳ類LPS，以減少分量RB，在校園廣播線路和通信線路入戶處安裝防雷級別為Ⅳ級SPD，以減小RV。該LPS無格柵形空間屏蔽特性。

（3）安裝Ⅳ類LPS，以減少分量RB，在校園廣播線路和電力線路入戶處安裝防雷級別為Ⅳ級SPD，以減小RV。該LPS無格柵形空間屏蔽特性。

通過計算，上述任何一種或多種聯合防護措施均可以將人身傷亡損失風險R1控制在風險容許值RT=10?5以下。因此，在防雷設計時可結合技術和經濟條件合理性選擇具體的防護方案。

2.2雷擊風險評估在防雷設計中的作用分析

通過上述教學樓雷擊風險評估的實例分析可知，雷擊風險評估在防雷設計中起到至關重要的作用，具體表現如下。

1）雷電防護等級的確定

（1）雷擊風險評估是根據被保護物的參數、選址、總體布局、功能分區(qū)等，結合當地的雷電資料、現場勘察情況，對雷電可能導致的人員傷亡、財產損失程度與危害范圍等方面進行的綜合計算分析，確定被保護物的LPS、等電位連接、屏蔽、警示等防護措施，給施工圖的設計者提供科學、經濟、安全的雷電防護建議。如上述教學樓評估結論中安裝Ⅳ類LPS，LPS具體措施又包括接閃器、引下線、接地裝置等，其詳細技術要求按GB 50057—2010規(guī)定實施。即雷擊風險評估是確定建筑物是否需要采取防護措施，以及采取何種等級的防護措施，是科學防雷的必要前提。

（2）通過雷擊風險評估可以識別各區(qū)域的雷電災害風險源、風險對象和風險主體，明確被保護對象所面臨的各種潛在風險及其特征，為防雷工程的設計提供更加全面、更具有針對性的綜合防護指導意見，避免防雷工程設計的盲目性。如教學樓人身傷亡損失風險主要集中在Z2區(qū)的RB和RV分量上，相應的風險載體主要體現在LPS和SPD上，因此可以針對這兩方面采取有效的防護措施，以降低人身傷亡損失風險，避免在其他方面投入無謂的耗材。

（3）雷擊風險評估在確保安全可靠的基礎上，通過科學分析計算，有針對性的提出多種防護方案，設計者或業(yè)主可結合技術和經濟條件選擇最佳的防護方案。

2）電涌保護器（SPD）參數的選擇

IEC 62305規(guī)定選擇SPD時要考慮電壓保護水平、安裝位置和放電電流，而安裝位置和放電電流由損害源、雷電防護水平等因素確定。首先對建筑物進行雷擊風險評估，分析建筑物是否采取外部防雷裝置、屏蔽、等電位連接等措施，計算各風險分量在風險總量中所占比例，確定建筑物雷電防護水平，分析可能造成損失的主要損害源（雷擊建筑物S1、雷擊建筑物附近S2、雷擊線路S3、雷擊線路附近S4）。不同損害源和雷電防護水平所對應的雷擊過電流浪涌預期值不同[7]，依據建筑物雷電防護水平和損害源等評估結果，分析雷擊過電流浪涌的預期值，確定需安裝SPD放電電流，詳細值見表7。

表7　雷擊過電流浪涌的預期值（以低壓系統為例）

由此可以看出：

（1）通過雷擊風險評估判斷雷電流的主要損害源，進而分析不同損害源及雷電防護水平下雷擊過電流的預期值，由此確定SPD的放電電流，使SPD的參數選擇更加全面客觀。

（2）雷擊風險評估充分考慮了受保護對象的外部防雷裝置和內部防雷裝置等因素對降低雷擊損失風險值的作用，通過分析防護措施對雷電流的分流及泄放作用，進而確定SPD的放電電流，使SPD的選擇更加科學合理。

3　結論

雷擊風險評估是根據建設項目所在區(qū)域的雷電活動資料、地理環(huán)境、土壤性質等因素，結合建設項目的重要性、使用性質、建筑結構、功能分區(qū)等，對雷電可能導致的人身傷亡、財產損失程度與范圍等方面進行的綜合分析計算，為評估對象提供科學的雷電防護措施意見，以實現防雷工程安全可靠、技術先進、經濟合理。雷擊風險評估是開展綜合防雷的重要程序，也是實現科學防雷的必要條件，體現了預防為主，防治結合的防雷理念。雷擊風險評估在防雷設計中的作用可簡單歸納為以下幾點：

1）雷擊風險評估是保證防雷設計安全可靠、技術先進、經濟合理的重要環(huán)節(jié)。

2）雷擊風險評估是系統性防雷和區(qū)域性防雷的技術支撐，是準確定位雷電防護等級及合理設計防雷工程技術方案的必要前提。

3）雷擊風險評估是有針對性的采取最有效的或者最好的風險處理措施，即雷擊風險評估是選擇最恰當防護措施的準則，對防雷減災工作具有重要指導意義。

4）雷擊風險評估使綜合防雷中具體防護措施（如SPD相關參數）選擇更加科學合理。

參考文獻

[1] 馬民書. 風險論[M]. 北京: 蘭州大學出版社, 2000.

[2] 楊仲江, 盧燕. 熱電廠雷擊風險評估探討與實踐[J].氣象科技, 2007, 35(Z1): 79-84.

[3] 曾慶鋒, 王振會. 小型加油站雷擊風險評估的災害分析及防護對策[J]. 氣象與環(huán)境科學, 2010, 33(1): 89-93.

[4] 馮鶴, 李小龍. 山地旅游景區(qū)雷擊風險評估研究簡[J]. 防災科技學院學報, 2013(4): 75-80.

[5] GB/T 21714.2—2008/IEC 62305-2: 2006. 雷電防護第2部分: 風險管理[S].

[6] GB 50057—2010. 建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[7] GB/T 21714.1—2008/IEC 62305-1: 2006. 雷電防護第1部分: 總則[S].

牛萍（1963-），女，工程師，主要從事防雷技術服務及管理工作。

Analysis on Effects of Lightning Risk Assessment in Lightning Protection Design

Niu PingTian DebaoJiang HuanyuTu Zhouyi
(Jiaxing Meteorological Bureau, Jiaxing, Zhejiang314050)

Abstract To realize system lightning protection, lightning risk assessment mainly investigates the possibility of lightning, analyzes consequent severity with scientific principles and methods, and puts forward corresponding protective measures. A case study on teaching building lightning risk assessment was conducted in this paper, and the contribution of lightning risk assessment to lightning protection design was also discussed. The results suggest that lightning risk assessment is of great significance to determine the lightning protection level, and leads to more scientific selection of surge protection device. appropriate use of assessment conclusion can improve the scientificalness of lightning protection design, and prevent unclear design, and also enable lightning protection engineering to proceed with advanced technology in a safe, reliable, economic and appropriate manner.

Keywords：lightning disaster; risk assessment; lightning protection design; surge protective device

作者簡介