吳 量，向清才，陸華靜

(1.河池市氣象局，廣西河池 547000；2.都安縣氣象局，廣西都安 530700)

當(dāng)雷電擊中建筑物時(shí)，強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫會(huì)導(dǎo)致建筑的物理性損害，為有效地防御和減輕災(zāi)害的發(fā)生，已有一些學(xué)者根據(jù)各地雷電活動(dòng)情況開(kāi)展了雷擊建筑物物理?yè)p害概率研究，彭國(guó)平等[1]利用建筑物附近一定范圍內(nèi)的雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)資料，基于統(tǒng)計(jì)得到雷電流概率分布函數(shù),計(jì)算得到雷擊建筑物物理?yè)p害概率(PB)。李家啟[2]基于重慶地區(qū)的閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)地閃資料，采用IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率公式實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)的雷擊建筑物繞擊率區(qū)劃。當(dāng)前開(kāi)展的研究雖然已經(jīng)考慮雷擊電流特性對(duì)PB的影響[3-4]，但是未將建筑物、接閃器的特性納入計(jì)算中，鑒于之前研究工作的局限性，基于河池市2010年1月—2017年12月閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用雷電擊中建筑物的EGM模型[5-6]，計(jì)算得到適合當(dāng)?shù)氐尼槍?duì)不同接閃器、建筑物的PB值，以期為所轄區(qū)域的雷電防護(hù)業(yè)務(wù)提供參考。

1 雷電擊中建筑物的EGM模型

EGM模型是根據(jù)擊距法進(jìn)行計(jì)算的。所謂擊距，就是雷云對(duì)地面上的建筑物發(fā)生雷擊之前，由雷云向地面發(fā)展的雷電流先導(dǎo)頭至建筑物雷擊點(diǎn)之間的距離。圖1中，H為被保護(hù)建筑物高度，H2為安裝在建筑物上的接閃器高度,d為接閃裝置與建筑物需保護(hù)范圍邊緣的距離，CE弧、EF弧為分別以B、A為圓心，擊距R為半徑的圓弧。CD為離地面高度為H的直線，當(dāng)雷電流先導(dǎo)沿路徑①侵入圓弧EF時(shí)，閃電將擊中接閃器A；當(dāng)雷電流先導(dǎo)沿路徑②侵入圓弧CE時(shí)，閃電將擊中建筑物；當(dāng)雷電流先導(dǎo)沿路徑③侵入圓弧CD時(shí)，閃電將擊中地面或地面物體。當(dāng)擊距R增大，EF弧將變大，CD位置越來(lái)越高，CE弧將變小。當(dāng)R增大到某個(gè)臨界值Rm時(shí)(圖2)，CE弧將變?yōu)橐粋€(gè)點(diǎn)K，此時(shí)E點(diǎn)、C點(diǎn)和K點(diǎn)重合。

圖1 EGM模型

圖2 極端情況下的EGM模型

由圖2中的幾何關(guān)系可以得到[1]

(1)

將得到極端情況下的Rm表達(dá)公式(1)帶入到擊距與雷電流幅值的關(guān)系公式[2]中

R=10I0.65，

(2)

R為擊距(m)，I為雷電流幅值(kA)。得到有可能擊中建筑物的雷電流Im與建筑物、接閃器特性參數(shù)H、H2、d的關(guān)系為

(3)

2 雷電流幅值累積概率分布

國(guó)內(nèi)外使用的雷電流幅值累積概率分布表達(dá)式不同[7]，其中美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(institute of electrical and electronics engineers， IEEE)1243號(hào)標(biāo)準(zhǔn)(1997年)[8]推薦的雷電流累積頻率分布計(jì)算式應(yīng)用較為廣泛，即

(4)

式中，I∈(2，200)kA，P為大于某一雷電流幅值的累積頻率(%)，a為中值電流，即雷電流幅值大于a的頻率為50%；b(b>1)為雷電流幅值累積頻率曲線擬合指數(shù)，體現(xiàn)曲線變化程度，相當(dāng)于曲線斜率的絕對(duì)值，b值越大表示幅值頻率曲線下降程度越快、電流幅值集中性越強(qiáng)[7]。

采用IEEE推薦的公式對(duì)河池市地閃監(jiān)測(cè)資料的雷電流幅值I∈(2，200)kA進(jìn)行擬合，得到雷電流幅值累積概率表達(dá)式

(5)

擬合相似度為0.998。

3 PB計(jì)算

將Im表達(dá)式代入公式(5)中，即可得到雷電電流I>Im的發(fā)生概率

(6)

根據(jù)EGM理論，小于Im的雷電流有可能繞過(guò)防雷裝置擊中建筑物。Pm為雷電流大于Im的概率，則1-Pm為雷電流小于Im的概率PB。根據(jù)以上分析，得到雷擊建筑物物理?yè)p害概率與建筑物、接閃器特性參數(shù)H、H2、d的關(guān)系

(7)

假設(shè)接閃裝置與建筑物需保護(hù)范圍邊緣距離d為5 m。根據(jù)以上公式，繪制雷擊建筑物物理?yè)p害概率PB與建筑物、接閃器特性參數(shù)H、H2、d的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，在d為某一固定值時(shí)，PB是隨H和H2呈非線性變化的；當(dāng)d、H2為某一固定值時(shí)，PB隨H增加而明顯增大；當(dāng)d、H為某一固定值時(shí)，PB隨H2增加并沒(méi)有明顯變化。

將PB計(jì)算公式應(yīng)用到河池市一些新建建筑物的雷擊風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)評(píng)估中(表1)發(fā)現(xiàn)，EGM算法

的PB值與國(guó)際電工委員會(huì)提出的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305推薦的參考值并不相同。究其原因，EGM算法的PB結(jié)果是根據(jù)建筑物、接閃器的特性計(jì)算接閃裝置能夠保護(hù)的最小雷電流幅值，然后由實(shí)測(cè)的閃電數(shù)據(jù)擬合得到雷電流幅值累積概率分布，最后計(jì)算小于最小雷電流幅值的雷電流概率值。而IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最小雷電流幅值的取值是依據(jù)建筑物的雷電防護(hù)等級(jí)LPL(分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)等級(jí))，雷電流幅值累積概率是根據(jù)CIGRE(國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議)報(bào)告獲得的雷電流參數(shù)值計(jì)算得到[9]，因此IEC 62305推薦的PB是按照建筑物的雷電防護(hù)等級(jí)而取值，兩種方法相比較使用EGM算法計(jì)算得到的PB更具有準(zhǔn)確性。

圖3 PB值與建筑物、接閃器高度關(guān)系(d=5 m)

表1 河池市新建建筑物使用EGM算法得到PB與IEC 62305推薦PB比較

注：接閃器高度為屋面女兒墻高度(1.5 m)、接閃桿長(zhǎng)度(0.4 m)及支撐架高度(0.15 m)之和

4 基于EGM模型的雷擊建筑物物理?yè)p害概率區(qū)劃

由以上分析可知，在建筑物、接閃器特性參數(shù)相同情況下，雷電流幅值累積概率分布是影響參數(shù)PB準(zhǔn)確性的重要因素。將河池市按0.1°×0.1°間隔分成29×23個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行雷電流幅值累積概率分析，將建筑物、接閃器特性參數(shù)H、H2、d帶入PB計(jì)算公式，基于GIS軟件的克里金插值方法[10]得到PB區(qū)劃結(jié)果(圖4)。從圖4可以看出，河池市雷擊建筑物物理?yè)p害概率總體呈現(xiàn)東南向西北逐漸減小的趨勢(shì)，其中羅城、宜州、都安和大化4縣大部分的PB>0.891，該區(qū)域內(nèi)涉及建筑物的防雷設(shè)計(jì)、施工均應(yīng)注意提高防護(hù)措施。此外，在環(huán)江、金城江、鳳山等縣的部分地區(qū)PB也為高值區(qū)，也應(yīng)提高相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)措施，保障建筑防雷安全。

H=78.0 m；H2=2.05 m；d=1.0 m圖4 河池市雷擊建筑物物理?yè)p害概率區(qū)劃

為了進(jìn)一步探究在建筑物、接閃器特性參數(shù)相同情況下，雷電流幅值對(duì)PB分布的影響，對(duì)河池市29×23個(gè)格點(diǎn)中的雷電流幅值按每隔10 kA統(tǒng)計(jì)該幅值區(qū)間的閃電頻次占總閃頻次的比值，結(jié)果得到10～40 kA強(qiáng)度閃電頻次分布與PB分布呈明顯正相關(guān)(圖5)，相關(guān)系數(shù)為0.96，即由于10～40 kA強(qiáng)度閃電多發(fā)生在羅城、宜州、都安和大化，以及環(huán)江、金城江、鳳山等縣的部分地區(qū)，因此造成該地區(qū)的PB為高值。

圖5 河池市10～40 kA強(qiáng)度閃電占總閃頻次比值分布

5 結(jié)論

基于河池市閃電定位資料，利用雷電擊中建筑物的EGM模型，對(duì)雷擊建筑物物理?yè)p害概率(PB)與建筑物、接閃器特性關(guān)系進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)接閃裝置與建筑物需保護(hù)范圍邊緣距離為某一固定值時(shí)，PB隨建筑物高度和接閃器高度變化呈非線性變化；當(dāng)接閃裝置與建筑物需保護(hù)范圍邊緣距離、接閃器高度為某一固定值時(shí)，PB隨建筑物高度增加而明顯增大；當(dāng)接閃裝置與建筑物需保護(hù)范圍邊緣距離、建筑物高度為某一固定值時(shí)，PB隨接閃器高度增加并沒(méi)有明顯變化。因此,基于EGM模型計(jì)算得到的PB更具有科學(xué)、準(zhǔn)確性，能夠更嚴(yán)格的估計(jì)雷電災(zāi)害的危險(xiǎn)程度。

(2)在建筑物、接閃器特性參數(shù)相同的情況下，河池市雷擊建筑物物理?yè)p害概率呈現(xiàn)東南向西北逐漸減小的趨勢(shì)，這與10～40 kA強(qiáng)度閃電多發(fā)生在東南部有關(guān)，PB大值區(qū)域應(yīng)提高相應(yīng)的防雷技術(shù)措施。