第1个回答 2011-03-09
雷电监测资料在雷击风险评估中的应用
摘要雷电监测资料运用在雷击风险评估中，使评估结果更客观、更科学。详细阐述了雷电监测资料中的地闪密度和雷电流幅值参数是如何应用于雷击风险评估中的， 并以具体实例进行计算分析， 为雷击损害风险评估业务提供了一种方法和思路。
关键词 雷电监测资料 雷击风险评估 应用
1 引言
资料表明， 广东省一年因雷击损坏建筑物及设备所导致的直接经济损失达8 亿， 由雷击引起的人身伤亡事故达70 多起， 防雷减灾刻不容缓。目前全国31 个省、直辖市、自治区建立了地闪监测系统， 其定位系统的探测子站达到317 个， 上海、北京、武汉建立了总雷电监测系统。
2 雷电监测系统
雷电定位监测子系统是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的一种自动化探测系统， 该系统对大自然落雷情况进行监视、定位， 能大范围实时遥测地闪发生的时间、地点、雷电流幅值、极性与回击次数， 呈现雷电活动的实时动态图。这一系统具有较高的监测能力和定位精度， 能实时对雷电发生的方位、强度、距离和频次进行准确测定， 并建立雷电监测信息数据库， 以便随时查阅与调用。监测落雷位置的精确度达到1 km以内， 强度准确率在95% 以上， 雷电探测率在95%以上。已经有文献〔1〕 对雷电监测资料的应用做了说明， 但稍欠详细， 本文将就此问题进行详细分析。
3 地闪密度在雷击风险评估中的应用
《建筑物防雷设计规范》（GB 50057 - 94， 2000 年版） 附录1 计算建筑物年预计雷击次数的公式为：N ＝ k Ng Ae% （1）
式中： N——— 建筑物年预计雷击次数， 次/ a；
k —— 校正系数；
Ng——— 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度， 次/ （km2·a）；
Ae——— 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积， km2。
雷击大地的年平均密度按下式确定：Ng ＝ 0 . 024 T d
式中： Td——— 年平均雷暴日， 根据当地气象台、站
资料确定， d / a。
而IEC 62305 - 2 《雷电防护第2 部分： 风险管理》推荐的计算建筑物年预计雷击次数的公式为：ND = Ng Ad Cd × 10 - 6%% （3）
式中： Cd——— 建筑物所在地的环境因子；
Ad——— 孤立建筑物的截收面积（详见IEC62305 - 2 附录A）。
上述计算建筑物年预计雷击次数的式（1） 和式（3） 均有地闪密度、等效截收面积和环境因子等参数。对于地闪密度值， 通常采用《建筑物防雷设计规范》所推荐的经验公式（2） 来进行计算， 因为一个地区的雷暴日是已知的。但我们要知道， 雷暴日的统计是通过人耳听来确定的， 即一天内只要听到一次或一次以上的雷声就算是一个雷暴日。就广州地区而言， 目前观测点仅1 ~ 2 个， 仅仅凭借这两个观测点来观测全市的雷暴日是远远不够的， 并不能保证观测员能听到所有的雷声。通常情况下， 距离观测点15 km 以内的雷电可以听到其雷声， 超出此范围的雷电不能够被听到。也就是说， 该指定区域的范围是以观测点为圆心， 以15 km 为半径的圆形区域。因此就产生了一定的观测误差。这里的雷声既包括云地闪发出的， 也包括云内闪和云际闪发出的， 并不能准确表征地面落雷的频繁程度。因此， 在进行建筑物年预计雷击次数的估算时， 应以建筑物所在区域测得的地闪密度为准， 而不应以通过雷暴日计算的地闪密度为准。当测量地闪密度困难或不可能时， 可用通过雷暴日计算得出的地闪密度进行计算， 但误差较大。
如广州市年平均雷暴日为76 . 1 日， 带入式（2）计算得出该地区平均地闪密度为6. 70 次/ （km 2·a）。而通过雷电监测网资料可以看出（如下图所示）， 广州市各个区域的地闪密度各有差异， 即使是每平方公里面积区域内的地闪密度也有所不同。图中每一方格代表1 km 的区域， 通过加权平均可得出该区域的地闪密度值为29. 8 次/ （km2·a）， 与通过计算得出的地闪密度值有较大差异， 对后面计算建筑物年预计雷击次数进而确定该建筑物的防雷等级产生了影响。不难看出， 采用雷电监测网实际测得的地闪密度值进行计算更具真实性。
需要指出的是， 国标GB 50057 与IEC 62305 均给出了计算年预计雷击次数的公式， 笔者推荐采用IEC 标准来进行计算， 原因有以下几点：
a . 对于环境因子的确定， GB 50057 是以修正系数的形式给出， 共有4 种情形， 但都没有反映出周围建筑物对被评估建筑物的影响， 而IEC 62305 引入的环境因子就弥补了这方面的不足， 使得年预击雷击次数N 的确定更符合实际。
b . 对于等效截收面积的确定， GB 50057 中是根据建筑物高度H 分情况考虑的。建筑物高度在100 m 以下按滚球半径100 m （即吸引半径100 m）考虑。其相对应的最小雷电流约为I ＝ （100 / 10 ）1. 54= 43 .7 kA， 接近于按计算式lg P = - I / 108 以积累次数P ＝ 50％ 代入得出的雷电流I ＝ 32. 5 kA。在此基础上， 导出Ae计算式， 其扩大宽度等于H （200 - H） %姨 。该值相当于避雷针针高H 在地面上的保护宽度（当滚球半径为100 m 时）。扩大宽度将随建筑物高度增加而减小， 直至100 m 时则等于建筑物的高度。当建筑物高度超过100 m 时， 如按吸引半径100 m 考虑，则不论高度如何扩大宽度总是100m， 有其不合理之处。所以， 当高度超过100 m 时， 取扩大宽度等于建筑物的高度。而IEC 62305 推荐采用平行六面体法并引入了修正因子m*， 一般在大、中城市该因子取值为3， 计算较为简洁。但笔者推荐采用CAD 作图法进行等效截收面积的确定更切合实际并且更精确， 具体计算方法和分析详见文献〔2〕， 不再赘述。
4 雷电流幅值在雷击风险评估中的应用
在进行雷击风险评估时， SPD （电涌保护器） 通流容量的选择也是一个重要的评估内容， 而该值的确定需要先确定被评估建筑物所在区域的雷电流幅值。在GB 50057 附录六中规定的雷电流幅值： 第一类防雷建筑物为200 kA； 第二类防雷建筑物为150 kA；第三类防雷建筑物为100 kA。如果在评估中采用规范的推荐值进行计算的话， 得出的SPD 通流容量可能不能真正反映出被评估建筑物所需SPD 级数及其通流容量， 即评估针对性不强， 因此选择雷电监测网所提供的实测雷电流幅值来进行计算。而监测网给出的雷电流幅值会有若干极大值， 毕竟这些极大值的出现属于小概率事件， 因此采用累积概率为99 % 的雷电流幅值作为计算依据， 现举具体实例如下。
广州市黄埔区某二类防雷建筑物， 实测累积概率为99% 的雷电流幅值为115 kA， 即雷电流幅值大于115 kA 的地闪概率为1 %。试确定该建筑物SPD 通流容量。
假定雷电流在接地装置、电力系统和其它金属管道间分配情况为总雷电流I0的50% 流入建筑物的防雷接地装置中， 而其余50% 的I0进入各种设施（外来电力线、通讯线、金属管道等） 间再分配， 其中50％ 流入电源线， 流入电源线的电流相线、中性线分别占25 ％。则SPD1的通流容量I1为：I1 ＝ I 0 × 50 % × 50 % × 25 %%% （4）
即10 / 350μs 波形时SPD1的冲击电流为Iim p，当使用8 / 20 μs 波形时， 可通过单位能量推算知：I1 （8 / 20） ＝ I1 （10 / 350） × T2 （10 / 350） / T2 （8 / 姨20） （5）雷电流经过SPD1后， 会有30% ～ 50% 的残余施加于SPD2上， 假定有50% 的残余雷电流（最不利的情况） 施加于SPD2上， 则SPD2的标称通流容量：I2 ＝ I1 × 50%% （6）
其余各级SPD 以此类推。将雷电流幅值带入公式计算各级SPD 的通流容量如下表所示。
上表分别采用实测值和规范的推荐值进行了比较计算， 可以看出， 若采用推荐值150 kA 计算， 该建筑物需要安装的SPD 通流容量偏大， 而采用实测值115 kA 计算， 只需安装通流容量较小的SPD， 大大节省了设备投资。而对于实测雷电流幅值大于规范推荐的150 kA 的区域， 应加强该区域的建筑物防雷措施。
5 结束语
引入雷电监测资料中的地闪密度值进行建筑物年预计雷击次数的计算， 和雷电流幅值进行建筑物SPD通流容量的确定， 使得评估结果更具客观性和科学性， 使建筑物防雷设计更经济合理。