雷暴路徑在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用初探

王 芳 李 劍 張衛(wèi)斌

(浙江省防雷中心，浙江杭州310017)

0 引言

GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］在總則中提出，建筑物防雷設(shè)計(jì)，要在認(rèn)真研究雷電活動(dòng)規(guī)律以及被保護(hù)物特點(diǎn)等的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)某一區(qū)域而言，落雷的強(qiáng)度、密度及其時(shí)空分布、雷暴路徑是反映該區(qū)域雷電活動(dòng)規(guī)律的主要內(nèi)容，目前對(duì)前者的研究較多，而對(duì)雷暴路徑研究及應(yīng)用的文獻(xiàn)則較少，馬宏達(dá)在文獻(xiàn)［2］中指出，上世紀(jì)50年代，浙江天目山氣象站雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈，并造成多起雷擊事故，根據(jù)觀察，雷云總是從左側(cè)的山頭上襲來(lái)，因此他們于1957年在那里裝設(shè)了一些避雷針，在雷雨時(shí)可觀察到這些避雷針接閃，該氣象站此后再?zèng)]發(fā)生過(guò)直擊雷事故。王克［3］通過(guò)對(duì)送電線路雷擊跳閘事故的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，線路雷擊閃絡(luò)的部位與當(dāng)?shù)乩妆┞窂接忻芮嘘P(guān)系。從筆者對(duì)雷電災(zāi)害案例的研究分析中發(fā)現(xiàn)，對(duì)某些體量較大的單體，曾出現(xiàn)某些部位反復(fù)遭直接雷擊的現(xiàn)象，而在由多個(gè)高度相仿的單體組成的較大建筑群中，有些單體多次遭直接雷擊，而有的單體從未發(fā)生過(guò)雷擊事故。本文嘗試就雷暴路徑對(duì)雷擊接閃概率和在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用做些探討。

1 研究模型

我們利用簡(jiǎn)化的電氣－幾何模型R=10I0.65作為研究的基礎(chǔ)，該模型反映了擊距與雷電流的關(guān)系，在雷暴云發(fā)展過(guò)程中，隨著雷暴云中電荷的不斷集聚，雷云下部的云霧大氣被擊穿，隨著大氣電場(chǎng)的進(jìn)一步增強(qiáng)，云底的電荷與空氣分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生輕度的電離，形成向下發(fā)展梯級(jí)先導(dǎo)，當(dāng)先導(dǎo)頭部離地面一定距離時(shí)，會(huì)發(fā)生“最后一擊”擊中地面上某一點(diǎn)，這就是通常所說(shuō)的雷擊。發(fā)生“最后一擊”時(shí)的距離稱為擊距(R)，而在先導(dǎo)到達(dá)距大地或物體間隔為R之前可以認(rèn)為是隨機(jī)的，當(dāng)達(dá)到R時(shí)其走向?qū)⑹艿匚锏挠绊?。為分析方便，現(xiàn)以兩個(gè)同等高度的建筑物為研究對(duì)象，并做出如下假設(shè):

1)該區(qū)域地質(zhì)條件相同，建筑物A、B結(jié)構(gòu)相同，材料相同，高度相等。

2)雷云在經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)，其電荷結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變，且該區(qū)域內(nèi)一定會(huì)落雷。

3)先導(dǎo)頭部(可視為一點(diǎn))離哪一點(diǎn)(含物體、地面)最先達(dá)到擊距距離，就擊于哪一點(diǎn)。

圖1為雷云與建筑物A、B之間的位置關(guān)系以及相對(duì)應(yīng)的建筑物接閃概率圖，其中雷云與建筑物位置關(guān)系分為3種，圖中圓周為以建筑物A、B為雷擊對(duì)象，擊距R為半徑的滾球在水平面上的投影。當(dāng)雷云移近時(shí)，若先導(dǎo)頭部在圓周之外，則雷擊地面，若與圓周相交，則表示地面和建筑物均有可能遭雷擊，若在圓周之內(nèi)，則建筑物被擊中。由圖1可見:

1)雷云沿建筑物A、B徑向方向移動(dòng)，當(dāng)雷云靠近該區(qū)域的時(shí)候，則必然是處于上風(fēng)方的建筑物A接閃，而其下風(fēng)方的建筑物B被雷擊中的概率很小(圖1a)。

2)雷云沿建筑物A、B法向方向靠近該區(qū)域，則A、B遭雷擊的概率是均等的(圖1b)。

圖1 雷云與建筑物A、B之間的位置關(guān)系以及相對(duì)應(yīng)的建筑物接閃概率圖

3)雷云移動(dòng)方向與建筑物A、B徑向方向之間的夾角為 α(0＜α ＜90°)，如圖1c所示，若先導(dǎo)頭部位于 m、l之間，則A被擊中;若先導(dǎo)頭部位于h、n之間，則B被擊中;若先導(dǎo)頭部位于l、h之間，則取決于夾角α以及雷云到建筑物的距離。當(dāng)先導(dǎo)頭部經(jīng)過(guò)C點(diǎn)時(shí)，距A、B的距離相等，A、B均可能被擊中。過(guò)點(diǎn)C作平行于l的直線k，若先導(dǎo)頭部位于l、k之間，則A被擊中，若先導(dǎo)頭部位于k、h之間，則B被擊中?？傊?，若先導(dǎo)頭部位于 m、k之間，雷擊建筑物A;若先導(dǎo)頭部位于 k、n之間，雷擊建筑物B。直線m、k之間的距離大于k、n，即建筑物A遭雷擊的概率大于建筑物B。而當(dāng)先導(dǎo)頭部位于直線m左邊或n右邊則擊于大地。

以上分析可知當(dāng)雷云靠近該區(qū)域時(shí)，位于雷暴路徑上風(fēng)方的建筑物A接閃的概率大于下風(fēng)方建筑物B。

2 位置因子的取值

在 GB/T 21714.2—2008/IEC 62305—2:2006雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)附錄A［4］中，計(jì)算年平均危險(xiǎn)事件次數(shù)ND時(shí)，考慮建筑物暴露程度及周圍物體對(duì)危險(xiǎn)事件次數(shù)的影響引入了位置因子Cd，并且規(guī)定當(dāng)評(píng)估對(duì)象周圍有更高的建筑物或樹木時(shí)，Cd取0.25，周圍有相同高度或更矮的建筑物或樹木時(shí)，Cd取0.5。事實(shí)上，周圍物體對(duì)評(píng)估對(duì)象的影響并不是簡(jiǎn)單的高度關(guān)系，它與兩者之間的位置以及雷暴路徑密切相關(guān)，下面以圖2為例，探討位置因子的取值。

圖2a為由9幢等高單體組成的建筑群，成3×3矩陣排列，分別以①～⑨表示，雷暴主導(dǎo)路徑為自左向右。由圖所示，以第二行單體④～⑥為例，從現(xiàn)有規(guī)范Cd取值的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這3幢單體均表現(xiàn)為周圍有相同高度或更矮的建筑物或樹木。若考慮雷暴路徑的因素，對(duì)單體⑤而言，四周均有相同高度的建筑物存在，無(wú)論雷暴從哪個(gè)方向來(lái)，對(duì)其影響相同，Cd可取0.5;若評(píng)估對(duì)象是單體④，雖然三面有相同高度的建筑物，而其上風(fēng)方為空曠地帶，單體④遭雷擊的概率較大，Cd取值應(yīng)高于0.5;若評(píng)估對(duì)象是單體⑥，則同樣是三面有相同高度的建筑物，然而，單體⑥的上風(fēng)方有單體④，單體⑤存在，則該單體遭雷擊的概率較小，Cd取值應(yīng)低于0.5。

圖2b為位于雷暴主導(dǎo)路徑上的3幢單體組成的建筑群，分別以a、b、c表示，由圖可見單體b最高，單體a和單體c高度相同，距單體b距離相等，且均處在單體b的保護(hù)范圍(例如1:3比例關(guān)系)內(nèi)，分別位于單體b的上風(fēng)方和下風(fēng)方。當(dāng)雷云移近時(shí)，單體c由于其上風(fēng)方有更高建筑物存在，遭雷擊的概率很小，Cd可取0～0.25，而單體a處于雷暴路徑的上風(fēng)方，雖然處于單體b的保護(hù)范圍內(nèi)，但遭雷擊的概率仍可能較大，Cd可能要在0.25～1取值，這也許就是產(chǎn)生雷電繞擊的原因之一，筆者認(rèn)為，發(fā)生繞擊現(xiàn)象并非僅與雷電流強(qiáng)度有關(guān)，還與雷暴路徑密切相關(guān)。

圖2 建筑群中各單體位置分布關(guān)系

3 應(yīng)用個(gè)例

3.1 雷暴路徑分析

本例所用雷電監(jiān)測(cè)資料來(lái)自于浙江省地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)，統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍為2007—2010年，空間范圍為紹興遠(yuǎn)東石化有限公司及其周圍5 km半徑的區(qū)域，將雷暴路徑分為:正北(N)、東北(NE)、正東(E)、東南(SE)、正南(S)、西南(SW)、正西(W)、西北(NW)八個(gè)方向，利用各次過(guò)程的每30 min的地閃空間演變圖，分析雷暴活動(dòng)路徑，若雷暴過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，范圍集中，可利用每10 min的地閃演變圖分析。

由浙江省雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)2007—2010年地閃數(shù)據(jù)分析可得，紹興遠(yuǎn)東石化有限公司及其5 km半徑內(nèi)共監(jiān)測(cè)到104次雷暴過(guò)程，通過(guò)對(duì)這104次雷暴過(guò)程的逐時(shí)地閃時(shí)空演變情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析雷暴活動(dòng)路徑，結(jié)果可得:西南方向(SW)33次，正西方向(W)28次，西北方向(NW)17次，東北方向(NE)7次，東南方向(SE)4次，正東方向(E)2次，正南方向(S)1次。由此可見，雷暴路徑在方向上分布是不均等的，自西向東移動(dòng)的雷暴過(guò)程共有78次，占總數(shù)的75%，為雷暴路徑的主導(dǎo)方向(見圖3)。此外，有12次雷暴過(guò)程活動(dòng)路徑無(wú)規(guī)則(U)。

3.2 易遭雷擊部位

通過(guò)以上分析可見，紹興遠(yuǎn)東石化有限公司及周圍5 km半徑內(nèi)，雷暴路徑在方向上分布是不均等的，主導(dǎo)方向?yàn)樽晕飨驏|。廠區(qū)所在地地形屬于河口沖積平原，地勢(shì)平坦，位置空曠，公司廠區(qū)內(nèi)有煙囪、生產(chǎn)裝置等高大建筑以及大量金屬構(gòu)件。位于廠區(qū)西部的高大建(構(gòu))筑物更易遭雷擊，其下風(fēng)方的中部的高大建筑遭雷擊的概率小于西部，廠區(qū)東部建筑不易遭雷擊，可適當(dāng)降低雷電防護(hù)的級(jí)別。

圖3 雷暴路徑分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析得出:地面物體遭雷擊的概率與雷暴路徑有關(guān)，位于雷暴路徑上風(fēng)方的物體更易受雷擊，在實(shí)際防雷工作中，要考慮雷暴路徑對(duì)雷擊點(diǎn)的影響，而不單是幾何模型的關(guān)系。對(duì)位置因子的確定，應(yīng)結(jié)合雷暴路徑的因素，考慮周圍物體的影響，適當(dāng)增加或降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中給予的參考值。此外，本文還提出繞擊與雷暴路徑有關(guān)。

［1］ 機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB50057－2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［2］ 馬宏達(dá).山區(qū)電網(wǎng)防雷的新概念－區(qū)域性防雷［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1995，19(7):43 －46.

［3］ 王克.雷暴路徑與雷擊閃絡(luò)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1990，14(3):43－46.

［4］ 全國(guó)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 21714.2—2008/IEC 62305—2:2006雷擊風(fēng)險(xiǎn)詳估標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.