建筑物雷電災害風險評估*

黃延剛， 王涪德， 林冠文

(東莞市防雷設施檢測所，廣東東莞 523000)

0 引言

雷電災害風險評估一般是依據(jù)項目所在地的雷電及災害特征進行分析，對導致的人身傷亡進行預評估。隨著我國雷電災害風險標準的頒布，各地先后開展了雷電災害風險評估工作。如林冠文等［1］對高層建筑物的評估方法進行了系統(tǒng)的闡述，楊東旭［2］介紹了炸藥倉庫的評估內(nèi)容、程序和方法，列出相應的風險評估分量及計算方法，得出該倉庫存在的一些防雷問題，提出相應的整改措施和建議。由于技術標準參照IEC 62305:2000，國外與國內(nèi)的建筑物、防護方法和雷電活動特征存在一定偏差，同時在實際應用中對技術規(guī)范的理解也有差距，評估不夠精細。王涪德等［3］介紹了國外和國內(nèi)幾個雷電災害風險評估的標準，指出進行評估時應根據(jù)被評估對象的特點做選擇;盧友發(fā)等［4］提出當前評估的難點是雷電災害分析、風險分量的選取;吳海等［5］專門研究了建筑物雷電災害風險評估的風險分量及其影響因素。對已建建筑物的評估采取的方法和準備材料有所不同，現(xiàn)場勘察準確獲取原始數(shù)據(jù)和各個因子的量值至關重要［6］。隨著評估業(yè)務的不斷發(fā)展，對各種建筑物的評估方法要求逐漸提高。

本文結(jié)合某學校擴建教學樓，對其進行待建時的雷電災害風險預評價和建成后的現(xiàn)狀雷電災害風險評估，并結(jié)合教學樓所在地的地理位置、環(huán)境、雷電等因素，確定其風險來源，根據(jù)主要風險提出降低風險的對策。

1 土壤電阻率

土壤電阻率測試所用儀表為MI2127接地電阻綜合測試儀，測量時進行自動轉(zhuǎn)換并顯示土壤電阻率值，地極間距取 1、2、3、4、5、6、7、8 m時，根據(jù) GB/T 21431—2008《建筑物防雷裝置檢測規(guī)范》，測量出平均土壤電阻率為104.1 Ω·m。

2 雷電活動規(guī)律

2.1 雷暴日

雷暴日是指定區(qū)域內(nèi)一年發(fā)生雷電放電的天數(shù)，用 Td表示。東莞市多年平均雷暴日為81.6 d。根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》，雷擊大地的年平均密度 Ng=0.1Td=8.16次/(km2/a)。

2.2 地閃密度

地閃密度指每平方千米年平均落雷次數(shù)，是估算建筑物年預計雷擊次數(shù)重要的參數(shù)。雷暴日和雷電監(jiān)測網(wǎng)的雷電數(shù)據(jù)得出的Ng不一樣，雷暴日的雷聲不能準確表征地面落雷。在進行建筑物年預計雷擊次數(shù)的估算時，應以建筑物所在區(qū)域測得的地閃密度為準?，F(xiàn)場測量教學樓的地理坐標，結(jié)合廣東省雷電監(jiān)測網(wǎng)雷電數(shù)據(jù)，得出教學樓周圍3 km地閃密度Ng=18.56次/(km2/a)，根據(jù)當?shù)貙嶋H情況校正后，Ng=7.424次/(km2/a)。

2.3 雷電流累積概率

根據(jù)GB 21714.1—2008《雷電防護 總則》，LPSⅠ對應的滾球半徑為20 m，最小峰值電流為2.91 kA，LPSⅡ、LPSⅢ、LPSⅣ對應的滾球半徑分別為30、45、60 m，最小峰值電流分別為5.43、10.14、15.79 kA，對應大于最小雷電流的累積概率為97%、91%、84%。教學樓3 km范圍內(nèi)對應大于最小雷電流的累積概率如表1所示。由表1可知，教學樓采用LPSⅣ或LPSⅢ保護概率均達不到要求，宜采用LPSⅡ設計。

表1 教學樓3 km范圍內(nèi)對應大于最小雷電流的累積概率

3 雷電風險量化估算

對于建(構(gòu))筑物中因雷電可能出現(xiàn)的各類損失，應計算其所對應的風險。該項目雷電災害風險評估主要采用標準GB/T 21714.2—2008。

3.1 項目特性

該教學樓長、寬、高分別為 82.3、53.1、23.4 m，周圍為學生宿舍、教學樓、民宅和菜地，據(jù)初步規(guī)劃教學樓內(nèi)的設備有電力系統(tǒng)和消防系統(tǒng)。該項目為教學場所，內(nèi)部有大量的人員活動且出入頻繁，接觸電壓和跨步電壓可能對人員構(gòu)成傷害，雷擊后不存在公共服務損失和文化遺產(chǎn)損失，也不會對周邊環(huán)境帶來危害，故本評估只對人身傷亡風險進行計算。

評估參數(shù)取值的科學性和合理性直接影響最終的評估結(jié)果。結(jié)合項目的勘察情況，對待建和已建建筑物參數(shù)進行取值，如表2所示。

表2 待建和已建建筑物部分參數(shù)取值對比

3.2 年預計危險事件次數(shù)

該項目用電由市政管網(wǎng)供應，電源進線采用鎧裝埋地引入配電房，再由配電房埋地引入教學樓，雷擊教學樓年預計危險次數(shù)ND=0.144 3，雷擊教學樓附近的年平均危險事件次數(shù)NM=1.848 5，雷擊服務設施的年平均危險事件次數(shù)NL=0.000 8，雷擊服務設施附近的年平均危險事件次數(shù)NI=0.007 6。因此，年預計危險事件主要為雷電直接擊中教學樓及教學樓附近。

3.3 雷擊導致各種損害的概率

待建建筑物未采取任何防雷措施，已建建筑物采取LPSⅡ時，雷擊教學樓及其附近造成的損害概率如表3所示。

表3 雷擊教學樓及其附近造成的損害概率

3.4 人身傷亡風險和防護措施

在不同雷電防護措施條件下，應正確選擇損失分量組合［7］。教學樓由雷電引起的人身傷亡風險如表4所示。

由表4可知，未采取防護措施時教學樓因雷電引起的人身傷亡風險超過風險容許的典型值(RT=1×10-5)，需進一步采取措施降低這種風險。從風險組成看，風險貢獻值主要來自雷電直接擊中教學樓因危險火花觸發(fā)火災或爆炸引起物理損壞。

表4 教學樓由雷電引起的人身傷亡風險×10-9

采取適當?shù)闹睋衾追雷o措施，降低教學樓直擊雷損害概率。對于待建建筑物，裝設LPSⅢ，并且使屋面裝置得到完全的直擊雷防護，并利用鋼筋混凝土框架做自然引下線，使風險值降低到0.339×10-5，滿足風險容許值要求。根據(jù)教學樓3 km范圍內(nèi)雷電流的累積概率和GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》分類標準，教學樓宜裝設LPSⅡ，教學樓建成時設置LPSⅡ，估算風險結(jié)果總計為0.073 6×10-5，大大降低了風險值。

4 結(jié)語

根據(jù)待建和已建建筑物的特性，從雷擊損壞類型和來源估算了可能出現(xiàn)的雷擊損壞、概率和人身傷亡風險，提出待建建筑物需采取防護措施來降低人身傷亡風險，采取LPSⅢ保護措施可滿足評估規(guī)范要求。實際上根據(jù)GB 50057—2010和項目所在地的雷電流累積概率，宜采取LPSⅡ保護，已建建筑物采用LPSⅡ直擊雷防護，并采取屏蔽、等電位聯(lián)結(jié)和接地措施，安裝適配的電涌保護器，以滿足評估規(guī)范要求?？偟膩碚f，待建和已建建筑物的雷電災害風險評估為實施雷電防護提供了依據(jù)，可避免或最大限度降低雷擊造成的損失，建議該教學樓采用第二類防雷建筑物保護措施。

［1］ 林冠文，王涪德，袁志和.高層建筑物雷電災害風險評估［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2013，4(3):8-12.

［2］ 楊東旭.焦作某炸藥倉庫的雷電災害風險評估［J］.氣象與環(huán)境科學，2012，35(3):90-95.

［3］ 王涪德，金雯晴，林冠文.雷電災害風險評估方法對比［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2011，2(6):49-55.

［4］ 盧友發(fā)，李丹，黃蘭蘭.河南省雷電災害風險評估進展及建議［J］.氣象與環(huán)境科學，2013，36(2):92-95.

［5］ 吳海，潘家利.建筑物雷擊風險評估的風險分量及其影響因素［J］.氣象研究與應用，2010，31(2):88-90.

［6］ 李洪峰，劉敏.已有建筑物雷擊風險評估中幾個問題的探討［J］.浙江氣象，2010，31(3):38-40.

［7］ GB/T 21431—2008 建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范［S］.

［8］ GB 50057—2010 建筑物防雷設計規(guī)范［S］.

［9］ GB 2714.1—2008 雷電防護 總則［S］.