大型戶外空曠區(qū)域的雷擊風險評估研究

黃克儉胡雙偉俞家華杜少華

（1.湖北省防雷中心，武漢430074；2.荊州市氣象局湖北荊州434000）

1 引言

目前，我國主要依據(jù)GB／T21714.2《雷電防護第二部分：風險管理》標準［1］對建筑物的雷擊風險進行評估，該標準來源于IEC的雷電風險管理標準，架構合理，考慮全面、仔細，針對性較好，是全面雷擊風險評估的恰當方法。但該標準只適應于建筑物的雷擊風險評估，對大型戶外空曠區(qū)域沒有給出其相關的具體方法，不少科技工作者［2-18］對不適應于GB／T21714.2《雷電防護第二部分：風險管理》標準范圍的評估對象如何評估、該標準中存在的一些問題以及一些特殊場所的防雷等進行了探索性地研究。如張科杰，范宏飛等對大型橋梁雷擊風險評估的方法進行了研究；童雪芳，文習山等對天線陣列雷擊風險評估與保護方案進行了研究；植耀玲，張欣，楊天琦等對地下建筑物遭受雷擊損害的風險因子進行了分析；有以大型戶外空曠區(qū)域為主體的雷擊風險評估研究。然而，如旅游景區(qū)、大型廣場等大型戶外空曠區(qū)域存在較大的雷擊風險隱患，也屢有雷擊傷亡事件發(fā)生，為了對大型戶外空曠區(qū)域更為科學有效地防雷，有必要對大型戶外空曠區(qū)域的雷擊風險評估進行研究分析，找出適合于大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估的具體方法。

本文通過具體分析大型戶外空曠區(qū)域存在的雷擊風險，參照IEC的雷電風險管理標準［19］中雷擊風險計算和參數(shù)取值方法，推導出大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估的定量計算公式，并結合大型戶外空曠區(qū)域?qū)嶋H情況確定了各參數(shù)的取值，為大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估提供了一種具體的評估方法。

2 大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估研究

2.1 研究思路

對于旅游景區(qū)、大型廣場等大型戶外空曠區(qū)域來說，由于大量人員活動其中，且比較開闊，其主要雷擊災害為人員傷亡損失，雖然與雷擊建筑物造成的災害類型和數(shù)量不一樣，人員傷亡損失災害造成的原因也不盡相同，但，從大的方面來分析，其兩者的雷擊災害都是由當?shù)氐睦纂娀顒犹卣鳎粗聻沫h(huán)境的危險性）和大型戶外空曠區(qū)域或建筑物的特性以及雷電防護情況（即承災體的脆弱性）這兩方面的因數(shù)所決定的，因此，大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估可參照IEC的雷電風險管理標準中風險的通用定量計算公式，結合大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險的具體情況，具體分析各類風險分量和確定這些風險分量的各類參數(shù)，來進行定量評估。

2.2 大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險分析與計算公式

由上述可知，對于旅游景區(qū)、大型廣場等大型戶外空曠區(qū)域，主要雷擊災害為人員傷亡損失，為進行定量評估，下面我們具體分析它的雷擊人員傷亡損失風險，首先，諸如旅游景區(qū)觀景平臺、大型廣場、運動場等戶外空曠區(qū)域，一般都比較開闊，易發(fā)生雷電直接擊中人的危險，即使有直擊雷防護裝置保護，也存在超出直擊雷防護裝置防護電流之外的雷電繞擊致人傷亡的危險。其次，是雷電擊中戶外空曠區(qū)域內(nèi)或邊上的較高物體（諸如直擊雷防護裝置、照明桿塔、樹木等）時，存在因旁側閃絡、接觸電壓和跨步電壓致人員傷亡的危險。

有的旅游景區(qū)、大型廣場等大型戶外空曠區(qū)域內(nèi)或邊上有監(jiān)控、照明等電氣和電子系統(tǒng)，

雷電直接擊中這些電氣和電子系統(tǒng)時因閃絡火花造成的人員傷亡的風險非常小，對于人員傷亡風險可不考慮。

綜上所述，對于旅游景區(qū)、大型廣場等大型戶外空曠區(qū)域，其存在的雷擊人員傷亡損失風險為雷電直接擊中人員和雷電擊中戶外空曠區(qū)域內(nèi)或邊上的較高物體因旁側閃絡、接觸電壓和跨步電壓致人員傷亡的損失風險。

為了定量分析大型戶外空曠區(qū)域的雷擊風險，我們依據(jù)文獻［19］給出的通用風險分量基本關系式，將大型戶外空曠區(qū)域的雷擊風險分量RX用下列（1）式表示：

式中：

NX——每年雷擊危險事件次數(shù)；

PX——損害概率；

LX——每一損害產(chǎn)生的損失率。對于大型戶外空曠區(qū)域，我們只評估人員傷亡損失，因此，損害概率P為區(qū)域內(nèi)雷擊導致人員傷亡的概率，由上述可知，P參數(shù)取決于區(qū)域內(nèi)的直擊雷防護系統(tǒng)以及旁側閃絡、防接觸電壓和跨步電壓措施。它由雷電直接擊中人體導致人員傷亡的概率PB與雷擊區(qū)域內(nèi)直擊雷防護設施因接觸和跨步電壓導致人員傷亡的概率PA組成。那么，與之對應的區(qū)域內(nèi)人員傷亡損失率L就由雷擊區(qū)域內(nèi)直擊雷防護設施因接觸和跨步電壓導致人員傷亡的損失率LA和雷電直接擊中人體導致人員傷亡的損失率LB組成。

那么，依據(jù)（1）式，可將大型戶外空曠區(qū)域的雷擊人員傷亡損失風險用下列（2）式計算。

式中：

N——區(qū)域內(nèi)每年雷擊危險事件次數(shù)；

PB——區(qū)域內(nèi)雷電直接擊中人體導致人員傷亡的概率；

PA——雷擊區(qū)域內(nèi)較高物體因旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致人員傷亡的概率；

LB——雷電直接擊中人體導致人員傷亡的損失率；

LA——雷擊區(qū)域內(nèi)較高物體因旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致人員傷亡的損失率。

2.3 各計算參數(shù)的取值與分析

下面依據(jù)文獻［9］中N、P、L參數(shù)的取值方法，結合空曠區(qū)域的實際情況，對（2）中各參數(shù)進行取值與分析。

1）N的取值與分析

對于大型戶外空曠區(qū)域，區(qū)域內(nèi)每年雷擊危險事件次數(shù)N參數(shù)取決于區(qū)域內(nèi)的雷暴活動以及空曠區(qū)域的物理特性。

可按（3）式計算：

式中：NG——雷擊大地密度（次／km2／年）；

AD——空曠區(qū)域的截收面積（m2）；

CD——空曠區(qū)域的位置因子。

雷擊大地密度NG是每年每平方公里雷擊大地的次數(shù)。這個數(shù)值可以利用當?shù)亻W電定位觀測資料得到。也可以作如下估算：

這里Td是年平均雷暴日，可從當?shù)貧庀蟛块T30年以上的觀測資料中統(tǒng)計得出。

空曠區(qū)域的截收面積AD，如果空曠區(qū)域在同一海拔高度，則，AD就是需評估的空曠區(qū)域面積。如果空曠區(qū)域在不在同一海拔高度，對于高于基準海拔高度的區(qū)域可按在地面上建筑物的截收面積計算方法計算。

空曠區(qū)域的位置因子CD，參照文獻［9］中位置因子CD的取值方法，對于所處地周邊也是同一海拔高度的平坦區(qū)域時，CD取值1；對于所處地為小山頂或山丘時，CD取值2；對于所處地周邊有其他物體時，CD取值0.5。

2）PA和PB的取值與分析

雷電直接擊中人體導致人員傷亡的概率PB取決于區(qū)域內(nèi)的直擊雷防護系統(tǒng)，因此，可參照文獻［9］中雷擊建筑物導致物理損害的概率PB的取值方法，文獻［19］中Table B.2中給出了PB的數(shù)值，由Table B.2可以看出PB的數(shù)值與LPS防雷級別相關，經(jīng)研究，我們發(fā)現(xiàn)文獻［19］中雷擊建筑物導致物理損害的概率PB的取值是由LPS防雷級別對應的保護雷擊電流的累積概率所決定的，也就是說由超出LPS防雷級別保護的最小雷擊電流的累積概率與超出LPS防雷級別保護的最大雷擊電流的累積概率之和計算而來。

對于大型戶外空曠區(qū)域來說，雷電直接擊中人體是由超出LPS防雷級別保護的最小雷擊電流范圍的雷擊所致，而與超出LPS防雷級別保護的最大雷擊電流范圍的雷擊無關，因此，雷電直接擊中人體導致人員傷亡的概率PB只由超出LPS防雷級別保護的最小雷擊電流的累積概率計算即可。

依照文獻［20］中給出的雷擊電流累積概率，計算的雷電直接擊中人體導致人員傷亡的概率PB值如下表1。

如果大型戶外空曠區(qū)域無LPS系統(tǒng)，則只要是在該區(qū)域中落雷，就有可能直接擊中人體，因此，對于無LPS系統(tǒng)的大型戶外空曠區(qū)域，PB取1。

如果有當?shù)囟嗄甑拈W電定位觀測資料，可根據(jù)當?shù)氐拈W電定位觀測資料雷擊電流累積概率直接推導出PB的值。

表1 雷電直接擊中人體導致人員傷亡的概率PB與LPS防雷級別（LPL）的關系

雷擊區(qū)域內(nèi)較高物體因旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致人員傷亡風險類似于雷擊建筑物，致建筑物內(nèi)或外距離引下線3m的范圍內(nèi)因接觸和跨步電壓造成的人員傷亡風險，因此，雷擊區(qū)域內(nèi)較高物體因旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致人員傷亡的概率PA的取值方法可按照文獻［19］中Table B.1的PTA的取值方法取值。

3）LA和LB參數(shù)的取值與分析

對于雷擊區(qū)域內(nèi)較高物體因旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致人員傷亡的損失率LA，它與人員呆在空曠區(qū)域的時間和數(shù)量以及區(qū)域內(nèi)的地板或土壤類型有關，則，LA可按文獻［19］中的公式C.1取值，按下列（5）式計算。

式中：

rt——由區(qū)域內(nèi)地板或土壤類型決定的減少人身傷亡的因子

LT——一次雷擊事件導致受害者遭電擊傷害的典型平均相對量

nz——區(qū)域內(nèi)可能受到威脅的人員的數(shù)量

nt——區(qū)域內(nèi)預期的總人數(shù)

tz——每年人員呆在區(qū)域內(nèi)的小時數(shù)

式中的rt可按文獻［19］中TableC.3的取值，LT可按文獻［19］中TableC.2的取值，取為10-2。tz可參照文獻［21］中的基于年雷暴日的量化取值。取為24×Td（Td為當?shù)氐哪昀妆┤眨?，若要更精細化的評估，tz可參照文獻［21］中的基于閃電定位資料的量化取值。

對于雷電直接擊中人體導致人員傷亡的損失率LB，它與人員呆在空曠區(qū)域的時間和數(shù)量有關。LB可參照文獻［19］中的公式C.1取值，按下列（6）式計算。

式中的參量同（6）式。

由于LB是指雷電直接擊中人體導致人員傷亡的損失率，因此，只考慮雷電直接擊中人體導致人員傷亡的后果，因此，LB考慮因素只有人員呆在空曠區(qū)域的時間和數(shù)量，而不考慮區(qū)域內(nèi)地板或土壤類型因子。

2.4 舉例分析

設旅游景區(qū)有一大型活動平臺，方圓為50m×60m的區(qū)域，地板為混凝土，所處地周邊為同一海拔高度的平坦區(qū)域，但有樹木覆蓋，活動平臺周邊與樹木有大于3米的隔離帶，已知該旅游景區(qū)所處地的雷暴日為35天。

根據(jù)上述的大型戶外空曠區(qū)域的雷擊風險評估方法，該活動平臺區(qū)域的雷擊風險值R可用下列（7）式表示

若用雷暴日參數(shù)進行評估，由已知可知：

NG=0.1×Td=3.5，AD=3000，LB=10-2×（35×24）／8760=9.60×10-4，CD=0.5

因活動平臺周邊與樹木有大于3米的隔離帶，設活動平臺以后所設直擊雷防護裝置均采取較好的防接觸和跨步電壓措施，則，PA=0

將上述參數(shù)值帶入（7）式，得如下（8）式

由于R為人身傷亡損失，其容許值為10-5

則，PB=0.198

依據(jù)文獻［19］中的Table B.2的PB與LPS防雷級別的關系，當PB=0.198時，應采用Ⅳ類以上的LPS。

因此，最后的評估結論為：若要將該大型活動平臺的人身傷亡風險達到標準規(guī)定的容許值10-5，應采用Ⅳ類以上的LPS（設計的直擊雷防護裝置保護范圍需按小于60m的滾球半徑計算），且所設直擊雷防護裝置應采取較好的防接觸和跨步電壓措施。

3 結論

（1）大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估應按照IEC的雷電風險管理標準中基本方法，根據(jù)大型戶外空曠區(qū)域的具體情況，具體問題具體分析。

（2）大型戶外空曠區(qū)域雷擊風險評估的計算表達式為：R=N×PB×LB﹢N×PA×LA，其主要參數(shù)PB應按文中表1中給出的數(shù)據(jù)取值。

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