民航西南空管XY導(dǎo)航臺(tái)站雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析研究＊

謝亞雄，劉 暢，余海蓉，陳小塵，吳 容，魏 慶

（四川省防雷中心，四川 成都 610031）

四川省受青藏高原東側(cè)陡峭復(fù)雜的地形影響，中小尺度天氣系統(tǒng)十分活躍，為全國(guó)雷電高發(fā)區(qū)之一。機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航臺(tái)作為空中交通指揮管理系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)保障航空安全起到了不容忽視的作用。近年來(lái)，因雷擊造成導(dǎo)航臺(tái)站通信系統(tǒng)受損事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)通導(dǎo)設(shè)備正常工作，直接危害飛機(jī)飛行安全。目前國(guó)內(nèi)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)研究多見(jiàn)于民用建筑、商業(yè)建筑、易燃易爆場(chǎng)所或軌道交通、供配電線路等基建項(xiàng)目[1-6]，而民用航空行業(yè)內(nèi)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)研究實(shí)例極少見(jiàn)到，與之相關(guān)的研究多以防雷工程設(shè)計(jì)與防雷檢測(cè)技術(shù)為主[7-8]。

文章旨在應(yīng)用雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析模型及相關(guān)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)導(dǎo)航臺(tái)站的雷擊風(fēng)險(xiǎn)特性進(jìn)行研究，根據(jù)計(jì)算得出的雷擊風(fēng)險(xiǎn)因子值提出針對(duì)性的科學(xué)防護(hù)建議，提高雷擊及伴隨氣象災(zāi)害的綜合防御能力，具有一定的實(shí)用價(jià)值和創(chuàng)新意義。

1 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1.1 導(dǎo)航臺(tái)站所在地的雷擊大地年平均密度

結(jié)合近5年（2016—2020年）四川省各導(dǎo)航臺(tái)所在地的雷電日數(shù)、雷電次數(shù)及近年來(lái)導(dǎo)航臺(tái)站雷擊災(zāi)害案例，本次研究擬選取具有典型雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析意義的XY導(dǎo)航臺(tái)作為研究對(duì)象。根據(jù)5年的閃電定位監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，以XY導(dǎo)航臺(tái)所在地為中心，在3 km半徑范圍內(nèi)，2016年1月—2020年12月共監(jiān)測(cè)到閃電341次。閃電資料數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 導(dǎo)航臺(tái)所在地3 km半徑范圍內(nèi)閃電監(jiān)測(cè)資料

由表1的閃電數(shù)據(jù)可計(jì)算得出XY導(dǎo)航臺(tái)所在地3 k m半徑范圍內(nèi)的雷擊大地年平均密度Ng=2.413次/km2。

1.2 臺(tái)站設(shè)備機(jī)房可接受的最大年平均雷擊次數(shù)和年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

1．2．1 設(shè)備機(jī)房可接受的最大年平均雷擊次數(shù)的計(jì)算

設(shè)備機(jī)房是導(dǎo)航臺(tái)站實(shí)現(xiàn)通訊、對(duì)接及調(diào)控功能的核心組成部分。設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)部的電子信息設(shè)備可能因直擊雷和雷電電磁脈沖的影響而造成損壞，其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)NC計(jì)算公式如下[9]：

式（1）中，C為各類(lèi)因子之和，具體描述及取值見(jiàn)文獻(xiàn)[9]中附錄A。經(jīng)計(jì)算可得NC=0.053次。

1．2．2 設(shè)備機(jī)房年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算

設(shè)備機(jī)房年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N1計(jì)算公式如下[10]：

式（2）中：K為校正系數(shù)，無(wú)量綱；Ng為設(shè)備機(jī)房所處地區(qū)雷擊大地密度，次/（km2·年）；Ae為設(shè)備機(jī)房截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。

利用已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可得N1=0.400次。

設(shè)備機(jī)房入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N2計(jì)算公式如下[9]：

式（3）中：Ae1′為雷擊設(shè)備機(jī)房入戶電源線纜的截收面積，km2；Ae′2為雷擊設(shè)備機(jī)房入戶通信線纜的截收面積，km2。

則設(shè)備機(jī)房及其入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N按N=N1+N2確定。利用已知數(shù)據(jù)，計(jì)算可得N2=0.068，N=0.468。由計(jì)算結(jié)果可知，如果設(shè)備機(jī)房每年遭受超過(guò)0.053次雷擊，在其內(nèi)的設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)損壞。而經(jīng)計(jì)算得到的設(shè)備機(jī)房的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.468次，因此設(shè)備機(jī)房年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)已遠(yuǎn)超其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)，需對(duì)導(dǎo)航臺(tái)站的雷擊風(fēng)險(xiǎn)特性進(jìn)行評(píng)估分析，以采取合適的雷電防護(hù)措施。

2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)因子的確定與分析

2.1 導(dǎo)航臺(tái)站區(qū)域雷擊危險(xiǎn)事件分析

當(dāng)導(dǎo)航臺(tái)站遭受雷擊時(shí)，其本身及附近區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)情況如下：①導(dǎo)航臺(tái)站人員因接觸和跨步電壓引起的傷亡事件，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RA進(jìn)行表征；②導(dǎo)航臺(tái)站建筑物結(jié)構(gòu)的物理?yè)p壞，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RB進(jìn)行表征；③導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)部電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備的失效，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RC進(jìn)行表征；④導(dǎo)航臺(tái)站附近區(qū)域電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備的失效，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RM進(jìn)行表征；⑤導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)部人員因接觸電壓產(chǎn)生的危險(xiǎn)，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RU進(jìn)行表征；⑥導(dǎo)航臺(tái)站外部裝置和一般電纜線路入口地點(diǎn)的金屬部件間可能會(huì)引起電火花，由此可能導(dǎo)致燃燒起火，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RV進(jìn)行表征；⑦導(dǎo)航臺(tái)站的入戶線路上可能會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生過(guò)電壓，傳輸?shù)脚_(tái)站內(nèi)可能會(huì)造成內(nèi)部設(shè)備失效，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RW進(jìn)行表征；⑧導(dǎo)航臺(tái)站入戶線路附近有可能產(chǎn)生線路上的感應(yīng)過(guò)電壓，傳輸?shù)脚_(tái)站內(nèi)可能會(huì)造成內(nèi)部設(shè)備失效，與此相關(guān)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量以RZ進(jìn)行表征。

表2 損害概率P值的選取

2.2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)因子的獲取

對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)站而言，雷電閃擊造成的人身傷亡損失的風(fēng)險(xiǎn)R由R=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ確定[9]。結(jié)合以上分析，對(duì)于該區(qū)域而言，RA、RB、RU、RV與L1型損失（生命損失）直接相關(guān)，RC、RM、RW和RZ風(fēng)險(xiǎn)分量對(duì)于人身傷亡損失可不考慮，則R=RA+RB+RU+RV。

在計(jì)算每一種風(fēng)險(xiǎn)分量時(shí)，需要先行獲取損害概率P值及風(fēng)險(xiǎn)分量相關(guān)計(jì)算參數(shù)，由此進(jìn)一步計(jì)算得到人身傷亡損失的風(fēng)險(xiǎn)R1值，計(jì)算公式及結(jié)果如表2—表4所示。

表3 其他相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算參數(shù)

表3（續(xù)）

表4 人身傷亡損失各風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算

由表4數(shù)據(jù)可得，導(dǎo)航臺(tái)人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)值R=3.77×10-5，而人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)容許值RT=10-5（如表5所示）。因此，R＞RT，人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)值大于文獻(xiàn)[11]中規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)容許值，不滿足規(guī)范要求。故建筑物必須增加適當(dāng)?shù)睦纂姺雷o(hù)措施，以降低雷擊造成的人員生命損失風(fēng)險(xiǎn)，使其符合規(guī)范要求。

表5 可承受風(fēng)險(xiǎn)的典型值[11]

經(jīng)分析可得，雷擊造成人員生命損失的風(fēng)險(xiǎn)值主要來(lái)自于RB（在建筑內(nèi)由危險(xiǎn)火花所引發(fā)的火災(zāi)或爆炸所導(dǎo)致的實(shí)體損害風(fēng)險(xiǎn)）。為了把風(fēng)險(xiǎn)降低到容許值以下，建議可以采取以下保護(hù)措施：①導(dǎo)航臺(tái)內(nèi)建筑物采用金屬屋面作為明設(shè)接閃器；②導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)建筑物安裝明設(shè)接閃器（可能包含有其他自然結(jié)構(gòu)部件），使所有屋面設(shè)備得到完全的直擊雷防護(hù)，并采用連續(xù)金屬框架或鋼筋混凝土框架用作自然引下線。

采取以上保護(hù)措施后，建筑物PB（LPS特性）由0.05降至0.001，建筑物由雷擊造成的人員生命損失風(fēng)險(xiǎn)R相應(yīng)降低為0.294×10-5，該值小于RT（1×10-5），能夠滿足規(guī)范的要求。

3 設(shè)備機(jī)房的雷電防護(hù)等級(jí)

設(shè)備機(jī)房的雷電防護(hù)等級(jí)按防雷裝置攔截效率E確定，其防護(hù)等級(jí)劃分應(yīng)參照表6中的規(guī)定[9]。

表6 電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)

由1.2小節(jié)中計(jì)算出的設(shè)備機(jī)房的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)和可接受的最大年平均雷擊次數(shù)分別為N=0.468次和NC=0.053次，經(jīng)計(jì)算得E=0.89，則根據(jù)表6中的規(guī)定，計(jì)算所得的設(shè)備機(jī)房的雷電防護(hù)等級(jí)可確定為C等級(jí)，其內(nèi)部的電子信息系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)等級(jí)的防雷電電磁脈沖等防護(hù)措施，以降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)損失。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中表4.3.1的規(guī)定，導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)設(shè)備機(jī)房的雷電防護(hù)級(jí)別為A等級(jí)。設(shè)備機(jī)房電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)級(jí)別越高，所采取的雷電防護(hù)措施更嚴(yán)密，則花費(fèi)更大。顯然，在使設(shè)備機(jī)房達(dá)到應(yīng)有的雷電防護(hù)效果前提下，采取C等級(jí)下的雷電防護(hù)措施相比A等級(jí)更節(jié)省成本。

4 結(jié)論

利用相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算公式，得到導(dǎo)航臺(tái)站設(shè)備機(jī)房可接受的最大年平均雷擊次數(shù)NC=0.053次和年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N=0.468次，設(shè)備機(jī)房年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)已遠(yuǎn)超其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)，存在較大的雷擊受損風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合導(dǎo)航臺(tái)站相關(guān)數(shù)據(jù)及雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型，計(jì)算得到導(dǎo)航臺(tái)站人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1=3.77×10-5，該值大于規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)容許值，建議可以采取以下保護(hù)措施：①導(dǎo)航臺(tái)內(nèi)建筑物采用金屬屋面作為明設(shè)接閃器；②導(dǎo)航臺(tái)站內(nèi)建筑物安裝明設(shè)接閃器（可能包含有其他自然結(jié)構(gòu)部件），使所有屋面設(shè)備得到完全的直擊雷防護(hù)，并采用連續(xù)金屬框架或鋼筋混凝土框架用作自然引下線。采取此保護(hù)措施后，R1降低為0.294×10-5，該值小于RT（1×10-5），能夠滿足規(guī)范的要求。

從設(shè)備機(jī)房的雷電防護(hù)等級(jí)劃分入手，在達(dá)到應(yīng)有的雷擊防護(hù)效果的前提下，建議采取C級(jí)別的雷電防護(hù)措施，以達(dá)到節(jié)省成本、合理配置資源的目的。