基于雷電流幅值分布的雷擊建筑物物理損害概率計(jì)算方法

陶世銀++蔡忠周

摘要 應(yīng)用《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（GB/T 21714.2）（以下均稱規(guī)范）進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，對(duì)雷擊建筑物導(dǎo)致物理損害概率因子Pb的取值往往選擇規(guī)范中給出的典型值，在實(shí)際應(yīng)用中是不合理的。但在具體的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，各項(xiàng)目因其所在地域、地理環(huán)境、氣象條件、雷電活動(dòng)規(guī)律等不同而選取不同的Pb值。利用青海省地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的2008—2015年閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)不同幅值的雷電流幅值進(jìn)行頻次和累積概率的統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用最小二乘法對(duì)雷電流累積概率進(jìn)行擬合，并利用SPSS軟件對(duì)擬合相關(guān)性進(jìn)行了檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)、不同類別的防雷措施均具有不同的Pb取值。因此，在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，通過對(duì)地閃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、擬合、計(jì)算和選取Pb值，更能體現(xiàn)出被評(píng)估對(duì)象所在地的雷電活動(dòng)規(guī)律，從而使雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更加科學(xué)化、精細(xì)化。

關(guān)鍵詞 地閃監(jiān)測(cè)；雷電流幅值累積概率；雷擊建筑物；物理損害概率；計(jì)算方法

中圖分類號(hào) TU895 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）02-0223-02

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要組成部分，在現(xiàn)代社會(huì)安全領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。近年來，青海省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作也已逐步規(guī)范，在應(yīng)用《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（GB/T 21714.2—2015/IEC 62305-2：2008）（以下簡稱評(píng)估規(guī)范）規(guī)范提供的評(píng)估方法進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，雷擊建筑物導(dǎo)致物理損害的概率因子（以下簡稱Pb）是一個(gè)重要參數(shù)，Pb因子的選取直接影響著人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)（R1）、物理損失風(fēng)險(xiǎn)（R2）和服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險(xiǎn)（R3）的計(jì)算結(jié)果[1]，從而對(duì)評(píng)估項(xiàng)目的最終雷電風(fēng)災(zāi)害險(xiǎn)總量和評(píng)估結(jié)論有著決定性作用。

同時(shí)，評(píng)估規(guī)范中指出，雷電損害概率既取決于所采取的保護(hù)措施的類型和效能，還取決于建筑物、服務(wù)設(shè)施以及雷電流的特性[1]。因此，通過對(duì)青海省閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、擬合等，計(jì)算出針對(duì)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的Pb因子取值方法是進(jìn)行精細(xì)化雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要前提。

1 存在的問題

應(yīng)用評(píng)估規(guī)范中給出的典型Pb值進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，存在以下2個(gè)問題：一是規(guī)范中給出的典型值是在全球范圍內(nèi)閃電觀測(cè)（監(jiān)測(cè)）的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上統(tǒng)計(jì)得出的，而特定地區(qū)（地域）的閃電觀測(cè)（監(jiān)測(cè)）數(shù)據(jù)與其基礎(chǔ)閃電觀測(cè)（監(jiān)測(cè)）數(shù)據(jù)對(duì)存在一定的差異，具體體現(xiàn)為閃電分布特征、閃電活動(dòng)規(guī)律等方面的差異；二是規(guī)范中給出的典型值是針對(duì)IEC中Ⅰ～Ⅳ類LPS（外部防雷裝置）給出的，IEC中Ⅰ～Ⅳ類LPS采取的措施與我國現(xiàn)行國家防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB 50057—2010）中規(guī)定的建筑物防雷類別分類及其外部防雷措施存在一定的差異。

2 綜合損壞概率計(jì)算方法

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于時(shí)間周期t=1年，在NPt<<1的條件下（所有真實(shí)情況都滿足這一條件，其中N為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)），基于防雷裝置或建筑物遭受一次雷擊發(fā)生損壞的綜合概率（P），可用式（1）表示[2]：

P=Pi×Pid+Pf×Pfd（1）

式（1）中，Pi為防雷裝置截收雷擊的概率，也表示為Ei；Pf為防雷裝置截收雷擊失敗的概率，其值等于1-Pi；Pid為防雷裝置截收雷擊后保護(hù)失敗而發(fā)生損壞的概率；Pfd為防雷裝置沒有截收到雷擊而發(fā)生損壞的概率。

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，雷擊建筑物引起損壞的概率與雷電閃擊參量的分布概率有關(guān)。同時(shí)，在出現(xiàn)雷擊事件的地方出現(xiàn)周圍物體可能被損壞的概率取決于建筑物特點(diǎn)、存放物和用途。

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)上述情況作了如下假定：①在出現(xiàn)雷擊事件的地方，其周圍物體被損壞的概率對(duì)每一類損壞是相同的，用共同概率Pr代替；②沒有被防雷裝置截收到的雷擊所引發(fā)的損壞是肯定的，損壞的出現(xiàn)與周圍物體可能被損壞的出現(xiàn)是同時(shí)發(fā)生的，即Pfd=Pr；③被截收到的雷擊引發(fā)損壞的總概率只與防雷裝置的尺寸效率Es有關(guān)，并假定其等于1-Es。

將上述假定代入式（1），并引入雷擊后果附加系數(shù)Wr后，式（1）或轉(zhuǎn)化為式（2）：

P=PrWr（1-EiEs）（2）

式（2）中，概率Pr表示建筑物自身保護(hù)的程度或雷擊建筑物（防雷裝置）造成的損壞概率，其主要取決于建筑物的特點(diǎn)、用途、存放物或設(shè)備。

3 資料來源與計(jì)算方法

3.1 數(shù)據(jù)資料來源

青海省閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)自運(yùn)行以來，在2008—2013年間，共監(jiān)測(cè)到省內(nèi)地閃165 503次，各年度監(jiān)測(cè)地閃次數(shù)分別為9 656、9 119、29 717、30 925、32 920、53 166次。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)青海省閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的2008—2014年的閃電資料分別進(jìn)行數(shù)據(jù)修正、雷電流幅值累積概率統(tǒng)計(jì)、應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)擬合、顯著性檢驗(yàn)和Pb值計(jì)算。

3.3 Pb因子計(jì)算方法

根據(jù)《雷電防護(hù)：第1部分 總則》（IEC 62305-1）及《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，雷擊建筑物導(dǎo)致物理損害的概率因子（Pb）計(jì)算式可按式（3）計(jì)算：

Pb=PrWr（1-EiEs）（3）

式（3）中，EiEs（η=EiEs）為防雷裝置的效率。

4 雷電流幅值累積概率擬合

我國電力行業(yè)規(guī)程中雷電流累積頻率公式一直采用的形式為：

lgPI=-I/c（4）

原水利電力部于1979年1月頒發(fā)的《電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（SDJ 7—79）給出了雷電流累積頻率分布計(jì)算式（3）中c值為108[3]；《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—94）（2000年版）沿用了這一公式。在對(duì)SDJ 7—79規(guī)范與其他規(guī)范合并修訂之后，于1997年10月實(shí)施的規(guī)程中給出了雷電流累積頻率分布計(jì)算式中的c值為88[4]。

美國IEEE Std 1243—1997推薦的雷電流累積頻率分布計(jì)算式為[5]：

PI=■（5）

式（5）中，a表示樣本中值電流，即電流幅值>a的概率為50%；b反映了曲線的指數(shù)變化程度，當(dāng)b值增大時(shí)，50%概率點(diǎn)左右側(cè)曲線陡度絕對(duì)值均變大，其中a=31 kA，b=2.6[5]。

根據(jù)馮志偉等[5]、陳家宏等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，美國IEE Std 1243—1997中推薦的雷電流累積頻率分布計(jì)算式要優(yōu)于我國電力行業(yè)規(guī)程中的計(jì)算式。因此，利用青海省2008—2014年監(jiān)測(cè)閃電資料和式（4）進(jìn)行擬合后，其擬合參數(shù)為a=25.350和b=2.838，與IEE Std 1243—1997及IEC 62305-1中給出的值略有差異。

5 雷擊建筑物導(dǎo)致物理損害概率因子選取

根據(jù)《雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（IEC 62305-2）中關(guān)于Pb值的計(jì)算方法[1]，其在計(jì)算Pb值時(shí)，將式（3）中PrWr的值取為1，即假定防雷裝置截閃失敗后，遭受雷擊的建筑物均會(huì)受到損壞。在實(shí)際雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，按照保守原則，將PrWr的值取為1是可取的。因此，式（3）或簡化為以下形式：

Pb=1-EiEs（6）

給出的各類LPS接閃最小雷電流、最大雷電流和Pb計(jì)算方法，將擬合出的參數(shù)（a=25.350，b=2.838）代入式（5），并將第Ⅰ～Ⅲ類防雷措施對(duì)應(yīng)的接閃最小雷電流及最大雷電流分別代入式（5）后，分別求得各類防雷措施對(duì)應(yīng)的Ei和Es各參數(shù)見表1。

通過擬合計(jì)算發(fā)現(xiàn)，擬合出的Pb值與《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（IEC 62305-2）給出的典型Pb值差別明顯。

《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（IEC 62305-2）中對(duì)于安裝有Ⅰ類LPS，并采用連續(xù)的金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物，其Pb值為0.01，為僅安裝有Ⅰ類LPS建筑物Pb值的1/2。因此，對(duì)于分別安裝了第Ⅰ～Ⅲ類LPS，并采用連續(xù)的金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物的Pb可取以下數(shù)值（表2）。

對(duì)于以金屬屋面作為接閃器或安裝有接閃器，使所有屋面裝置得到完全的直擊雷防護(hù)，連續(xù)金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物，其Pb值可取安裝有Ⅰ類LPS，并采用連續(xù)的金屬框架或鋼筋混凝土框架作為自然引下線的建筑物Pb值的1/2，即0.003 5。

6 結(jié)語

通過對(duì)青海省閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的雷電流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、擬合和計(jì)算，對(duì)GB 50057—2010給出的各類防雷裝置對(duì)應(yīng)的接閃效率、接閃失效概率進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)擬合值與IEC 62305-2中給出的Pb典型值差別明顯。因此，在實(shí)際雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)用《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（GB/T 21714.2—2015）規(guī)定的方法進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，對(duì)Pb的取值應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地雷電活動(dòng)情況選取，以體現(xiàn)出被評(píng)估項(xiàng)目所在地的雷電活動(dòng)規(guī)律。

（2）利用《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》（GB/T 21714.2—2015）對(duì)根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）等國家有關(guān)規(guī)范要求設(shè)計(jì)（設(shè)置）防雷裝置的建筑（構(gòu)）物進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，須對(duì)各防雷等級(jí)的Pb值進(jìn)行擬合計(jì)算。

（3）對(duì)國家級(jí)、省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目和大型項(xiàng)目進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，對(duì)于Pb的取值可按上述方法對(duì)項(xiàng)目所在地一定范圍內(nèi)的閃電監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、擬合和計(jì)算，從而得出更符合當(dāng)?shù)乩纂娀顒?dòng)特征的Pb值，使雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

7 參考文獻(xiàn)

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