基于先導(dǎo)發(fā)展模式對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)Cd取值修正

許 強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司寧津縣供電公司，山東 寧津253400）

基于先導(dǎo)發(fā)展模式對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)Cd取值修正

許 強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司寧津縣供電公司，山東 寧津253400）

通過(guò)閃電先導(dǎo)發(fā)展的二維模型，對(duì)IEC62305中雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估位置因子Cd參數(shù)取值進(jìn)行細(xì)化修正，通過(guò)分析得出：由于對(duì)雷擊建筑物概率的影響因素比較復(fù)雜，各地區(qū)的氣候特征、地形特點(diǎn)、城市化水平等方面不盡相同，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)應(yīng)該根據(jù)區(qū)域性的不同更加合理的選擇參數(shù)取值，從而使雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更加科學(xué)合理，對(duì)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)起到更好的指導(dǎo)作用。

雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；位置因子；環(huán)境因子；修正

0 引言

到目前為止，IEC和ITU等組織對(duì)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了大量研究并提出了相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。IEC62305-2—2006[1]中雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)主要適用于地閃對(duì)建筑物（包括服務(wù)設(shè)施）所造成的風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，其內(nèi)容包括建筑物和服務(wù)設(shè)施的分類(lèi)、雷災(zāi)損害與雷災(zāi)損失、雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、防護(hù)措施的選擇過(guò)程以及建筑物與服務(wù)設(shè)施防護(hù)的基本標(biāo)準(zhǔn)等，該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍很廣，但是在具體的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，可能會(huì)存在更大的不確定性。ITU-K39[2]是國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，其名稱(chēng)為通信局站雷電損壞危險(xiǎn)的評(píng)估，適用于通信局站雷電過(guò)電壓（過(guò)電流）造成的設(shè)備危害和人員安全危害的風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。此外，國(guó)際上許多防雷專(zhuān)家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)都提出了自己的看法。國(guó)內(nèi)的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21714.2[3]主要是同化國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62305并根據(jù)國(guó)內(nèi)情況進(jìn)行了一定的更改。楊仲江、肖穩(wěn)安等[4-5]結(jié)合多年從事雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究、實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)了一些雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的教材。李霞等[6]對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參數(shù)取值進(jìn)行了分析，鐘萬(wàn)強(qiáng)[7]和余蜀豫[8]也對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參數(shù)進(jìn)行過(guò)一些分析研究，并設(shè)計(jì)了參數(shù)取值模型，對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)取值的合理性有進(jìn)一步的指示作用。還有學(xué)者[9]對(duì)閃電活動(dòng)特征進(jìn)行了研究。

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，建筑密度在不斷地增加，而且其工業(yè)化程度也在不斷發(fā)展，對(duì)于氣溶膠等大氣成分的影響也在增加。根據(jù)相關(guān)研究，這些變化將會(huì)對(duì)閃電活動(dòng)和雷擊建筑物的概率等產(chǎn)生影響。而雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)的選取正是依據(jù)區(qū)域的雷電氣候特征及環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行，因此城市化發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程等都會(huì)對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)的取值造成影響[10-11]。筆者主要探討城市化、工業(yè)化進(jìn)程等對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)Cd取值的影響。

1 影響參數(shù)Cd取值的因素

建筑物的相對(duì)位置：通過(guò)位置因子Cd考慮建筑物相對(duì)位置的影響，例如被其他對(duì)象圍繞或處在暴露場(chǎng)所等。見(jiàn)表1。

表1 位置因子CdTable 1 Position factor Cd

郭秀峰等[12]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：由于建筑物對(duì)大氣電場(chǎng)的畸變系數(shù)隨建筑物的高度呈線(xiàn)性增加的關(guān)系，當(dāng)建筑物頂端寬度在10 m以下時(shí)，對(duì)大氣電場(chǎng)的畸變較明顯，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)：建筑物越高，頂端寬度越小對(duì)電場(chǎng)的畸變作用越強(qiáng)。任曉毓等[13]通過(guò)對(duì)雷擊建筑物的先導(dǎo)過(guò)程模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)下行先導(dǎo)到達(dá)離地面約150 m時(shí)，建筑物的拐角和接閃桿等開(kāi)始產(chǎn)生上行先導(dǎo)；拐角和接閃桿之間對(duì)雷電的吸引作用存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。因此，當(dāng)某一建筑物的高度遠(yuǎn)大于周?chē)ㄖ锏母叨葧r(shí)，如果發(fā)生雷電閃擊，由于其對(duì)大氣電場(chǎng)的強(qiáng)畸變作用會(huì)導(dǎo)致其周?chē)妶?chǎng)的增強(qiáng)[14]，從而起到吸引雷電的作用，對(duì)其周?chē)慕ㄖ锲鸬胶芎玫谋Ｗo(hù)，該建筑物此時(shí)相當(dāng)于“接閃桿”，而且考慮到城市化進(jìn)程對(duì)建筑密度、工業(yè)化水平對(duì)氣候的影響等一系列因素，如果該建筑物就是需要保護(hù)的建筑物，考慮到上述分析，此時(shí)的Cd取值如果繼續(xù)按照當(dāng)前雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參數(shù)取值要求進(jìn)行，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的合理性出現(xiàn)瑕疵。

筆者通過(guò)建立閃電先導(dǎo)發(fā)展的二維模型[11]，模擬雷擊建筑物，通過(guò)控制建筑物的數(shù)量、高度、間距、閃電次數(shù)、閃電始發(fā)點(diǎn)等模擬雷擊建筑物的次數(shù)，從而得出建筑物高度、間距、建筑群、閃電始發(fā)位置等對(duì)雷擊次數(shù)的影響。

1.1 周?chē)ㄖ锔叨葘?duì)中心建筑物雷擊概率的影響

首先模擬了中心建筑高100 m，各建筑間距為10 m，閃電始發(fā)點(diǎn)位于中心建筑正上方，模擬500次閃電。從表2中可以看出：隨著周?chē)ㄖ锔叨鹊脑黾樱車(chē)ㄖ睦讚舸螖?shù)也在隨著增加，而且當(dāng)建筑高度和中心建筑高度相近的時(shí)候其雷擊次數(shù)變化不明顯，此時(shí)影響建筑物雷擊次數(shù)的因素主要是閃電的始發(fā)點(diǎn)和建筑物的相對(duì)位置。也就是說(shuō)當(dāng)被保護(hù)建筑物高度和周?chē)ㄖ锏母叨仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)時(shí)，其雷擊概率變化不明顯。

表2 建筑物高度100 m時(shí)模擬雷擊時(shí)的雷擊次數(shù)分布Table 2 The building height of 100 m when the lightning stroke simulation of the number of times the distribution

閃擊距離和繞擊率的關(guān)系見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)IEEE和DL/T620所提出的計(jì)算雷擊建筑物繞擊率的公式計(jì)算得出：當(dāng)滾球半徑為100 m時(shí)，雷擊建筑物的繞擊率分別為57.21%、56.93%。從表3中數(shù)據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)周?chē)ㄖ锔叨葹?0 m時(shí)，中心建筑物的保護(hù)效率為81%，其繞擊率低于上述兩種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。

圖1 閃擊距離和繞擊率的關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.1 Curve of the relationship between the striking distance and shielding failure rate

表3 建筑物高度為20 m時(shí)閃電始發(fā)于中心建筑物雷擊次數(shù)分布Table 3 When height of buildings is 20 m，the number of lightning originating in the central building distribution

其次分別模擬了中心建筑高20 m，建筑間距為10 m，閃電始發(fā)點(diǎn)位于中心建筑正上方、閃電始發(fā)點(diǎn)位于中心建筑和左側(cè)建筑之間，模擬100次閃電見(jiàn)表4。

從表3可看出：隨著周?chē)ㄖ叨鹊脑黾?，中心建筑物的雷擊次?shù)呈下降的趨勢(shì)，周?chē)ㄖ锏睦讚舸螖?shù)呈上升趨勢(shì)，周?chē)ㄖ锏母叨葧?huì)影響中心建筑的雷擊概率。通過(guò)表4中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的情況下，閃電先導(dǎo)的發(fā)展位置對(duì)建筑物的雷擊概率具有很大的影響，當(dāng)閃電先導(dǎo)的發(fā)展點(diǎn)位于左側(cè)建筑和中心建筑之間時(shí)，兩建筑物的雷擊次數(shù)相差不大，而右側(cè)建筑物的基本沒(méi)有遭受雷擊。由于在實(shí)際的雷暴發(fā)展過(guò)程中，在雷暴的移動(dòng)路徑內(nèi)閃電發(fā)生的概率將會(huì)大大增加，結(jié)合以上分析可以得出：處于雷暴移動(dòng)路徑下的建筑物的雷擊概率將會(huì)比在雷暴移動(dòng)路徑外的建筑物的雷擊概率要高。

表4 建筑物高度為20 m時(shí)閃電始發(fā)于中心建筑和左側(cè)建筑之間雷擊次數(shù)分布Table 4 When height of buildings is 20 m，when lightning originating in the central building and the left side of the building between the number of lightning distribution

1.2 閃電始發(fā)位置對(duì)建筑物雷擊概率的影響

表5為建筑高度均為100 m，建筑間距10 m，模擬3次，每次模擬100個(gè)閃電，模擬結(jié)果可以看出，隨著閃電始發(fā)位置的變化，各建筑物的雷擊次數(shù)也相應(yīng)的發(fā)生很大變化。當(dāng)閃電從左側(cè)建筑和中間建筑之間向下發(fā)展時(shí)，兩建筑物的雷擊次數(shù)基本上相同（假設(shè)建筑物的材料相同），而地面的雷擊次數(shù)基本為0；當(dāng)閃電從中間建筑物正上方向下發(fā)展時(shí)，周?chē)ㄖ锏睦讚舸螖?shù)基本相同，地面基本沒(méi)有遭到雷擊；同樣可以看出：當(dāng)閃電從中間建筑物和右側(cè)建筑物之間向下發(fā)展時(shí)，其結(jié)果和從左側(cè)建筑物和中間建筑物之間向下發(fā)展的結(jié)果基本一致。

表5 不同閃電始發(fā)點(diǎn)下相同高度建筑物模擬時(shí)雷擊次數(shù)分布Table 5 lightning strike point of the same height of the building simulation of lightning frequency distribution

2 Cd取值修正

考慮到上述分析，當(dāng)建筑物被更高的對(duì)象或樹(shù)木所包圍時(shí)，由于高層建筑物可以看作接閃桿，采用目前廣為接受的滾球法來(lái)計(jì)算高層建筑物的保護(hù)范圍，根據(jù)被保護(hù)建筑物是否處于保護(hù)范圍來(lái)確定Cd取值。當(dāng)建筑物間的高度近似時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑物的材料來(lái)判斷Cd，因?yàn)榻饘俨牧虾头墙饘俨牧蠒?huì)影響對(duì)閃電的‘吸引’效果，引進(jìn)材料修正系數(shù)K，根據(jù)材料的不同確定K的取值，以此來(lái)修正Cd的計(jì)算結(jié)果。表9為細(xì)化后的位置因子Cd取值（閃電始發(fā)位置均為被保護(hù)建筑正上方）。

表6 位置因子Cd修正Table 6 Position factor Cdcorrection

3 結(jié)語(yǔ)

由于氣候條件、地形條件、城市化和工業(yè)化進(jìn)程等方面具有的區(qū)域性特點(diǎn)，必然會(huì)導(dǎo)致適用范圍廣泛但沒(méi)有針對(duì)性的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估準(zhǔn)確性的下降。根據(jù)不同區(qū)域雷電氣候特征、建筑物所處區(qū)域的雷電災(zāi)害區(qū)劃以及城市化、工業(yè)化等方面對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響來(lái)討論風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的取值，得出以下結(jié)論：周?chē)ㄖ锔叨鹊脑黾訒?huì)減少中心建筑物的雷擊次數(shù)，從而降低其雷擊概率；在建筑特性相同的情況下，閃電始發(fā)位置對(duì)建筑物雷擊概率具有很大的影響，因此在雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，應(yīng)著重考慮閃電始發(fā)位置的影響，而雷暴移動(dòng)路徑和閃電始發(fā)位置息息相關(guān)，因此，雷暴移動(dòng)路徑應(yīng)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中要考慮的因素之一；通過(guò)模擬雷擊建筑物總結(jié)雷擊建筑物的特性，提出進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)應(yīng)根據(jù)建筑物周?chē)沫h(huán)境、建筑群的分布及相互間的影響細(xì)化參數(shù)取值，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行取值細(xì)化。

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Modification of Lightning Risk Assessment Parameter CdBased on Leader Development Model

XU Qiang
（State Grid Shandong Power Company Ningjin Power Supply Company， Ningjin 253400， China）

In this paper，we use the two-dimensional model of lightning leader to refine the parameters of lightning risk assessment in IEC62305，and the result shows that the influence factors of lightning strike probability are complex.Terrain characteristics， urbanization level and so different， in the risk assessment should be based on regional differences in a more reasonable choice of parameter values， so that the lightning risk assessment more scientific and rational， lightning protection design play a better guiding role.

lightning risk assessment;position factor;environmental factor;amendment

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.022

2016-10-19

許強(qiáng) （1975—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏こ躺a(chǎn)運(yùn)行輸配電及用電工程。