许 强

（国网山东省电力公司宁津县供电公司，山东 宁津253400）

基于先导发展模式对雷电风险评估参数Cd取值修正

许 强

（国网山东省电力公司宁津县供电公司，山东 宁津253400）

通过闪电先导发展的二维模型，对IEC62305中雷电风险评估位置因子Cd参数取值进行细化修正，通过分析得出：由于对雷击建筑物概率的影响因素比较复杂，各地区的气候特征、地形特点、城市化水平等方面不尽相同，在进行风险评估时应该根据区域性的不同更加合理的选择参数取值，从而使雷电风险评估更加科学合理，对雷电防护设计起到更好的指导作用。

雷电风险评估；位置因子；环境因子；修正

0 引言

到目前为止，IEC和ITU等组织对雷电灾害风险评估进行了大量研究并提出了相应的评估标准。IEC62305-2—2006[1]中雷电灾害风险评估的标准主要适用于地闪对建筑物（包括服务设施）所造成的风险的评估，其内容包括建筑物和服务设施的分类、雷灾损害与雷灾损失、雷灾风险、防护措施的选择过程以及建筑物与服务设施防护的基本标准等，该标准适用范围很广，但是在具体的雷电风险评估时，可能会存在更大的不确定性。ITU-K39[2]是国际电信联盟发布的标准，其名称为通信局站雷电损坏危险的评估，适用于通信局站雷电过电压（过电流）造成的设备危害和人员安全危害的风险的评估。此外，国际上许多防雷专家对风险评估标准都提出了自己的看法。国内的雷电风险评估标准GB/T 21714.2[3]主要是同化国际标准IEC62305并根据国内情况进行了一定的更改。杨仲江、肖稳安等[4-5]结合多年从事雷电灾害风险评估研究、实践积累的经验，编写了一些雷电灾害风险评估的教材。李霞等[6]对雷电风险评估的参数取值进行了分析，钟万强[7]和余蜀豫[8]也对风险评估的参数进行过一些分析研究，并设计了参数取值模型，对雷电风险评估参数取值的合理性有进一步的指示作用。还有学者[9]对闪电活动特征进行了研究。

随着城市化进程的不断发展，建筑密度在不断地增加，而且其工业化程度也在不断发展，对于气溶胶等大气成分的影响也在增加。根据相关研究，这些变化将会对闪电活动和雷击建筑物的概率等产生影响。而雷电风险评估参数的选取正是依据区域的雷电气候特征及环境特点进行，因此城市化发展、工业化进程等都会对雷电风险评估参数的取值造成影响[10-11]。笔者主要探讨城市化、工业化进程等对雷电风险评估参数Cd取值的影响。

1 影响参数Cd取值的因素

建筑物的相对位置：通过位置因子Cd考虑建筑物相对位置的影响，例如被其他对象围绕或处在暴露场所等。见表1。

表1 位置因子CdTable 1 Position factor Cd

郭秀峰等[12]通过研究发现：由于建筑物对大气电场的畸变系数随建筑物的高度呈线性增加的关系，当建筑物顶端宽度在10 m以下时，对大气电场的畸变较明显，通过拟合发现：建筑物越高，顶端宽度越小对电场的畸变作用越强。任晓毓等[13]通过对雷击建筑物的先导过程模拟发现：当下行先导到达离地面约150 m时，建筑物的拐角和接闪杆等开始产生上行先导；拐角和接闪杆之间对雷电的吸引作用存在竞争关系。因此，当某一建筑物的高度远大于周围建筑物的高度时，如果发生雷电闪击，由于其对大气电场的强畸变作用会导致其周围电场的增强[14]，从而起到吸引雷电的作用，对其周围的建筑物起到很好的保护，该建筑物此时相当于“接闪杆”，而且考虑到城市化进程对建筑密度、工业化水平对气候的影响等一系列因素，如果该建筑物就是需要保护的建筑物，考虑到上述分析，此时的Cd取值如果继续按照当前雷电风险评估的参数取值要求进行，可能会导致风险评估的合理性出现瑕疵。

笔者通过建立闪电先导发展的二维模型[11]，模拟雷击建筑物，通过控制建筑物的数量、高度、间距、闪电次数、闪电始发点等模拟雷击建筑物的次数，从而得出建筑物高度、间距、建筑群、闪电始发位置等对雷击次数的影响。

1.1 周围建筑物高度对中心建筑物雷击概率的影响

首先模拟了中心建筑高100 m，各建筑间距为10 m，闪电始发点位于中心建筑正上方，模拟500次闪电。从表2中可以看出：随着周围建筑物高度的增加，周围建筑的雷击次数也在随着增加，而且当建筑高度和中心建筑高度相近的时候其雷击次数变化不明显，此时影响建筑物雷击次数的因素主要是闪电的始发点和建筑物的相对位置。也就是说当被保护建筑物高度和周围建筑物的高度在一定范围内时，其雷击概率变化不明显。

表2 建筑物高度100 m时模拟雷击时的雷击次数分布Table 2 The building height of 100 m when the lightning stroke simulation of the number of times the distribution

闪击距离和绕击率的关系见图1。通过对IEEE和DL/T620所提出的计算雷击建筑物绕击率的公式计算得出：当滚球半径为100 m时，雷击建筑物的绕击率分别为57.21%、56.93%。从表3中数据计算可以发现，当周围建筑物高度为20 m时，中心建筑物的保护效率为81%，其绕击率低于上述两种标准的计算结果。

图1 闪击距离和绕击率的关系曲线图Fig.1 Curve of the relationship between the striking distance and shielding failure rate

表3 建筑物高度为20 m时闪电始发于中心建筑物雷击次数分布Table 3 When height of buildings is 20 m，the number of lightning originating in the central building distribution

其次分别模拟了中心建筑高20 m，建筑间距为10 m，闪电始发点位于中心建筑正上方、闪电始发点位于中心建筑和左侧建筑之间，模拟100次闪电见表4。

从表3可看出：随着周围建筑高度的增加，中心建筑物的雷击次数呈下降的趋势，周围建筑物的雷击次数呈上升趋势，周围建筑物的高度会影响中心建筑的雷击概率。通过表4中的数据，可以发现：在其他条件相同的情况下，闪电先导的发展位置对建筑物的雷击概率具有很大的影响，当闪电先导的发展点位于左侧建筑和中心建筑之间时，两建筑物的雷击次数相差不大，而右侧建筑物的基本没有遭受雷击。由于在实际的雷暴发展过程中，在雷暴的移动路径内闪电发生的概率将会大大增加，结合以上分析可以得出：处于雷暴移动路径下的建筑物的雷击概率将会比在雷暴移动路径外的建筑物的雷击概率要高。

表4 建筑物高度为20 m时闪电始发于中心建筑和左侧建筑之间雷击次数分布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 闪电始发位置对建筑物雷击概率的影响

表5为建筑高度均为100 m，建筑间距10 m，模拟3次，每次模拟100个闪电，模拟结果可以看出，随着闪电始发位置的变化，各建筑物的雷击次数也相应的发生很大变化。当闪电从左侧建筑和中间建筑之间向下发展时，两建筑物的雷击次数基本上相同（假设建筑物的材料相同），而地面的雷击次数基本为0；当闪电从中间建筑物正上方向下发展时，周围建筑物的雷击次数基本相同，地面基本没有遭到雷击；同样可以看出：当闪电从中间建筑物和右侧建筑物之间向下发展时，其结果和从左侧建筑物和中间建筑物之间向下发展的结果基本一致。

表5 不同闪电始发点下相同高度建筑物模拟时雷击次数分布Table 5 lightning strike point of the same height of the building simulation of lightning frequency distribution

2 Cd取值修正

考虑到上述分析，当建筑物被更高的对象或树木所包围时，由于高层建筑物可以看作接闪杆，采用目前广为接受的滚球法来计算高层建筑物的保护范围，根据被保护建筑物是否处于保护范围来确定Cd取值。当建筑物间的高度近似时，应根据建筑物的材料来判断Cd，因为金属材料和非金属材料会影响对闪电的‘吸引’效果，引进材料修正系数K，根据材料的不同确定K的取值，以此来修正Cd的计算结果。表9为细化后的位置因子Cd取值（闪电始发位置均为被保护建筑正上方）。

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

3 结语

由于气候条件、地形条件、城市化和工业化进程等方面具有的区域性特点，必然会导致适用范围广泛但没有针对性的雷电风险评估标准评估准确性的下降。根据不同区域雷电气候特征、建筑物所处区域的雷电灾害区划以及城市化、工业化等方面对雷电风险评估的影响来讨论风险评估的取值，得出以下结论：周围建筑物高度的增加会减少中心建筑物的雷击次数，从而降低其雷击概率；在建筑特性相同的情况下，闪电始发位置对建筑物雷击概率具有很大的影响，因此在雷电风险评估时，应着重考虑闪电始发位置的影响，而雷暴移动路径和闪电始发位置息息相关，因此，雷暴移动路径应是风险评估过程中要考虑的因素之一；通过模拟雷击建筑物总结雷击建筑物的特性，提出进行风险评估时应根据建筑物周围的环境、建筑群的分布及相互间的影响细化参数取值，并根据模拟结果进行取值细化。

[1]IEC62305-2-2006雷电防护.第2部分:风险管理 [S].2006.

[2]ITU.ITU-T k通信局站雷电损坏危险的评估[S].1996.

[3]GB/T21714.2中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2008.

[4]杨仲江.雷电灾害风险评估与管理基础[M].北京：气象出版社，2010.

[5]肖稳安.防雷工程检测验收及雷电灾害风险评估[M].北京：气象出版社，2009.

[6]李霞，樊荣，肖稳安，等.雷击风险评估参数的几点探讨[C].2011年第二十八届中国气象学会年会论文集.厦门，2011.

[7]钟万强.雷电灾害风险评估的参数研究与模型设计[D].南京：南京气象学院 南京信息工程大学，2004.

[8]余蜀豫.雷电风险评估方法和参数研究及实践[D].南京：南京信息工程大学，2012.

[9]DETWYLER T R.Climate of the city:Man′s impact on Environment[M].McGraw-Hill Book Company.1971.

[10]张欣，杨天琦，杨仲江.地下建筑物遭受雷击损害的风险因子分析[J].电瓷避雷器，2014（3）：44-48.ZHANG Xin， YANG Tianqi， YANG Zhongjiang.Analysis of risk factors of lightning damage to underground buildings[J].Insulators and Surge Arresters， 2014（3）:44-48.

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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

许强 （1975—），男，高级工程师，研究方向为电力工程生产运行输配电及用电工程。