贺姗 乐辉 邳莹

摘要：根据国家标准GB 50057-2010和国际标准IEC 62305-2：2010中给出的建筑物年预计雷击次数的计算方法，分别对校正系数/位置因子、建筑物所处地雷击大地的年平均密度、建筑物截收面积3个分量进行了对比分析，并研究了不同条件下两个标准中年预计雷击次数比值与建筑物长、宽、高等的关系。总结了两个标准年预计雷击次数计算方法的局限性与合理性，以期为雷电防护设计和雷击风险评估等工作提供依据。

关键词：雷击大地密度;位置因子;等效截收面积

中图分类号：S761.5         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）09-0043-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.010           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： According to the calculation method of the number of lightning per annum in buildings given in national standard GB 50057-2010 and international standard IEC 62305-2：2010， the three components of the correction/location factor， the lightning ground flash density where the building located and the equivalent area of buildings were compared and analyzed respectively. The relationship between the ratio of the annual number of lightning in two standards and the length， width and height of the building was studied under different conditions. The limitations and rationality of the calculating methods of the annual number of lightning in two standards were summarized in order to provide a basis for the design of lightning protection and lightning risk assessment.

Key words： lightning ground flash density; location factor; equivalent area

在一般的雷电防護设计中，需对建筑物进行防雷等级分类，而建筑物年预计雷击次数是进行防雷等级分类所需要的基础数据;在一个项目的雷击风险评估中，需要对大气雷电环境进行评价，而年预计雷击次数就是其中一个基础方面。故无论是进行防雷工程的设计还是雷击风险的评估，都需要先计算出被保护建筑物的年预计雷击次数[1]。建筑物的年预计雷击次数是指在一年内某建筑物在单位面积内可能遭受到的雷电袭击次数。中国学者对建筑物的年预计雷击次数进行了大量研究，谢杰[2]、王芳春[3]分析研究了年预计雷击次数的精确、简化计算方法，冯鹤等[4]探讨了架空线路的年预计雷击次数。

对于建筑物年预计雷击次数的计算，中国的国家标准GB 50057-2010[5]和国际电工委员会发布的国际标准IEC 62305-2：2010[6]都给出了各自的计算方法，虽然两个规范中给出的公式形式相似，但其分量的计算却各有不同。刘兴元[7]提出应增加GB 50057-2010标准中年预计雷击次数计算公式相关参数的修正系数的建议;高磊等[8]探讨了等效截收面积计算的若干问题;任艳等[9]根据雷电数学模型及雷电流幅值的概率分布特征等对两种标准中等效截收面积计算方法和雷击大地密度的合理性进行了分析研究;史雅静等[10]、李鑫等[11]分析了位置因子特征，并提出了雷击风险评估精细化计算模型。这些学者对年预计雷击次数的各种分量做了研究，但少见对两种标准规范中年预计雷击次数进行比较分析。本研究分别从年预计雷击次数的3个分量，即校正系数/位置因子、建筑物所处地区雷击大地的年平均密度、建筑物截收相同雷击次数的等效面积着手，进行了对比分析，旨在研究两种标准规范中年预计雷击次数各自的局限性以及合理性，以期为雷电防护设计和雷击风险评估工作提供依据。

1  两个标准中年预计雷击次数的计算方法分析

在中国国家标准GB 50057-2010中规定，建筑物年预计雷击次数（N）按式（1）计算。

式中，k为校正系数，Ng为建筑物所在地区雷击大地的年平均密度，Ae为建筑物截收相同雷击次数的等效面积。

而在国际标准IEC 62305-2：2010（下文简称“IEC标准”）中建筑物的危险时间次数计算公式如式2所示。

式中，Nd为雷击大地密度，Ad为建筑物截收面积，Cd为建筑物的位置因子。

两个标准中所给出的公式形式是相似的，k与Cd相对应，均为修正因子;而Ng相同，均为雷击大地密度;Ae与Ad均表示建筑物的等效截收面积，但是这些分量各自对应的计算公式却有差别，导致最终按两个标准计算出来的年预计雷击次数相差较大。

2  两个标准中年预计雷击次数各分量的对比分析

2.1  修正因子k与Cd

在两个标准中校正系数（k）与位置因子（Cd）取值详情见表1，可知k在一般情况下和Cd在为孤立建筑物时都取1，在山顶上的孤立建筑物k和Cd均取2。在这两种情况下，两个标准中的取值相同，考虑的条件也相同，即主要考虑孤立建筑物的相对位置。

对于剩下不同的两组系数，在中国国家标准中，主要考虑了被评估建筑物所处地的土壤电阻率、建筑物结构类型，没有考虑周围物体对被评估建筑物的影响;而IEC标准中反映了周围物体对被评估建筑物的影响，却忽视了建筑物所处地的地质环境等对建筑物年预计雷击次数的影响。但是在国家标准中，计算建筑物的等效截收面积时，考虑了周边建筑物高度对评估建筑物的影响，这样最终所得的年预计雷击次数较全面、更符合实际情况，而IEC标准中仅考虑了建筑物周边环境的影响，忽略了其他因素。

2.2  雷击大地密度的分析

雷击大地密度是指每年每平方千米雷击大地的次数，无论在国家标准中还是在国际标准中，它们采取相同的计算公式，即Ng=0.1×Td，其中Td为年平均雷暴日，GB 50057-2010中指出这一数值根据当地气象台、气象站资料确定;而IEC标准中说明Ng可由闪电定位系统提供，若没有闪电定位系统，在温带地区则可用公式来计算。

根据规定，在一天内只要观测站听到雷声（不管几次）则记为一个雷暴日[12]。一般情况下，可以听到距离观测站一定范围以内的雷声，超出此范围的雷声则不能够被听到;且雷暴日本身不能反映雷暴持续的时间，这些都表明雷暴日的使用存在一定局限性。通过闪电监测定位系统，可以较精确地得到某一具体地方单位面积的年闪电密度[13]。但是，通过分析对比，闪电定位系统所得的雷暴日普遍高于人工观测记录的结果，且在雷电高发月份，雷暴日数相差较大[14]，这会使最后得到的雷击大地密度存在巨大的差异，故需要提出一种更科学合理的计算方法来计算雷击大地密度。现在较多省份（自治区）都根据闪电定位系统得出的闪电次数，通过网格法来计算出雷击大地密度，这较符合各个地区的特征，也更为合理。

2.3  等效截收面积计算方法

在IEC标准中规定的截收面积是指从建筑物上各点高度的3倍全方位向地面投影所构成的面积。孤立建筑物可由相关公式求得，而对于形状较复杂的建筑物，可用作图法来求解。

3  两个标准中年预计雷击次数计算方法的比较

分析平坦大地上长、宽、高分别为L、W、H的某建筑物年预计雷击次数，主要分两种情况来考虑，即当建筑物高度H<100 m和≥100 m时，在这两种情况下分别比较两个标准中所得的建筑物年预计雷击次数的差别。因两个标准中雷击大地密度相同，所以考虑的是平坦大地上的建筑物，则k=1，由式（1）、式（2）可得GB 50057-2010和IEC标准中年预计雷击次数的比值如式（3）所示，即只需根据实际的相对位置考虑两种标准中等效截收面积的关系即可。

选取建筑物长度L分别为30、75、120 m;W分别为10、20、30 m时，年预计雷擊次数的比值（N2/Nd）随高度H的变化如图1所示。

由图1可知，年预计雷击次数的比值随着建筑物高度的增加而减少，且比值减少趋势随着高度增加而减缓。当建筑物长度L一定时，比较图中曲线①、②、③可知，年预计雷击次数的比值随着建筑物宽度的增加而增加，即宽度越大，年预计雷击次数的比值越大;宽度越小，年预计雷击次数在建筑物越低的高度达到1。当建筑物宽度W一定时，由图中曲线③、④、⑤可知，年预计雷击次数的比值随着建筑物长度的增加而增加，即长度越大，比值越大;长度越小，比值在建筑物越低的高度达到1。

由上述分析可知，两标准中建筑物年预计雷击次数的比值随着建筑物的长、宽的增加而增加，建筑物的长、宽数值越大，年预计雷击次数的比值越大，且随着高度的增加而减小。当建筑物高度较小时，年预计雷击次数的比值变化较大;而达到一定高度时，年预计雷击次数的比值变化减小，比值的变化率趋于平缓。即在较低的高度，GB 50057-2010中年预计雷击次数大于IEC标准中年预计雷击次数，而随着高度的增加，两者间的差距逐渐减小，直至GB 50057-2010中年预计雷击次数小于IEC标准中年预计雷击次数。

3.1.3  建筑物四周在2D范围内都有比它高的其他建筑物  当建筑物四周在2D范围内都有比它高的其他建筑物，Cd=0.25，GB 50057-2010中等效截收面积计算公式为Ae3=LW，Ad公式不变，则将上述各种关系式带入式（3）可得：

3.2  当建筑物的高度等于或大于100 m时

在GB 50057-2010中，当H>100 m时，建筑物每边的扩大宽度D=H。①在一般情况下GB 50057-2010中等效截收面积计算公式为Ae1′=LW+2（L+W）H+πH2，而在IEC标准中，Ad′=LW+6H（L+W）+9πH2，则有Ad′-Ae1′=4H（L+W）+8πH2>0，可见IEC标准中等效截收面积一直大于GB 50057-2010中的等效截收面积，即年预计雷击次数按IEC标准计算的一定大于按照GB 50057-2010计算的。②当建筑物四周在2D范围内都有等高或比它低的其他建筑物时，GB 50057-2010中Ae2′=LW+（L+W）H+■πH2，Ad′公式不变，Cd=0.50，则Ad′-Ae2′=2H（L+W）+4.25 πH2-LW，由此可以看出，只要2H≥W，则Ad′-Ae2′>0，即根据IEC标准计算的年预计雷击次数一定大于根据GB 50057-2010计算的。③当建筑物四周在2D范围内都有比它高的其他建筑物时，与“3.1.3”中情况相同。

3.3  当建筑物各部分的高度不同时

对于此种情况，两种规范中的规定相似，沿着建筑物周边各点算出最大扩大宽度，然后连接最大扩大宽度外端的连接线，所得的面积即为等效截收面积。每部分按公式计算比较复杂时，可以利用作图法来直接求出等效截收面积，再根据年预计雷击次数的公式求解。

4  结论

1）在GB 50057-2010和IEC标准中，校正系数的选取各有偏重点，若将国际标准中的位置因子纳入到截收面积环境的考虑中时，IEC标准即等同于无校正系数，而GB 50057-2010标准却给出了当土壤电阻率较低和金属屋面无接地的砖木结构等情况下的校正系数。两种规范中提及的雷击大地密度的算法存在一定的误差，如果条件允许，可以利用闪电定位系统推导当地的经验公式。

2）建筑物处于平坦大地上，当高度小于100 m时，在高度较低的建筑物中，按GB 50057-2010標准计算出的年预计雷击次数高于按IEC标准计算的，但随着高度的增加，两者的差距逐渐减小，最终按GB 50057-2010标准计算出的年预计雷击次数会远低于按IEC标准计算的。当建筑物的高度大于100 m时，按GB 50057-2010标准计算出的年预计雷击次数通常低于按IEC标准计算的。因为在GB 50057-2010标准中扩大宽度是按照滚球半径为100 m时，建筑物能截收的最小雷电流累积计算而得来的，研究表明，在100 m以内，建筑物的扩大宽度D与H的比值随着高度的增加在不断减小，当建筑物等于或高于100 m时，建筑物的扩大宽度为H，即不论建筑物的高度为多少全部按照高度计算，这种取值方法会使高层建筑的年预计雷击次数产生较大误差，而IEC标准中，建筑物的扩大宽度始终为建筑物高度的3倍，这样扩大宽度所得到的等效截收面积的覆盖范围会较广，如此得来的年预计雷击次数会使雷击风险评估更合理。

3）而在低层建筑物中，GB 50057-2010标准中考虑的情况比较全面，根据实际情况可分为多类，还考虑到了土壤电阻率等的影响，这会使最终计算得出的建筑物年预计雷击次数较准确。所以在运用时，可以根据实际情况来选择建筑物年预计雷击次数的两种方法，综合进行分析计算，以期望得出更合理的建筑物年预计雷击次数，从而使得在防雷工程的设计或者雷击风险的评估更为准确合理。

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收稿日期：2018-09-14

基金项目：湖北省防雷中心自立课题项目（FL-Y-2016004）

作者简介：贺  姗（1987-），女，湖北天门人，工程师，主要从事雷电灾害评估与防护技术研究，（电话）13554491593（电子信箱）1256650699@qq.com。