對翁源縣某高層建筑物的雷電災害風險評估及防雷設計

羅銳營 王彬

摘要：本文以翁源縣龍湖華府商住小區項目為例，結合翁源縣氣候及雷電活動情況，分析高層建筑雷電災害風險評估及防雷設計要點，對該項目進行雷擊風險評價并給出指導性的建議，重點突出項目所在地域的雷電活動規律、雷擊風險估算、防雷設計參數分析和科學合理的防雷設計指導意見。

關鍵字：雷電災害風險評估；雷電活動規律；防雷設計

中圖分類號：S761文獻標識碼： A

1雷電參數分析

1.1年平均雷暴日Td

據翁源縣氣象臺提供的30年（1980—2010）氣象統計資料，翁源縣年平均雷暴日Td為79天，最高年份為1983年，達111天；最少年份為2003年，有43天。本文雷電資料取自廣東省雷電監測網，該項目經緯度為24°21′46.09″N，114°07′10.68″E，以龍湖華府的地理參數為基準點，以3km為半徑，提取近10年（2001～2010）地閃資料，進行統計分析，經軟件計算分析得出，該位置地閃密度值為10.61次/年/平方公里。

1.2 年平均雷暴時Th

年平均雷暴時Th是年雷暴時的多年平均結果。它與年平均雷暴日有一定的關系，它們之間可以用經驗公式進行換算。

Th=aTｄb≈97h（公式1）

ａ和ｂ為常數，ａ=0.93，ｂ=1.32，Tｈ為年平均雷暴時，Td為年平均雷暴日。其計算結果作為評估區域的年平均雷暴時參量。

1.4閃電密度Ntm

閃電密度是指單位面積和單位時間內發生閃電的數值。雷暴日與閃電密度間有一定的關系，雷暴日Tm與閃電密度Ntm關系為:

Ntm=(aTm+a2Tm4)1/2 （公式2）

式中：ｍ表示月份，a=3×10-2

1.3雷擊大地的年平均密度Ng

雷擊大地的年平均密度Ng是指一年內單位面積地面發生地閃的次數的多年平均值.可以按下式確定:

Ng=0.1Td=7.9（次/km2·a）（公式3）

2龍湖華府區域雷電活動規律分析

根據翁源縣雷暴日月平均資料分析可知，雷暴的發生主要集中在4～9月份，5月至8月為每年雷暴高發月，5月最強。分析翁源縣雷電參數資料，雷暴的發生主要集中在13時～20時，16時強。翁源縣年平均雷暴日數大于40天，不超過90天，屬多雷區，而且有上升趨勢，應值得注意。

2.1龍湖華府所在區域雷電流幅值累計概率分布規律分析

以龍湖華府中心位置為圓心（網格面積36km2）可得到本項目3km半徑范圍平均地閃密度約為10.61次/km2，該值作為本項目采用的地閃密度參考值。從3km范圍雷電流累積概率分布曲線可分別計算出雷擊電流平均值和最大值，以及99%、98%、95%、90%雷電流累積概率分布情況（如圖1）。

1%→99.5kA，即雷電流幅值大于99.5KA的地閃概率為1%；

2%→76.2kA，即雷電流幅值大于76.2kA的地閃概率為2%；

5%→59.6kA，即雷電流幅值大于59.6kA的地閃概率為5%；

10%→46.5kA，即雷電流幅值大于46.5kA的地閃概率為10%；

雷電流幅值的平均值：21.6kA。

圖1龍湖華府（3km）區域雷電流幅值累計概率分布圖

綜合以上氣象雷暴數據分析結果，對于龍湖華府雷擊風險評估和防雷保護而言，取以下氣象雷暴參數值是科學合理的：Ng=10.61次/年/平方公里；最大雷電流幅值I0=100kA。

2.2土壤電阻率

（一）土壤電阻率一般取1m3的正方體土壤電阻值為該土壤電阻率ρ，單位為Ω·m。通過采集項目所在地施工現場土壤數據（表1），綜合計算得出龍湖華府工程項目所在區域土壤層的平均土壤電阻率為104.76Ω·m。

3 龍湖華府雷擊風險各參數值估算

3.1建筑物防雷類別確定方法

龍湖華府建筑物單體共5棟，且基底為共用基礎，建筑群呈半月狀，樓間距小于100米，樓高約100米，利用AutoCAD計算得建筑群孤立建筑等效截收面積Ad=1.6011km2，建筑物等效面積Ae=0.2532km2；建筑物年預計雷擊次數N1=K×Ng×Ae=1.5×10.61×0.2532≈4.03（次/a）；雷擊建筑物年平均次數Nd=Ng×Ad×Cd×Ct×10-6≈8.5（次/a），故防雷類別為二類。

3.2建筑物雷電防護等級劃分

按防雷裝置的攔截效率確定雷電防護等級：經計算，C為各類因子之和，計算得C=5.2；建筑物及入戶設施年預計累計次數N值按N=N1+N2=1.26（次/a）；可接受的年平均最大累計次數Nc=0.58/C=0.1115（次/a）；E=1-Nc/N=0.91，當0.90＜E≤0.98時，可定位B級防護。

另外，將N和Nc進行比較，確定電子設備是否需要安裝雷電防護裝置。當N≤Nc時，可不安裝雷電防護裝置；當N＞Nc時，應安裝雷電防護裝置。

3.3龍湖華府風險計算

風險計算主要考慮到人身傷亡對應風險。不考慮設備故障D3引起的人身傷亡和經濟損失等，所以各分量風險即均為由人員傷亡D1和物理損害D2造成。則風險R1在不同分區內的風險組成如表2：

按照公式R1= RA+ RB+ RU(電力線)+ RV(電力線)+ RU(通訊線纜)+ RV(通訊線纜)對該工程項目中的建筑物計算出各

表3龍湖華府商住小區各區R4經濟損失風險分量值（數值×10-5）

Z1 Z2 小計

RB 0 31.5 3.15

RC 0 2.525 2.52

RM 0 8.75 8.75

RV(電力線) 0 18.917 18.917

RW(電力線) 0 3.7834 3.7834

RZ(電力線) 0 1.7936 1.7936

RV(通訊線纜) 0 ≈0 ≈0

RW(通訊線纜) 0 ≈0 ≈0

RZ(通訊線纜) 0 ≈0 ≈0

合計 0 67.264 67.264

按照公式R4= RB+RC+RM+RV(電力線)+RW(電力線)+RZ(電力線)+RV(通訊線)+RW(通訊線)+RZ(通訊線)對該工程項目中的建筑物計算出各區經濟損失風險分量值，如表3：

經以上計算得出龍湖華府商住樓人身傷亡風險分量值R1和經濟損失風險分量值R4均高于容許值RT =10-5，防雷安全存在很大的隱患，因此需對各建筑物分別進行相對防雷保護措施。

表2龍湖華府人身傷亡風險R1各區分量值（數值×10-5）

Z1 （戶外） Z2 （戶內） 合計

RA 0.126×10-5 － 0.126×10-5

RB － 0.000315 31.5×10-5

Ru（電力線） － 0.00038×10-5 0.000384×10-5

Rv（電力線） － 1.8917E-07 0.018917×10-5

Ru（通信線） － 3.97908E-09 0.0004×10-5

Rv（通信線） － 3.7834E-09 0.00034×10-5

合計 0.0126×10-5 31.5197×10-5 31.644×10-5

3.5保護措施的選擇

龍湖華府措施A：根據建筑特性將建筑物安裝Ⅱ類LPS，采取該措施后的PB從1降低到0.05；在入戶線路上安裝防雷級別為Ⅰ級試驗的SPD，采取這種措施后PU和PV值從1降低到0.01；防火措施固定配置自動滅火裝置或自動報警裝置，rp從0.5降到0.2。接觸和跨步電壓防護采取有效的地面電位均衡措施，PA從1降到0.01。自風險分量值，風險計算結果具體計算值參照表2。

龍湖華府措施B：根據建筑特性將建筑物安裝Ⅰ類LPS，采取該措施后的PB從1降低到0.02；在入戶線路上安裝防雷級別為Ⅰ級試驗的SPD，采取這種措施后PU和PV值從1降低到0.01；防火措施固定配置自動滅火裝置或自動報警裝置，rp從0.5降到0.2。接觸和跨步電壓防護采取有效的地面電位均衡措施，PA從1降到0.01。

兩種方案都使人身傷亡風險值R1降低到了容許值之下，經濟損失風險值R4沒有規定的容許值，但使用方案B后經濟損失風險值R4得到降低。

表4龍湖華府取各方案后得到的人身傷亡風險值R1（數值×10-5）

方案 風險值R1 方案 風險值R4

A 31.5197 A 67.264

B 0.6552 B 31.0719

4風險控制措施

4.1直擊雷防護設計

（1）防雷接地系統的設計

防雷接地系統的設計統一采取共用接地系統，建議利用樁、基礎結構梁內主筋構成接地裝置，接地電阻應小于4Ω，如與信息系統共用接地系統的接地電阻值應不大于1Ω。兩建（構）筑物之間的水平距離應不小于20m，否則應采取等電位連接措施，形成聯合接地網。

（2）引下線的設計

引下線的設計應利用柱內不少于兩條主筋作為引下線，且相鄰兩條引下線的平均間距應≤18m，每棟建筑物的陽角處應設計引下線。宜利用鋼筋混凝土屋面、梁、柱、基礎內的鋼筋作為引下線。

（3）接閃器的設計

避雷帶應明裝在女兒墻上，且陽角處宜設計避雷短針。天面所有避雷帶應構成閉合環形。屋面所有金屬物（包括金屬欄桿）應與屋面防雷裝置可靠連接。

4.2 等電位及接地預留端子設計

等電位連接應包括給排水管道、電纜金屬護套、煤氣管道、金屬構件等。每棟建筑物均應設總等電位聯接端子，同時應將各局部等電位聯接端子、各PE線、各種金屬管道等通過樓層等電位連接端子連接到總等電位連接端子上，并與樓層接地端子板等電位連接。

4.3防雷電電磁脈沖設計

所有電子信息系統應按照GB50057-2010和GB50343-2012相關條款采取防雷電電磁脈沖措施（如接地、屏蔽、等電位聯結、合理布線及安裝浪涌保護器等）。

4.4合理布線

建筑物內敷設的各種電氣線路的總干線金屬線槽宜敷設在其中心部位，并避開引下線；電子信息系統的信號線與電力線之間的間距應滿足規范要求；信息系統布線電纜與附近可能產生高電平電磁干擾的電動機、電力變壓器設備之間應保持必要的間距。

5 結論

通過對擬建的龍湖華府雷擊風險評估，雖然具有很強的地域性和綜合性，針對雷擊損壞類型和來源，經過詳細分析，估算了其可能出現的雷擊損壞及其概率，為科學而經濟的實施雷電防護提供了依據，并針對性地提出了有助減低雷擊損壞風險的設計指導意見，以避免或最大限度降低雷擊造成的損失。

參考文獻

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