对翁源县某高层建筑物的雷电灾害风险评估及防雷设计

罗锐营 王彬

摘要：本文以翁源县龙湖华府商住小区项目为例，结合翁源县气候及雷电活动情况，分析高层建筑雷电灾害风险评估及防雷设计要点，对该项目进行雷击风险评价并给出指导性的建议，重点突出项目所在地域的雷电活动规律、雷击风险估算、防雷设计参数分析和科学合理的防雷设计指导意见。

关键字：雷电灾害风险评估；雷电活动规律；防雷设计

中图分类号：S761文献标识码： A

1雷电参数分析

1.1年平均雷暴日Td

据翁源县气象台提供的30年（1980—2010）气象统计资料，翁源县年平均雷暴日Td为79天，最高年份为1983年，达111天；最少年份为2003年，有43天。本文雷电资料取自广东省雷电监测网，该项目经纬度为24°21′46.09″N，114°07′10.68″E，以龙湖华府的地理参数为基准点，以3km为半径，提取近10年（2001～2010）地闪资料，进行统计分析，经软件计算分析得出，该位置地闪密度值为10.61次/年/平方公里。

1.2 年平均雷暴时Th

年平均雷暴时Th是年雷暴时的多年平均结果。它与年平均雷暴日有一定的关系，它们之间可以用经验公式进行换算。

Th=aTｄb≈97h（公式1）

ａ和ｂ为常数，ａ=0.93，ｂ=1.32，Tｈ为年平均雷暴时，Td为年平均雷暴日。其计算结果作为评估区域的年平均雷暴时参量。

1.4闪电密度Ntm

闪电密度是指单位面积和单位时间内发生闪电的数值。雷暴日与闪电密度间有一定的关系，雷暴日Tm与闪电密度Ntm关系为:

Ntm=(aTm+a2Tm4)1/2 （公式2）

式中：ｍ表示月份，a=3×10-2

1.3雷击大地的年平均密度Ng

雷击大地的年平均密度Ng是指一年内单位面积地面发生地闪的次数的多年平均值.可以按下式确定:

Ng=0.1Td=7.9（次/km2·a）（公式3）

2龙湖华府区域雷电活动规律分析

根据翁源县雷暴日月平均资料分析可知，雷暴的发生主要集中在4～9月份，5月至8月为每年雷暴高发月，5月最强。分析翁源县雷电参数资料，雷暴的发生主要集中在13时～20时，16时强。翁源县年平均雷暴日数大于40天，不超过90天，属多雷区，而且有上升趋势，应值得注意。

2.1龙湖华府所在区域雷电流幅值累计概率分布规律分析

以龙湖华府中心位置为圆心（网格面积36km2）可得到本项目3km半径范围平均地闪密度约为10.61次/km2，该值作为本项目采用的地闪密度参考值。从3km范围雷电流累积概率分布曲线可分别计算出雷击电流平均值和最大值，以及99%、98%、95%、90%雷电流累积概率分布情况（如图1）。

1%→99.5kA，即雷电流幅值大于99.5KA的地闪概率为1%；

2%→76.2kA，即雷电流幅值大于76.2kA的地闪概率为2%；

5%→59.6kA，即雷电流幅值大于59.6kA的地闪概率为5%；

10%→46.5kA，即雷电流幅值大于46.5kA的地闪概率为10%；

雷电流幅值的平均值：21.6kA。

图1龙湖华府（3km）区域雷电流幅值累计概率分布图

综合以上气象雷暴数据分析结果，对于龙湖华府雷击风险评估和防雷保护而言，取以下气象雷暴参数值是科学合理的：Ng=10.61次/年/平方公里；最大雷电流幅值I0=100kA。

2.2土壤电阻率

（一）土壤电阻率一般取1m3的正方体土壤电阻值为该土壤电阻率ρ，单位为Ω·m。通过采集项目所在地施工现场土壤数据（表1），综合计算得出龙湖华府工程项目所在区域土壤层的平均土壤电阻率为104.76Ω·m。

3 龙湖华府雷击风险各参数值估算

3.1建筑物防雷类别确定方法

龙湖华府建筑物单体共5栋，且基底为共用基础，建筑群呈半月状，楼间距小于100米，楼高约100米，利用AutoCAD计算得建筑群孤立建筑等效截收面积Ad=1.6011km2，建筑物等效面积Ae=0.2532km2；建筑物年预计雷击次数N1=K×Ng×Ae=1.5×10.61×0.2532≈4.03（次/a）；雷击建筑物年平均次数Nd=Ng×Ad×Cd×Ct×10-6≈8.5（次/a），故防雷类别为二类。

3.2建筑物雷电防护等级划分

按防雷装置的拦截效率确定雷电防护等级：经计算，C为各类因子之和，计算得C=5.2；建筑物及入户设施年预计累计次数N值按N=N1+N2=1.26（次/a）；可接受的年平均最大累计次数Nc=0.58/C=0.1115（次/a）；E=1-Nc/N=0.91，当0.90＜E≤0.98时，可定位B级防护。

另外，将N和Nc进行比较，确定电子设备是否需要安装雷电防护装置。当N≤Nc时，可不安装雷电防护装置；当N＞Nc时，应安装雷电防护装置。

3.3龙湖华府风险计算

风险计算主要考虑到人身伤亡对应风险。不考虑设备故障D3引起的人身伤亡和经济损失等，所以各分量风险即均为由人员伤亡D1和物理损害D2造成。则风险R1在不同分区内的风险组成如表2：

按照公式R1= RA+ RB+ RU(电力线)+ RV(电力线)+ RU(通讯线缆)+ RV(通讯线缆)对该工程项目中的建筑物计算出各

表3龙湖华府商住小区各区R4经济损失风险分量值（数值×10-5）

Z1 Z2 小计

RB 0 31.5 3.15

RC 0 2.525 2.52

RM 0 8.75 8.75

RV(电力线) 0 18.917 18.917

RW(电力线) 0 3.7834 3.7834

RZ(电力线) 0 1.7936 1.7936

RV(通讯线缆) 0 ≈0 ≈0

RW(通讯线缆) 0 ≈0 ≈0

RZ(通讯线缆) 0 ≈0 ≈0

合计 0 67.264 67.264

按照公式R4= RB+RC+RM+RV(电力线)+RW(电力线)+RZ(电力线)+RV(通讯线)+RW(通讯线)+RZ(通讯线)对该工程项目中的建筑物计算出各区经济损失风险分量值，如表3：

经以上计算得出龙湖华府商住楼人身伤亡风险分量值R1和经济损失风险分量值R4均高于容许值RT =10-5，防雷安全存在很大的隐患，因此需对各建筑物分别进行相对防雷保护措施。

表2龙湖华府人身伤亡风险R1各区分量值（数值×10-5）

Z1 （户外） Z2 （户内） 合计

RA 0.126×10-5 － 0.126×10-5

RB － 0.000315 31.5×10-5

Ru（电力线） － 0.00038×10-5 0.000384×10-5

Rv（电力线） － 1.8917E-07 0.018917×10-5

Ru（通信线） － 3.97908E-09 0.0004×10-5

Rv（通信线） － 3.7834E-09 0.00034×10-5

合计 0.0126×10-5 31.5197×10-5 31.644×10-5

3.5保护措施的选择

龙湖华府措施A：根据建筑特性将建筑物安装Ⅱ类LPS，采取该措施后的PB从1降低到0.05；在入户线路上安装防雷级别为Ⅰ级试验的SPD，采取这种措施后PU和PV值从1降低到0.01；防火措施固定配置自动灭火装置或自动报警装置，rp从0.5降到0.2。接触和跨步电压防护采取有效的地面电位均衡措施，PA从1降到0.01。自风险分量值，风险计算结果具体计算值参照表2。

龙湖华府措施B：根据建筑特性将建筑物安装Ⅰ类LPS，采取该措施后的PB从1降低到0.02；在入户线路上安装防雷级别为Ⅰ级试验的SPD，采取这种措施后PU和PV值从1降低到0.01；防火措施固定配置自动灭火装置或自动报警装置，rp从0.5降到0.2。接触和跨步电压防护采取有效的地面电位均衡措施，PA从1降到0.01。

两种方案都使人身伤亡风险值R1降低到了容许值之下，经济损失风险值R4没有规定的容许值，但使用方案B后经济损失风险值R4得到降低。

表4龙湖华府取各方案后得到的人身伤亡风险值R1（数值×10-5）

方案 风险值R1 方案 风险值R4

A 31.5197 A 67.264

B 0.6552 B 31.0719

4风险控制措施

4.1直击雷防护设计

（1）防雷接地系统的设计

防雷接地系统的设计统一采取共用接地系统，建议利用桩、基础结构梁内主筋构成接地装置，接地电阻应小于4Ω，如与信息系统共用接地系统的接地电阻值应不大于1Ω。两建（构）筑物之间的水平距离应不小于20m，否则应采取等电位连接措施，形成联合接地网。

（2）引下线的设计

引下线的设计应利用柱内不少于两条主筋作为引下线，且相邻两条引下线的平均间距应≤18m，每栋建筑物的阳角处应设计引下线。宜利用钢筋混凝土屋面、梁、柱、基础内的钢筋作为引下线。

（3）接闪器的设计

避雷带应明装在女儿墙上，且阳角处宜设计避雷短针。天面所有避雷带应构成闭合环形。屋面所有金属物（包括金属栏杆）应与屋面防雷装置可靠连接。

4.2 等电位及接地预留端子设计

等电位连接应包括给排水管道、电缆金属护套、煤气管道、金属构件等。每栋建筑物均应设总等电位联接端子，同时应将各局部等电位联接端子、各PE线、各种金属管道等通过楼层等电位连接端子连接到总等电位连接端子上，并与楼层接地端子板等电位连接。

4.3防雷电电磁脉冲设计

所有电子信息系统应按照GB50057-2010和GB50343-2012相关条款采取防雷电电磁脉冲措施（如接地、屏蔽、等电位联结、合理布线及安装浪涌保护器等）。

4.4合理布线

建筑物内敷设的各种电气线路的总干线金属线槽宜敷设在其中心部位，并避开引下线；电子信息系统的信号线与电力线之间的间距应满足规范要求；信息系统布线电缆与附近可能产生高电平电磁干扰的电动机、电力变压器设备之间应保持必要的间距。

5 结论

通过对拟建的龙湖华府雷击风险评估，虽然具有很强的地域性和综合性，针对雷击损坏类型和来源，经过详细分析，估算了其可能出现的雷击损坏及其概率，为科学而经济的实施雷电防护提供了依据，并针对性地提出了有助减低雷击损坏风险的设计指导意见，以避免或最大限度降低雷击造成的损失。

参考文献

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