雷电灾害风险评估现场勘察定量化方法研究

付小霞 彭琳 刘林 胡美琼

湖南省气象灾害防御技术中心 湖南 长沙 410007

1.引言

雷电灾害风险评估是根据项目所在地雷电活动时空分布特征及其灾害特征，结合现场情况进行分析，对雷电可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算。从当前现场勘察方法来看，大部分以定性为主，对于定量化分析和判断较少，做好雷电灾害风险评估定量化方法研究，对于指导区域雷电灾害防护，具有较好的现实意义。本文以长沙磁浮工程长沙南站为例，从雷击电子信息系统电磁防护和人员安全两个方面进行分析，提出勘察范围，以期为雷电灾害风险评估现场勘察提供具体思路和借鉴。

2.雷电磁场屏蔽防护勘察方法

2.1 构建接闪后的磁场强度分布及风险临界范围

根据GB50343，建筑物接闪后LPZ0区内磁场强度参照下式进行计算：

式中：i0----雷电流幅值（A）；

sa----从雷击点到屏蔽空间中心的距离（m）。

根据GBT21431-2008，参考美国通用研究公司研究结果，磁场强度为0.07Gs（约5.55A/m），可以造成计算机误动作；磁场强度为0.75Gs，可以造成计算机假性损坏；磁场强度为2.4Gs时，可以造成计算机元件永久损坏。

2.2 项目接闪后需考虑的影响勘察范围

项目接闪后，将对周边建筑设施内的电子信息设备造成影响，其影响勘察范围，应参考周边建筑物的电子信息系统防护需要，在不考虑屏蔽的情况下，项目接闪后，建议按照A级和B级防护的电子信息系统不会造成假性损坏标准进行勘察，C级以下按照不会造成永久性损坏的标准进行勘察。

结合2.1进行计算，对于具有A级和B级防护的电子信息系统建筑物，勘察范围半径R1为：

式中：imax----项目所在地历史最大雷电流幅值（A）。

对于具有C级以下防护等级的电子信息系统建筑物，勘察范围半径R2为：

R2= imax/(380.4π)

长沙磁浮工程长沙南站历史最大雷电流强度219KA，以此为例计算：

因此，在对长沙磁浮工程长沙南站的现场勘察中，应重点考虑项目周边586米半径范围内的具有A级和B级防护的电子信息系统建筑物；周边183米半径范围内的具有C级以下等级防护的电子信息系统建筑物。

2.3 项目电子信息系统防护需勘察的周边接闪物范围

周边具有明显接闪作用的设施，一旦接闪，将对项目内的电子信息系统设备造成影响，因此，应加强对周边可能接闪的设施进行勘察。

经过计算长沙南站电子信息系统雷电防护等级采用B级，在不考虑屏蔽的情况下，应注意R1（586米）半径范围内周边可能接闪设施的勘察。在考虑屏蔽的情况下，长沙南站电子信息系统设备所在关键场所等效网格宽度W取4m，r取0.004米，则屏蔽系数SF为：

在LPZ1区内磁场强度按下式计算

假设最大勘察半径为R,则有：

imax=219KA，H1=59.5A/m，SF=3.27代入上式计算，R为402米，在项目现有屏蔽措施的情况下，应重点勘察402米半径范围内的可能接闪物，做好重点防范。

3. 雷电人员安全勘察方法

3.1 雷击土壤散流模型

假设土壤为均匀、单一土壤，不考虑大地回流，地网对散流无影响，则强度为I的雷电流流入土壤电阻率为ρ的大地时，离开球心（电流流入点）为r的土壤中，电流密度J和电场强度E为：

距离雷电流流入点距离为a的电势V为：

3.2 人体承受雷电流的安全阀值

关于脉冲电流的安全问题，引用IEEE Std80-2000所提出的人体所允许电流公式，由IEEE公式外推决定的体重为50kg和70kg，人体允许雷电流分别为18.34A和24.82A。

人体承受的最大跨步电压Ukmax为：

根据IEEE观点，雷电流冲击情况下，人体冲击电阻在300～500Ω范围，分析中取400Ω。通过上式计算，雷电流波形在10/350μs时，50kg人体能承受的最大Ukmax为2.482KV，70kg人体Ukmax为3.3568KV；雷电流波形在2.6/50μs时，50kg人体Ukmax为6.5620KV，70kg人体Ukmax为8.8813KV。

3.3 人员安全勘察范围

假设人员步长为0.8米，雷击点与人员中心点（两脚与中心点前后差0.4米）水平距离为d，则人体承受的跨步电压dv为：

按计算的Ukmax值的最小值来计算，对于长沙南站,I=219KA，ρ=103.3Ω˙m，代入上式，d=34.08m，因此需勘察项目接闪构建周边34.08米范围内的人员密集场所，做好人员安全防范。