民航西南空管XY导航台站雷击风险分析研究＊

谢亚雄，刘 畅，余海蓉，陈小尘，吴 容，魏 庆

（四川省防雷中心，四川 成都 610031）

四川省受青藏高原东侧陡峭复杂的地形影响，中小尺度天气系统十分活跃，为全国雷电高发区之一。机场导航台作为空中交通指挥管理系统的重要组成部分，对保障航空安全起到了不容忽视的作用。近年来，因雷击造成导航台站通信系统受损事件时有发生，严重影响机场通导设备正常工作，直接危害飞机飞行安全。目前国内的雷击风险研究多见于民用建筑、商业建筑、易燃易爆场所或轨道交通、供配电线路等基建项目[1-6]，而民用航空行业内的雷击风险研究实例极少见到，与之相关的研究多以防雷工程设计与防雷检测技术为主[7-8]。

文章旨在应用雷击风险分析模型及相关评估标准，对导航台站的雷击风险特性进行研究，根据计算得出的雷击风险因子值提出针对性的科学防护建议，提高雷击及伴随气象灾害的综合防御能力，具有一定的实用价值和创新意义。

1 雷电灾害风险相关参数计算

1.1 导航台站所在地的雷击大地年平均密度

结合近5年（2016—2020年）四川省各导航台所在地的雷电日数、雷电次数及近年来导航台站雷击灾害案例，本次研究拟选取具有典型雷击风险分析意义的XY导航台作为研究对象。根据5年的闪电定位监测资料统计分析，以XY导航台所在地为中心，在3 km半径范围内，2016年1月—2020年12月共监测到闪电341次。闪电资料数据如表1所示。

表1 导航台所在地3 km半径范围内闪电监测资料

由表1的闪电数据可计算得出XY导航台所在地3 k m半径范围内的雷击大地年平均密度Ng=2.413次/km2。

1.2 台站设备机房可接受的最大年平均雷击次数和年预计雷击次数

1．2．1 设备机房可接受的最大年平均雷击次数的计算

设备机房是导航台站实现通讯、对接及调控功能的核心组成部分。设备机房内部的电子信息设备可能因直击雷和雷电电磁脉冲的影响而造成损坏，其可接受的最大年平均雷击次数NC计算公式如下[9]：

式（1）中，C为各类因子之和，具体描述及取值见文献[9]中附录A。经计算可得NC=0.053次。

1．2．2 设备机房年预计雷击次数的计算

设备机房年预计雷击次数N1计算公式如下[10]：

式（2）中：K为校正系数，无量纲；Ng为设备机房所处地区雷击大地密度，次/（km2·年）；Ae为设备机房截收相同雷击次数的等效面积，km2。

利用已知数据，经计算可得N1=0.400次。

设备机房入户设施年预计雷击次数N2计算公式如下[9]：

式（3）中：Ae1′为雷击设备机房入户电源线缆的截收面积，km2；Ae′2为雷击设备机房入户通信线缆的截收面积，km2。

则设备机房及其入户设施年预计雷击次数N按N=N1+N2确定。利用已知数据，计算可得N2=0.068，N=0.468。由计算结果可知，如果设备机房每年遭受超过0.053次雷击，在其内的设备可能会出现损坏。而经计算得到的设备机房的年预计雷击次数为0.468次，因此设备机房年预计雷击次数已远超其可接受的最大年平均雷击次数，需对导航台站的雷击风险特性进行评估分析，以采取合适的雷电防护措施。

2 雷击风险因子的确定与分析

2.1 导航台站区域雷击危险事件分析

当导航台站遭受雷击时，其本身及附近区域可能会产生的风险情况如下：①导航台站人员因接触和跨步电压引起的伤亡事件，与此相关的雷击风险分量以RA进行表征；②导航台站建筑物结构的物理损坏，与此相关的雷击风险分量以RB进行表征；③导航台站内部电气系统和电子设备的失效，与此相关的雷击风险分量以RC进行表征；④导航台站附近区域电气系统和电子设备的失效，与此相关的雷击风险分量以RM进行表征；⑤导航台站内部人员因接触电压产生的危险，与此相关的雷击风险分量以RU进行表征；⑥导航台站外部装置和一般电缆线路入口地点的金属部件间可能会引起电火花，由此可能导致燃烧起火，与此相关的雷击风险分量以RV进行表征；⑦导航台站的入户线路上可能会感应产生过电压，传输到台站内可能会造成内部设备失效，与此相关的雷击风险分量以RW进行表征；⑧导航台站入户线路附近有可能产生线路上的感应过电压，传输到台站内可能会造成内部设备失效，与此相关的雷击风险分量以RZ进行表征。

表2 损害概率P值的选取

2.2 雷击风险因子的获取

对于导航台站而言，雷电闪击造成的人身伤亡损失的风险R由R=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ确定[9]。结合以上分析，对于该区域而言，RA、RB、RU、RV与L1型损失（生命损失）直接相关，RC、RM、RW和RZ风险分量对于人身伤亡损失可不考虑，则R=RA+RB+RU+RV。

在计算每一种风险分量时，需要先行获取损害概率P值及风险分量相关计算参数，由此进一步计算得到人身伤亡损失的风险R1值，计算公式及结果如表2—表4所示。

表3 其他相关风险分量计算参数

表3（续）

表4 人身伤亡损失各风险分量计算

由表4数据可得，导航台人身伤亡损失风险值R=3.77×10-5，而人身伤亡损失风险容许值RT=10-5（如表5所示）。因此，R＞RT，人身伤亡损失风险值大于文献[11]中规定的风险容许值，不满足规范要求。故建筑物必须增加适当的雷电防护措施，以降低雷击造成的人员生命损失风险，使其符合规范要求。

表5 可承受风险的典型值[11]

经分析可得，雷击造成人员生命损失的风险值主要来自于RB（在建筑内由危险火花所引发的火灾或爆炸所导致的实体损害风险）。为了把风险降低到容许值以下，建议可以采取以下保护措施：①导航台内建筑物采用金属屋面作为明设接闪器；②导航台站内建筑物安装明设接闪器（可能包含有其他自然结构部件），使所有屋面设备得到完全的直击雷防护，并采用连续金属框架或钢筋混凝土框架用作自然引下线。

采取以上保护措施后，建筑物PB（LPS特性）由0.05降至0.001，建筑物由雷击造成的人员生命损失风险R相应降低为0.294×10-5，该值小于RT（1×10-5），能够满足规范的要求。

3 设备机房的雷电防护等级

设备机房的雷电防护等级按防雷装置拦截效率E确定，其防护等级划分应参照表6中的规定[9]。

表6 电子信息系统防护等级

由1.2小节中计算出的设备机房的年预计雷击次数和可接受的最大年平均雷击次数分别为N=0.468次和NC=0.053次，经计算得E=0.89，则根据表6中的规定，计算所得的设备机房的雷电防护等级可确定为C等级，其内部的电子信息系统应采取相应等级的防雷电电磁脉冲等防护措施，以降低雷击风险损失。

根据文献[9]中表4.3.1的规定，导航台站内设备机房的雷电防护级别为A等级。设备机房电子信息系统的雷电防护级别越高，所采取的雷电防护措施更严密，则花费更大。显然，在使设备机房达到应有的雷电防护效果前提下，采取C等级下的雷电防护措施相比A等级更节省成本。

4 结论

利用相关数据及计算公式，得到导航台站设备机房可接受的最大年平均雷击次数NC=0.053次和年预计雷击次数N=0.468次，设备机房年预计雷击次数已远超其可接受的最大年平均雷击次数，存在较大的雷击受损风险。

结合导航台站相关数据及雷击风险计算模型，计算得到导航台站人身伤亡损失风险R1=3.77×10-5，该值大于规范中规定的风险容许值，建议可以采取以下保护措施：①导航台内建筑物采用金属屋面作为明设接闪器；②导航台站内建筑物安装明设接闪器（可能包含有其他自然结构部件），使所有屋面设备得到完全的直击雷防护，并采用连续金属框架或钢筋混凝土框架用作自然引下线。采取此保护措施后，R1降低为0.294×10-5，该值小于RT（1×10-5），能够满足规范的要求。

从设备机房的雷电防护等级划分入手，在达到应有的雷击防护效果的前提下，建议采取C级别的雷电防护措施，以达到节省成本、合理配置资源的目的。