某氣象局新址業(yè)務樓雷電災害風險評估評估

某氣象局新址業(yè)務樓雷電災害風險評估評估某氣象局新址業(yè)務樓雷電災害風險評估評估某氣象局新址業(yè)務樓雷電災害風險評估評估六合區(qū)氣象局新址業(yè)務樓雷電災害風險評估南京市六合區(qū)氣象局211500李明軍上海市嘉定區(qū)氣象局201821高曉東摘要：本文分析了六合區(qū)氣象局業(yè)務樓所處的環(huán)境特征、土壤性質(zhì)，結(jié)合氣象信息系統(tǒng)設(shè)備的重要性，對其進行雷電災害風險評估，并針對已設(shè)計的防雷裝置進行分析，以確保業(yè)務樓內(nèi)氣象信息系統(tǒng)設(shè)備的安全和人員的人身安全。關(guān)鍵詞：氣象局業(yè)務樓雷電災害損害損失1、地理地質(zhì)條件南京地處長江中下游平原，坐落在地勢險峻的丘陵地帶。東面是以紫金山為主體的寧鎮(zhèn)山脈，萬里長江穿越市區(qū)。南京屬于北亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，雨量集中。夏半年主導風為東東南風，年平均雷暴日為36.7天，雷暴的移動路徑主要由西向東，屬于雷暴多發(fā)區(qū)。六合區(qū)氣象局新址位于六合區(qū)城區(qū)北部，四周空曠。該地區(qū)的原為水塘，土質(zhì)結(jié)構(gòu)是黏土，土壤濕潤，土質(zhì)良好，測試土壤電阻率為數(shù)十歐姆·米。土壤電阻率測試結(jié)果：a為文納四級法中測量探針的距離。東西方向：a=2mρ=18.38Ω.ma=4mρ=17.83Ω.ma=6mρ=17.49Ω.ma=8mρ=16.94Ω.m南北方向：a=2mρ=18.16Ω.ma=4mρ=17.30Ω.ma=6mρ=17.41Ω.ma=8mρ=17.29Ω.m測試結(jié)果分析表明，從地表至地下16米范圍內(nèi)的平均電阻率約為17.6Ω.m。考慮到季節(jié)修正系數(shù)（取1.6）后的土壤電阻率約為28.2Ω根據(jù)近十年來的氣象雷暴資料統(tǒng)計，雷暴活動最活躍的月份是七、八月份，其強度較大。雷暴活動比較頻繁的月份是三月至九月，該地區(qū)的初雷日是二月，而終雷日是十二月，這就說明該地區(qū)一年當中只有一月沒有雷暴日，由此可見該地區(qū)雷暴活動頻繁，沒有一定的規(guī)律。根據(jù)近十年各月最大風速資料統(tǒng)計，該地區(qū)各月平均風速都在5米/秒以上，極大風速可達31米2、雷電造成業(yè)務樓的各種損害的成因2.1損害源雷電流是根本的損害源。損害源根據(jù)雷擊點的位置(見表1)可以劃分為:S1:雷擊業(yè)務樓，S2:雷擊業(yè)務樓附近大地或建筑物，S3:雷擊業(yè)務樓埋地電纜等設(shè)施，S4:雷擊業(yè)務樓埋地電纜附近大地或建筑物。2.2損害類型根據(jù)業(yè)務樓的特性，在實際的風險評估中，將雷擊引起的基本損害類型劃分為以下三種：(見表1和表2):D1:生物傷害（雷電導致接觸電壓和跨步電壓引起生物觸電）；D2:物理損害（雷擊引起的著火、爆炸、機械效應及化學效應）；D3:電氣和電子系統(tǒng)失效（雷擊下線路和設(shè)備上的過電壓導致電力線路跳閘或電子設(shè)備失效和損毀）。影響業(yè)務樓電力設(shè)施的雷電可以對線路或管道本身以及相關(guān)電氣和電子系統(tǒng)造成物理損害。損害還可能擴展到與電力設(shè)施相連的內(nèi)部系統(tǒng)。2.3損失類型2.3.1對業(yè)務樓，應當考慮以下幾種類型的損失（表1）：其中L1:人員生命損失；L2:對公眾服務的損失；L4:經(jīng)濟損失(建筑物及其內(nèi)存物、服務設(shè)施及活動中斷的損失)。建筑物服務設(shè)施雷擊點損害源損害類型損失類型損害類型損失類型S1D1D2D3L1,L42）L1,L2,L3,L4L1,L2,L4D2,D3L’2,L’4L’2,L’4S2D3L11),L2,L4S3D1D2D3L1,L42)L1,L2,L3,L4L11),L2,4D2D3L’2,L’4L’2,L’4S4D3L11),L2,L4D3L’2,L’41)僅對于具有爆炸危險的建筑物或構(gòu)筑物或其他內(nèi)部系統(tǒng)的失效馬上會危及人員生命的建筑物。2)僅對于可能出現(xiàn)牲畜損失的情況。2.3.2建筑物中各種損害和損失類型對應的風險（表2）損失損害L1人員生命損失L2公眾服務損失L4經(jīng)濟損失D1生物傷害RS_RS1)D2物理損害RFRFRFD3電氣或電子系統(tǒng)的失效RO2)RORO1–僅對于可能出現(xiàn)牲畜損失的情況。2–僅對于具有爆炸危險的建筑物或構(gòu)筑物或其他內(nèi)部系統(tǒng)的失效馬上會危及人員生命的建筑物?？偨Y(jié)來說，通常，雷電造成業(yè)務樓的各種損害的成因有以下幾種：成因1——直接雷擊業(yè)務樓下的接觸電壓和跨步電壓；成因3——直接雷擊下電力電子設(shè)備上的過電壓；成因4——間接雷擊下電力電子設(shè)備上的過電壓；2.3.3業(yè)務樓中可能需要計算的風險包括:R1:人員生命損失風險；R2:對公眾服務的損失風險；R4:經(jīng)濟損失風險3、針對業(yè)務樓損害類型為人身傷亡的風險評估(R1)成因1、成因2、成因5可以引起損害類型1人身傷亡。3.1業(yè)務樓特征數(shù)據(jù)參數(shù)注釋符號數(shù)值參考尺寸（m）假想模型L,W,H56,22,16土壤類型草地10-2表C.2地域因子周圍有其它建（構(gòu)）筑物0.5表A.2直接雷擊致生物觸電由接觸或跨步電壓引起10-2表B.1LPS有，但等電位連接有問題0.01表B.2建筑物外部屏蔽有0.01式（B.3）建筑物物內(nèi)部屏蔽有0.005式（B.3）評估區(qū)域中的人員戶外和戶內(nèi)nt30雷擊密度1//year3.15這里，評估的關(guān)鍵是將業(yè)務樓近似看成一個規(guī)則的長方建筑，且有良好的防直接雷擊措施的建筑物。雷電只能擊中由建筑物頂?shù)谋芾讕Ш徒饘贅?gòu)件等組成的避雷系統(tǒng)，業(yè)務樓利用混凝土柱內(nèi)鋼筋組成的屏蔽網(wǎng)。弱電系統(tǒng)在此區(qū)域?qū)儆诒Ｗo區(qū)域，且均根據(jù)要求安裝適配型號的浪涌保護器。 ＝10-2,是考慮到業(yè)務樓的防直接雷擊裝置有接地良好且各種低壓電子設(shè)備系統(tǒng)的接地連接到同一個地網(wǎng)?？紤]到LPS有避雷帶，且等電位問題處理的非常好。因此，LPS的級別取為比保護很完善的LPSI級更高一級，故取0.01。3.2業(yè)務樓引入設(shè)施（埋地電纜）特征數(shù)據(jù)參數(shù)注釋符號數(shù)值參考電力電纜及電力設(shè)施長度（m）0.38和0.22kV埋地電纜LC,100線路地域因子周圍有其它建筑Cd0.5表A.2線路環(huán)境因子六合區(qū)Ce0.1表A.5線路屏蔽情況有PLD0.95表B.6配線預防措施有KS30.001表B.5系統(tǒng)耐受沖擊電壓（kV）2.5KS40.6式（B.4）相配合的SPD保護有PSPD0.005表B.3注：①因為業(yè)務樓未提供屏蔽電纜的屏蔽層單位長度電阻Rs（Ω/km），故PLD取較大的0.95。同樣道理,KS3應取為0.001。②考慮到業(yè)務樓有各種消防設(shè)備，如滅火器、固定的人工滅火裝置，人工報警裝置等，故rp取0.5。③因為無變壓器，故Ct取為0.23.3業(yè)務樓評估區(qū)域的特征數(shù)據(jù)參數(shù)注釋符號數(shù)值參考土壤電阻率(Ω·m)ρ28.2地板表面類型草地10-2表C.2火災風險一般0.01表C.4特別傷害低度驚慌2表C.5防火措施有0.5表C.3內(nèi)部空間屏蔽有0.005式（B.3）內(nèi)部電力系統(tǒng)是電纜生物觸電損失概率跨步電壓和接觸電壓0.02式C.1Lx=np/nt×tp/8760物理傷害損失概率爆炸起火等0.2式C.1爆炸風險內(nèi)部系統(tǒng)失效有大量弱電設(shè)備0式C.1其中Lt,Lf和Lo可以按照以下近似關(guān)系式，用受害者的相對量來確定數(shù)值:Lx=np/nt×tp/8760 (C.1)式中：Np是可能受到威脅的人員的數(shù)量(受害者，生物觸電考慮取為2；物理傷害取為20；內(nèi)部系統(tǒng)失效取為0)；nt是預期的總?cè)藬?shù)(20人)；tp是以小時計算的業(yè)務樓工作人員每年處于危險場所的時間為2000小時。3.4業(yè)務樓及引入設(shè)施截收面積截收面積符號參考方程出處方程引用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)km2(A.2)LW+6H(L+W)+9(H)20.02圖A.5L×W+2×250×(L+W)+2502表10.23電力電纜表A.3(Lc–3(Ha1+Hb))表1表20表A.325Lc表21.3×104注：（1）IEC標準中Am為建筑物鄰近截收面積。在這個區(qū)域內(nèi)雷擊產(chǎn)生的磁場可能使建筑物內(nèi)100m2回路感應出的過電壓等于或超過內(nèi)部系統(tǒng)沖擊耐壓（1.5kV）。Am的大小是由離建筑物四周Dm=250m在地面上劃出的區(qū)域面積所決定的。雖然該區(qū)域主要為弱電設(shè)備，沖擊耐壓很低，所以，建筑物鄰近截收面積Am（2）表示電力電纜的雷擊截收面積，為電力電纜的鄰近雷擊截收面積。4、雷擊可能引起的幾個損害概率的計算或選取4.1雷擊廠區(qū)導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率PCPC取決于所采用的相配合的SPD保護:對電力電纜，PC=PSPD＝0.005 對信號電纜，PC’=P’SPD＝0.0054.2雷擊廠區(qū)附近導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率PM雷擊廠區(qū)附近引起內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率PM取決于所采用的與對應于因子KMS（考慮了所采用的保護措施的因子）的防雷措施（LPM）。KMS=KS1×KS2×KS3×KS4=0.01×0.005×0.001×0.6＝3×10-8。查表B.4中得出：作為KMS的函數(shù)的PMS的值為0.0001。PM的值應當是PSPD和PMS兩者中的較小值，因為PSPD＝0.005，所以PM＝0.0001。4.3雷擊廠區(qū)埋地電纜導致觸電的概率PU當按照IEC62305-3的要求為了進行等電位連接而安裝SPD時，PU的值等于PSPD與PLD（這里PLD是雷擊相連服務設(shè)施導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率，對屏蔽電纜，沖擊耐受電壓最差的電力電纜的PLD為0.8）之間的較小值。故，對電力電纜，PU＝PLD＝0.005。4.4雷擊廠區(qū)埋地電纜導致起火或爆炸的概率PV當按照IEC62305-3的要求為了進行等電位連接而安裝SPD時，PV的值取PSPD和PLD的兩者之間的較小值。故，對電力電纜，Pv＝PSPD＝0.005。4.5雷擊廠區(qū)埋地電纜導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率PW如果安裝了符合IEC62305-4要求的配合的SPD，PW的值取PSPD和PLD兩者之間的較小值。故，對電力電纜，Pw＝PSPD＝0.005。4.6雷擊廠區(qū)埋地電纜附近導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率PZ如果安裝SPD，PZ的值取PSPD和PLI兩者之間的較小值。PLI是雷擊引入電力線設(shè)施導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率。對屏蔽電力電纜，查表B.7可得出PLI的數(shù)值當UW=1.5kV時，為0.15。故Pz＝PLI＝0.15。5、預期年均雷擊次數(shù)和人身傷亡風險分量5.1業(yè)務樓預期年均雷擊次數(shù)截收面積符號方程出處方程引用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(次/年)(A.4)Ng×Ad×Cd表1表40.032(A.6)Ng×（Am－Ad×Cd）表1表40.693(A.7)Ng×AL1(P)×Cd×Ct表1表2表40(A.8)Ng××Ce×Ct表28195.2評估區(qū)域人身傷亡風險分量符號Z1評估區(qū)域ND×PA×ra×Lt6.4×10-8ND×PB×rp×hz×rf×Lf6.4×10-7NL×PU×ru×Lt0NL×PV×rp×hz×rf×Lf0R1RA+RB+RU+RV7.04×10-7這里，RA:業(yè)務樓及距離業(yè)務樓3m以內(nèi)的區(qū)域中與接觸和跨步電壓造成生物傷害有關(guān)的風險分量。RB:與業(yè)務樓因危險火花放電觸發(fā)火災有關(guān)的風險分量。RU:與業(yè)務樓內(nèi)雷電流注入入戶電力線路產(chǎn)生的接觸電壓造成人身傷害有關(guān)的風險分量。R