高层建筑物的雷电灾害风险评估

浅谈城市高层建筑物的雷电灾害风险评估
吴寿文1，吴丽2，陈昌文 2
（1.贵州省黄平县气象局，贵州黄平 556100；2.贵州省六盘水市气象局，贵州六盘水 553001）
摘要：根据多年来在城市高层建筑物的雷电灾害风险评估工作中，对高层建筑物遭雷击的因素进行分析。

发现：高层建筑物的地理环境、区域的雷电活动、建筑物的自身特点等各种因素是直接影响该高层建筑物遭雷击的主要因素；建筑物截收面积越大，遭雷击的概率就越大；地闪密度越大，遭雷击的概率亦越大；接地电阻值越大，遭雷击的概率也越大。

因此，只有真正能够正确的、全面的认识各种因素对高层建筑物的影响，才能够对高层建筑物做比较全面的雷电灾害风险评估，才能够更好的为建筑物设计、安装雷电防护装置提供有价值的理论参考，降低雷电对高层建筑物的损害。

关键词：高层建筑；雷电；风险；评估
1 引言
雷电是发生在大气中的声、光、电物理现象，其放电电流可达数十千安培，甚至数百千安培。

放电瞬间，雷电流产生强大破坏力和很强的电磁脉冲干扰，给人们生产活动带来了巨大的危害，雷电灾害已成为自然界十大自然灾害之一。

在六盘水市高层建筑物中，已广泛地使用玻璃幕墙、铝合金门窗及金属栏杆将建筑外围护的防风、遮雨、采光、隔热保温、安全防护等使用功能与建筑外墙立面装饰相结合，融建筑技术和建筑艺术为一体。

建筑物中使用大量金属材料均是电流的良导体，且建成后人员较为密集。

因此，雷电就不仅可以造成建筑物受损，还有可能引发人员的伤亡，与此同时，雷电产生的电压波动可造成供电系统断电，以及建筑物内的电子信息系统的不稳定性或瘫痪，严重影响日常生活。

随着经济的发展和城市人口的增长，建筑的高层化和智能化已成为城市发展的一种趋势。

城市中建筑物的高度越高，所受到雷电灾害的威胁性就越大，而对于高层建筑物的雷电灾害风险评估的研究就变得非常有必要。

本文从高层建筑物自身的防雷系统入手，再从多个方面分析影响高层建筑物遭雷击的因素，总结高层建筑物各种因素整合后的雷击概率，对高层建筑物雷电灾害风险给予完善的评估。

2 高层建筑物防雷系统及其遭雷击的损害
对于高层建筑物来说，大多数采用钢筋混凝土结构或框架结构，而且整个建筑物在电气上是连接贯通的，从而形成一个法拉第笼，将雷电流迅速的引入大地。

事实上高层建筑物与法拉第笼又有一定的区别。

法拉第笼在物理学上是导体的外壳对它的内部起到保护作用，使它的内部不受外部电场的影响，进而做到内部与外部的电场隔离，但实际上进出高层建筑物的各项线缆让建筑物内部与外界的电场不可能做到完全的隔离，还有高层建筑物的钢筋框架也不是一个完整封闭的法拉第笼，在雷击时，建筑物内部仍然存在相当强的电磁场。

对高层建筑物而言，高层建筑物雷电灾害风险源一般应包括四个方面，一是雷电直接击中建筑物S1；二是雷电击中建筑物附近区域S2；三是雷电直接击中与建筑物相连的服务设施S3；四
是雷电击中与建筑物相连的服务设施附近区域S4。

根据需要保护对象特征的不同，雷击引起的损害也不同，基本分为三类：接触和跨步电压导致的生物伤害D1；建筑物或其他物体的物理伤害D2；电涌导致的电气和电子系统的失效D3。

各种损害类型单独发生或共同发生时，可在需保护对象中产生不同的损失，产生的损失类型可分为四类，即：人员生命损失L1、公共服务损失L2、文化遗产损失L3、经济损失L4。

3 影响高层建筑物遭雷击的因素
我们常用的评估方法是通过分析评估对象的各种潜在的风险因子来计算所有风险分量的大小，进而计算出评估对象遭受雷电灾害的风险值（R），再通过与可承受的风险值（R T)进行比较，最终确定评估对象的雷电防护必要性和防护等级。

雷电灾害的风险值R计算公式：
R x=N x P x L x（1）
R=∑R x（2）
式中：R x：分别表示 R A、R B、R C、R M、R U、R V、R w和R Z等8类分量；
N x：年平均危险事件的次数；
P x：损害的概率；
L x：雷灾损失。

建筑物各风险分量（R x）受地理环境、雷电活动、建筑物、内部系统及可能采取的保护措施的特性影响。

R A：在建筑物外围3m区域内，由触摸和跨步电压导致的对活体的伤害。

R B：在建筑内由危险火花所引发的火灾或爆炸导致的实体损害。

R C：与LEMP造成内部系统失效有关的风险分量。

R M：与LEMP引起内部系统失效有关的风险分量。

R U：与建筑物内由于触摸和跨步电压导致的对活体的伤害。

R V：雷电流通过或沿着入户公共设施导入所致的实体损害。

R W：与雷电流侵入造成的过电压引起内部系统失效有关的风险分量。

R Z：与入户线路上感应出的以及传导进入建筑物内的过电压引起的实体损害。

3.1地理环境的因素
建筑物场地的地形地貌、地质情况、土壤情况、周边环境均对建筑物遭雷击有一定的影响。

土壤类型、地板类型：地面接触电阻越高，其造成的人畜伤害风险越小。

常见材质的接触电阻由低至高有混凝土，大理石、陶瓷，沙砾、厚毛毯、一般地毯，沥青、油毡、木头。

位置因子：一般指评估对象的暴露程度、周围物体的影响程度。

可直接理解为与周围物体的高度比较，孤立建筑物的系数最大。

环境因子：只有在估算分量R Z时，才考虑环境因子。

在有高层建筑的市区，该因子忽略不计，在农村，取值最大。

3.2雷电活动的因素
地闪密度是表征雷云对地放电的频繁程度的量，是估算建筑物年预计雷击次数时重要的参数。

地闪密度值越大，建筑物的年预计雷击次数就大。

地闪强度是直接影响建筑物遭雷击时引下线流过雷电流所产生的磁场强度及建筑物内部的磁场强度。

3.3建筑物自身特点的因素
（1）截收面积可分为雷击建筑物(及附近)截收面积、雷击服务设施(及附近)截收面积。

用于各风险分量计算。

截收面积越大，建筑物的年预计雷击次数就相应增大。

（2）建筑物设计安装的防雷系统，其防雷级别高低直接影响R A、R B的估算。

在强雷暴日地区，提高防雷系统的防雷级别，降低相应风险的效果明显。

（3）建筑物类型也是雷击风险评估必须考虑的因素，但同一种类型在不同风险估算中，其参数取值相差较大。

（4）雷击建筑物或建筑物附近时建筑物空间屏蔽、内部线路屏蔽等电位连接等措施能减少设备损害风险；而雷击入户线路或附近时，外部线路屏蔽措施则更有效。

显然，设备损害风险与其自身的耐压水平有关。

（5）遇到特殊危险时，应考虑人员疏散的难易程度，难易程度越大， R B、R V的估算值就越大，影响各种损失的相应风险分量。

（6）变压器因子主要是针对服务设施中的高低压配电线路。

接有变压器的线路，其风险值降低。

（7）安装匹配的电涌保护器进行防护，是防止过电压、过电流引起内部系统故障的最有效措施。

防护系统安装匹配SPD，其遭雷击风险远低于只考虑屏蔽、合理布线、等电位连接等其它措施。

（8）防火措施的好坏和火灾危险性的高低直接影响R B、R V的估算。

4 小结
根据对以上影响高层建筑物遭雷击的因素分析，不难发现一个特点：高层建筑物的地理环境、区域的雷电活动、建筑物的自身特点等各种因素是直接影响该高层建筑物遭雷击的概率。

在其它条件相同情况下，可以看出：建筑物截收面积越大，遭雷击的概率就越大；地闪密度越大，遭雷击的概率就越大；接地电阻值越大，遭雷击的概率就越大等。

只有真正能够正确的、全面的认识各种因素对高层建筑物的影响，才能够对高层建筑物做比较全面的雷电灾害风险评估，才能够更好的为建筑物设计、安装雷电防护装置提供有价值的理论参考，降低雷电对高层建筑物的损害。

参考文献
[1] 杨仲江.雷电灾害风险评估与管理基础[M].北京：气象出版社，2010.
[2] 陈然君宇，刘家祥，杨清.建筑物雷电灾害风险评估研究[J].城市建设理论研究，2013，（08）.
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[4] 宋韩畅.高层建筑雷电保护设计与施工探讨[J].文章编号：1007-9467（2006）07-0094-03.。