基于雷电流幅值分布的雷击建筑物物理损害概率计算方法
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摘要 应用《雷电防护 第2部分：风险管理》（GB/T 21714.2）（以下均称规范）进行雷电灾害风险评估时，对雷击建筑物导致物理损害概率因子Pb的取值往往选择规范中给出的典型值，在实际应用中是不合理的。但在具体的雷电灾害风险评估时，各项目因其所在地域、地理环境、气象条件、雷电活动规律等不同而选取不同的Pb值。利用青海省地闪监测网监测的2008―2015年闪电监测数据，通过对不同幅值的雷电流幅值进行频次和累积概率的统计，运用最小二乘法对雷电流累积概率进行拟合，并利用SPSS软件对拟合相关性进行了检验。发现不同地区、不同类别的防雷措施均具有不同的Pb取值。因此，在雷电灾害风险评估时，通过对地闪监测数据统计、拟合、计算和选取Pb值，更能体现出被评估对象所在地的雷电活动规律，从而使雷电灾害风险评估更加科学化、精细化。
关键词 地闪监测；雷电流幅值累积概率；雷击建筑物；物理损害概率；计算方法
中图分类号 TU895 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）02-0223-02
雷电灾害风险评估是自然灾害风险评估的重要组成部分，在现代社会安全领域得到了越来越多的关注。近年来，青海省雷电灾害风险评估工作也已逐步规范，在应用《雷电防护 第2部分：风险管理》（GB/T 21714.2―2015/IEC 62305-2：2008）（以下简称评估规范）规范提供的评估方法进行雷电灾害风险评估时，雷击建筑物导致物理损害的概率因子（以下简称Pb）是一个重要参数，Pb因子的选取直接影响着人身伤亡损失风险（R1）、物理损失风险（R2）和服务设施损失风险（R3）的计算结果[1]，从而对评估项目的最终雷电风灾害险总量和评估结论有着决定性作用。
同时，评估规范中指出，雷电损害概率既取决于所采取的保护措施的类型和效能，还取决于建筑物、服务设施以及雷电流的特性[1]。因此，通过对青海省闪电监测网监测数据进行统计、拟合等，计算出针对雷电灾害风险评估的Pb因子取值方法是进行精细化雷电灾害风险评估的重要前提。
1 存在的问题
应用评估规范中给出的典型Pb值进行雷电灾害风险评估时，存在以下2个问题：一是规范中给出的典型值是在全球范围内闪电观测（监测）的基础数据上统计得出的，而特定地区（地域）的闪电观测（监测）数据与其基础闪电观测（监测）数据对存在一定的差异，具体体现为闪电分布特征、闪电活动规律等方面的差异；二是规范中给出的典型值是针对IEC中Ⅰ～Ⅳ类LPS（外部防雷装置）给出的，IEC中Ⅰ～Ⅳ类LPS采取的措施与我国现行国家防雷技术标准（GB 50057―2010）中规定的建筑物防雷类别分类及其外部防雷措施存在一定的差异。
2 综合损坏概率计算方法
根据《建筑物防雷设计规范》，对于时间周期t=1年，在NPt
P=Pi×Pid+Pf×Pfd（1）
式（1）中，Pi为防雷装置截收雷击的概率，也表示为Ei；Pf为防雷装置截收雷击失败的概率，其值等于1-Pi；Pid为防雷装置截收雷击后保护失败而发生损坏的概率；Pfd为防雷装置没有截收到雷击而发生损坏的概率。
《建筑物防雷设计规范》中指出，雷击建筑物引起损坏的概率与雷电闪击参量的分布概率有关。同时，在出现雷击事件的地方出现周围物体可能被损坏的概率取决于建筑物特点、存放物和用途。
《建筑物防雷设计规范》中对上述情况作了如下假定：①在出现雷击事件的地方，其周围物体被损坏的概率对每一类损坏是相同的，用共同概率Pr代替；②没有被防雷装置截收到的雷击所引发的损坏是肯定的，损坏的出现与周围物体可能被损坏的出现是同时发生的，即Pfd=Pr；③被截收到的雷击引发损坏的总概率只与防雷装置的尺寸效率Es有关，并假定其等于1-Es。
将上述假定代入式（1），并引入雷击后果附加系数Wr后，式（1）或转化为式（2）：
P=PrWr（1-EiEs）（2）
式（2）中，概率Pr表示建筑物自身保护的程度或雷击建筑物（防雷装置）造成的损坏概率，其主要取决于建筑物的特点、用途、存放物或设备。
3 资料来源与计算方法
3.1 数据资料来源
青海省闪电监测网自运行以来，在2008―2013年间，共监测到省内地闪165 503次，各年度监测地闪次数分别为9 656、9 119、29 717、30 925、32 920、53 166次。
3.2 数据处理方法
对青海省闪电监测网监测的2008―2014年的闪电资料分别进行数据修正、雷电流幅值累积概率统计、应用最小二乘法进行参数拟合、显著性检验和Pb值计算。
3.3 Pb因子计算方法
根据《雷电防护：第1部分 总则》（IEC 62305-1）及《建筑物防雷设计规范》，雷击建筑物导致物理损害的概率因子（Pb）计算式可按式（3）计算：
Pb=PrWr（1-EiEs）（3）
式（3）中，EiEs（η=EiEs）为防雷装置的效率。
4 雷电流幅值累积概率拟合
我国电力行业规程中雷电流累积频率公式一直采用的形式为：
lgPI=-I/c（4）
原水利电力部于1979年1月颁发的《电力设备过电压保护设计技术规程》（SDJ 7―79）给出了雷电流累积频率分布计算式（3）中c值为108[3]；《建筑物防雷设计规范》（GB 50057―94）（2000年版）沿用了这一公式。在对SDJ 7―79规范与其他规范合并修订之后，于1997年10月实施的规程中给出了雷电流累积频率分布计算式中的c值为88[4]。
美国IEEE Std 1243―1997推荐的雷电流累积频率分布计算式为[5]：
PI=■（5）
式（5）中，a表示样本中值电流，即电流幅值>a的概率为50%；b反映了曲线的指数变化程度，当b值增大时，50%概率点左右侧曲线陡度绝对值均变大，其中a=31 kA，b=2.6[5]。
根据冯志伟等[5]、陈家宏等[6]的研究发现，美国IEE Std 1243―1997中推荐的雷电流累积频率分布计算式要优于我国电力行业规程中的计算式。因此，利用青海省2008―2014年监测闪电资料和式（4）进行拟合后，其拟合参数为a=25.350和b=2.838，与IEE Std 1243―1997及IEC 62305-1中给出的值略有差异。
5 雷击建筑物导致物理损害概率因子选取
根据《雷电防护第2部分：风险管理》（IEC 62305-2）中关于Pb值的计算方法[1]，其在计算Pb值时，将式（3）中PrWr的值取为1，即假定防雷装置截闪失败后，遭受雷击的建筑物均会受到损坏。在实际雷电灾害风险评估中，按照保守原则，将PrWr的值取为1是可取的。因此，式（3）或简化为以下形式：
Pb=1-EiEs（6）
给出的各类LPS接闪最小雷电流、最大雷电流和Pb计算方法，将拟合出的参数（a=25.350，b=2.838）代入式（5），并将第Ⅰ～Ⅲ类防雷措施对应的接闪最小雷电流及最大雷电流分别代入式（5）后，分别求得各类防雷措施对应的Ei和Es各参数见表1。
通过拟合计算发现，拟合出的Pb值与《雷电防护 第2部分：风险管理》（IEC 62305-2）给出的典型Pb值差别明显。
《雷电防护 第2部分：风险管理》（IEC 62305-2）中对于安装有Ⅰ类LPS，并采用连续的金属框架或钢筋混凝土框架作为自然引下线的建筑物，其Pb值为0.01，为仅安装有Ⅰ类LPS建筑物Pb值的1/2。因此，对于分别安装了第Ⅰ～Ⅲ类LPS，并采用连续的金属框架或钢筋混凝土框架作为自然引下线的建筑物的Pb可取以下数值（表2）。
对于以金属屋面作为接闪器或安装有接闪器，使所有屋面装置得到完全的直击雷防护，连续金属框架或钢筋混凝土框架作为自然引下线的建筑物，其Pb值可取安装有Ⅰ类LPS，并采用连续的金属框架或钢筋混凝土框架作为自然引下线的建筑物Pb值的1/2，即0.003 5。
6 结语
通过对青海省闪电监测网O测的雷电流数据的统计、拟合和计算，对GB 50057―2010给出的各类防雷装置对应的接闪效率、接闪失效概率进行了计算，发现拟合值与IEC 62305-2中给出的Pb典型值差别明显。因此，在实际雷电灾害风险评估工作中，应注意以下几点：
（1）应用《雷电防护 第2部分：风险管理》（GB/T 21714.2―2015）规定的方法进行雷电灾害风险评估时，对Pb的取值应根据项目所在地雷电活动情况选取，以体现出被评估项目所在地的雷电活动规律。
（2）利用《雷电防护 第2部分：风险管理》（GB/T 21714.2―2015）对根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057―2010）等国家有关规范要求设计（设置）防雷装置的建筑（构）物进行雷电灾害风险评估时，须对各防雷等级的Pb值进行拟合计算。
（3）对国家级、省级重点项目和大型项目进行雷电灾害风险评估时，对于Pb的取值可按上述方法对项目所在地一定范围内的闪电监测资料进行统计、拟合和计算，从而得出更符合当地雷电活动特征的Pb值，使雷电灾害风险计算结果更加准确。
7 参考文献
[1] 雷电防护 第2部分：风险管理：GB/T21714.2-2015[S].北京：中国标准出版社，2016.
[2] 建筑物防雷设计规范：GB50057-2010[S].北京：中国计划出版社，2010.
[3] 电力设备过电压保护设计技术规程：SDJ 7-1979[S].北京：电力工业出版社，1979.
[4] 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合：DL-T 620-1997[S].北京：中国电力出版社，1997.
[5] 冯志伟，肖稳定，马金福，等.基于地闪数据的雷电流幅值累积频率公式探讨[J].气象科技，2012（1）：27-32.
[6] 陈家宏，童雪芳，谷山强，等.雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征[J].高电压技术，2008（9）：1893-1897.