基于风险管理的自然风景边界空旷区雷电防护等级确定

吴心路 邹德全 田洪进 邹承立 熊凯 张开华

摘要 对于四周处于自然生态属性的大型空旷区防雷措施的确定，《建筑物防雷设计规范》没有做出具体规定，提供风险评估办法确定防雷措施等级的《雷电防护 第二部分：风险管理》标准对象也只针对建筑物。为了解决这一问题，利用风险管理理念，在充分考虑大型空旷区的风险源、风险分量的前提下，通过人身伤亡国际容许风险典型值关系式得出大型空旷区的雷电防护等级（LPL）。

关键词 自然生态;大型空旷区;风险管理;雷电防护等级;确定

中图分类号：P427.3 文献识别码：A 文章编号：2095–3305（2020）07–0–04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.026

Determination of Thunderbolt Protection Level in Large Space Area Based on Natural Ecological Attributes Based on Risk Management

WU Xin-lu et al （Meteorological Bureau of Zunyi City， Zunyi， GuiZhou 564300）

Abstract For the determination of lightning protection measures in large open areas surrounded by natural ecological attributes， the "Building Lightning Protection Design Code" does not make specific provisions， and provides risk assessment methods to determine the level of lightning protection measures in the "Lightning Protection Part 2： Risk Management" Standard objects are also only for buildings. In order to solve this problem， using the concept of risk management， under the premise of fully considering the risk sources and risk components of large open areas， the lightning protection level （LPL） of large open areas is obtained through the relationship between the typical international allowable risk of personal injury and death.

Key words Natural Scenic Area; An open area; Risk management; Thunder Protection Level

自然风景区游客雷击事故时有发生。如2007年4月17日，黄山景区天都峰遭雷暴袭击，护栏、游道等设施受损并有人员伤亡，同年7月12日，黄山景区鳌鱼峰的嘴部发生雷击伤人事件。近年来，景区游客雷击事件引起关注，诸多文献反映了景区防雷问题[1-6]。例如，白石山风景区观景平台雷击人员损失分析。应用IEC雷击风险管理标准对大型户外空旷区雷击风险进行分析，对山地旅游景区雷电灾害风险评估体系进行研究;同时，《旅游景区雷电灾害防御技术规范》对景区防雷只做出原则性规定，如旅游景区的大型空旷区、观景平台等应在风险评估的基础上采取综合防雷措施。鉴于此，进一步探索、细化旅游景区内不同功能区的具体防雷措施是必要和重要的。

而现阶段，我国雷击风险评估业务主要的依据标准来源于，原本只适用于建筑物的雷击风险评估，对旅游景区内的大型空旷区没有给出相应的具体方法[7-8]。为了解決这一问题，借助IEC风险管理理念，在对四周保持自然生态属性的大型空旷区风险源和风险分量进行充分识别的基础上，利用人身伤亡国际容许风险典型值关系式得出雷电防护等级（LPL）。

1 大型空旷区雷电风险分析

1.1 大型空旷区物理特性和风险源分析

四周自然生态属性大型空旷区定义为四周是相对高度较高的灌木丛，中间是相对高度较低的特定景点区域，灌木丛与特定景点区域保持自然生态连接。例如，植物园中的游乐园具有这类属性。按照IEC对建筑物雷电风险管理理念可知，大型空旷区人身伤亡损失风险源有雷电击中四周灌木丛和雷电击中大型空旷区两种。

1.2 大型空旷区风险分量分析

1.2.1 大型空旷区 将大型空旷区抽象为一座体量为长、宽、高的建筑物。按照文献规定，取高2.5 m，长和宽据实取值;雷电直接击中大型空旷区抽象建筑物时，可能存在直接击中游客而导致其伤亡或相距较近的游客可能因旁侧闪击、接触电压、跨步电压等物理机制而伤亡的现象。按照IEC理念，在雷电直接击中建筑物的情形下，将产生因接触和跨步电压造成人和动物伤害的风险分量RA，因危险火花放电触发火灾或爆炸引起物理损害的风险分量RB，因LEMP造成内部系统失效的风险分量RC。针对大型空旷区抽象建筑物，RB、RC一般不存在，而RA是存在的，但是与IEC的既有考虑又不尽相同，即除了要考虑IEC既有RA外，还要考虑雷电直击游客的风险，该风险由直击雷电效应产生，记为R'B，这也与文献[3]的考虑略有不同。

1.2.2 四周灌木丛抽象建筑物 将四周灌木丛依然抽象为一座体量为长、宽、高的建筑物。按照文献规定，四周灌木丛对空旷区的反击需要考虑5 m以内的影响，故每侧宽度取5 m，高度取5 m，长度据实取值。雷电直接击中四周5 m以内灌木丛抽象建筑物时，除直击雷电效应外，还可能发生旁侧闪击、接触电压、跨步电压等三种形式的雷击。按照IEC理念，在雷电直接击中建筑物的情形下，将产生因接触和跨步电压造成人和动物伤害的风险分量RA，因危险火花放电触发火灾或爆炸引起物理损害的风险分量RB，因LEMP造成内部系统失效的风险分量RC。针对四周灌木丛抽象建筑物，RC不用考虑;由于灌木丛中没有游客，RA分量的存在与否要视大型空旷区与四周灌木丛绝缘条件而定，如若绝缘则不考虑RA，如若绝缘条件差，则存在接触和跨步电压伤及空旷区游客的可能，此时需要考虑RA，并记为R'A;雷电击中灌木丛，由雷电的机械破坏力使得树木爆裂飞溅伤人、巨大雷电流使得枯枝落叶燃烧而引发火灾的可能性是存在的，即需要考虑RB。

1.2.3 大型空旷区的风险分量 按照风险计算公式，将大型空旷区抽象建筑物的雷击风险分量RX用下式表示：

Rx=Nx×Px×Lx（1）

式中：

Nx—年预计雷击危险事件次数;

Px—损害概率;

Lx—每一损害产生的损失率。

对于大型空旷区抽象建筑物风险，只评估人员伤亡风险R1，据前述分析，风险分量为RA、R'A、R'B、RB。因此，损害概率PX由大型空旷区抽象建筑物内雷电直接击中人体因接触和跨步电压导致人员伤亡的概率PA、雷电直接击中人体导致人员自身伤亡的概率P'B、雷电直接击中四周灌木丛因接触和跨步电压导致大型空旷区人员伤亡的概率P'A、雷电直接击中四周灌木丛因物理损害导致大型空旷区人员伤亡的概率PB组成。与之对应的大型空旷区抽象建筑物内人员伤亡损失率LX由雷电直接击中人体导致因接触和跨步电压导致人员伤亡的损失率LA、雷电直接击中人体导致人员自身伤亡的损失率L'B、雷电直接击中四周灌木丛因接触和跨步电压导致大型空旷区人员伤亡的概率L'A、雷电直接击中灌木丛因物理损害导致大型空旷区人员伤亡的损失率LB组成。考虑四周都为灌木丛，以正方形为特例，由式（1）得大型空旷区的雷击人员伤亡损失风险：

R1=NA×PA×LA+NA×P'B×L'B+4NB×P'A×L'A+4NB×PB×LB（2）

式中：

NA—大型空旷区抽象建筑物年预计雷击危险事件次数;

NB—灌木丛抽象建筑物（宽度5 m）年预计雷击危险事件次数;

PA—大型空旷区因雷电直接击中人体产生的接触和跨步电压伤亡概率;

P'B—雷电直接击中大型空旷区人体导致自身伤亡的概率;

P'A—雷电直接击中四周灌木丛因接触和跨步电压导致人员伤亡的概率;

PB—雷电直接击中四周灌木丛因物理损害导致人员伤亡的概率;

LA—大型空旷区因雷电直接击中人体产生的接触和跨步电压导致人员伤亡的损失率;

L'B—雷电直接击中人体导致人员伤亡的损失率;

L'A—雷电直接击中四周灌木丛因接触和跨步电压人员伤亡的损失率;

LB—雷电直接击中四周灌木丛因物理损害导致人员伤亡的损失率。

2 参数的取值与分析

依据定义的N、P、L参数的取值方法，结合大型空旷区抽象建筑物和四周灌木丛的实际情况，对式（2）中各参数进行取值与分析。

2.1 N的取值与分析

大型空旷区抽象建筑物和四周灌木丛抽象建筑物每年预计雷击危险事件次数N，取决于它们所处地理位置的年雷暴活动特征以及它们的物理特性，按下式计算：

N=NG×AD×CD×10-6（3）

式中：

NG一大型空旷区或者四周灌木丛所在地雷击大地密度（次/km2.a）;

AD一大型空旷区抽象建筑物或者四周灌木丛抽象建筑物的截收面积（m2）;

CD一大型空旷区抽象建筑物或者四周灌木丛抽象建筑物的位置因子。

雷击大地密度NG是每年每平方千米雷击大地的次数，利用当地闪电定位观测资料求取，也可以用下式计算：

NG=0.1×Td（4）

式中：

Td—当地年平均雷暴日（d/年）。

截收面积AD，以大型空旷区海拔为基准高度，按照地面上建筑物的截收面积计算方法计算。相关文献只考虑孤立建筑物的情形，对于非孤立建筑物情形由位置因子调整，本研究对大型空旷区抽象建筑物与四周灌木丛抽象建筑物计算截收面积时均视为孤立建筑物，只在位置因子中考虑其相互影响。

位置因子CD对于所处地周边是同一海拔高度的平坦区时，CD取值1;对于所处地为小山顶或山丘时，CD取值2;对于所处地周边有其他物体时，CD取值0.5。

2.2 PA、P'B、P'A、和PB的取值与分析

雷电直接击中大型空旷区导致人员自身伤亡的概率P'B与相关文献的考虑有所不同。由于四周灌木丛抽象建筑物平均高度大于大型空旷区抽象建筑物高度，从直接雷击角度上看，四周灌木丛相当于避雷带，能够击中大型空旷区抽象建筑内人体的雷击应该是视四周灌木丛为避雷带的一种绕击，雷电流累积概率通过以下公式计算的P值确定：

S>hr-[h2r-（d/2）2]1/2（5）

hr=10（i0）0.65（6）

lgP=-（i0/108）（7）

式中：

hr—滚球半径（m）;

d—大型空旷区抽象建筑物宽度（m）;

s—灌木丛抽象建筑物与大型空旷区抽象建筑物的相对高度（m）;

P—大于i0的雷电流累积概率;

i0—雷电流幅值（KA）。

也可以利用当地闪电定位资料从绕击雷电流i0得出P。根据绕击雷电流的物理意义，其幅值i0的累积概率为1-P。

设安装的雷电防护系统导致空旷区物理损害的概率为P'，并且按照相关文献取值。那么，雷电直接击中大型空旷区导致人员自身伤亡的概率P'B由四周灌木丛“避雷带”绕击率和安装的雷电防护系统的物理损害概率组成，并且用下式计算：

P'B=（1-P）×P'（8）

雷电直接击中四周灌木丛因物理损害导致大型空旷区人员伤亡的概率PB，与灌木丛抽象建筑物和灌木丛5 m以外高度差有关。一般意义上，可以认为四周灌木丛5 m内平均高度与5 m外平均高度相当，只考虑大型空旷区抽象建筑物高度与灌木丛抽象建筑物的高度差影響。由于定义灌木丛抽象建筑物平均高度高于大型空旷区抽象建筑物高度，灌木丛抽象建筑物则按照相关文献，PB取值1。

雷电直接击中四周灌木丛因接触和跨步电压导致大型空旷区人员伤亡的概率P'A，取决于PB和防止旁侧闪络、接触和跨步电压措施。

大型空旷区内因雷电直接击中人体的接触和跨步电压的概率PA的取值，取决于P'B和防止旁侧闪络、接触和跨步电压措施。

2.3 LA、L'B、L'A和LB参数的取值与分析

对于大型空旷区内因雷电直接击中人体的旁侧闪络、接触和跨步电压导致人员伤亡的损失率LA，与人员停留在大型空旷区内的时间和数量以及大型空旷区的地板或土壤类型有关，计算公式如下：

LA=rt×LT×nZ/nt×tZ/8760（9）

式中：

rt—由大型空旷区内地板或土壤类型决定的减少人身伤亡的因子;

LT—一次雷击事件导致受害者遭电击伤害的典型平均相对量;

nZ—大型空旷区内可能受到威胁的人员数量;

nt—大型空旷区内预期的总人数;

tZ一每年人员停留在大型空旷区内的小时数。

式中的rt、LT取值均为10-2。tZ根据大型空旷区游客具体情况取值，当无法确定时，可参照文献[8]取为24×Td（Td为当地的年雷暴日），若要更精细化的评估，tZ基于闪电定位资料量化取值。

对于雷电直接击中大型空旷区内人员导致自身伤亡的损失率L'B，与人员处于大型空旷区的时间和数量有关。由下式计算：

L'B=LT×nZ/nt×tZ/8760（10）

式中的参量及其取值同（9）式。因为L'B是指雷电直接击中人员的伤亡损失率，所以只考虑雷电直接击中人体导致人员伤亡的后果，L'B考虑的因素只有人员停留在大型空旷区的时间和数量，而不考虑大型空旷区地板或土壤类型因子，或者说缩减因子rt取值1。

对于雷电直接击中四周灌木丛因旁侧闪络、接触和跨步电压导致大型空旷区人员伤亡的损失率L'A，与人员停留在大型空旷区内的时间、数量、灌木丛和大型空旷区的地板或土壤类型有关，按照下式计算：

L'A=rt×LT×nZ/nt×S1/S2×tZ/8760（11）

式中的参量rt、LT、tZ、nZ、nt及其取值同（9）式。S1为大型空旷区四周5 m宽度反击区面积（m2），S2为大型空旷区面积（m2）。考虑S1/S2因子是因为雷击灌木丛对大型空旷区反击的影响区也只考虑四周5 m范围的缘故。

对于雷电直接击中四周灌木丛因物理损害导致人员伤亡的损失率LB，取值，按照下式计算，并且rt由大型空旷区地板或土壤类型决定：

LB=rp×rf×hz×LF×nZ/nt×tZ/8760（12）

式中：

LF—一次危险事件导致受害者遭物理损害的典型平均相对量;

rp—由防火措施决定的减少物理损害导致损失的缩减因子;

rf—由火灾危险或爆炸危险决定的减小物理损害导致损失的缩减因子;

hz—特殊危险出现时，物理损害导致的人身伤亡损失的增加因子;

nz—大型空旷区内的人数;

nt—大型空旷区内内预期的总人数;

tz—人员每年在大型空旷区内中停留的小时数。

3 模拟计算

3.1 某大型空旷区、四周灌木丛物理特征参数

某大型空旷区、四周灌木丛物理特征参数（表1～2）。

3.2 风险分量计算

根据表1、表2物理特征参数，计算各风险分量（表3）

3.3 满足风险值要求的大型空旷区概率P'

利用人身伤亡国际容许风险典型值关系式R1<10-5解出：

P'<0.122

此式的物理意义是：四周保持自然生态属性的大型空旷区，雷电人身伤亡风险满足国际容许风险典型值时，需要安装Ⅲ类LPS。

4 结论

尽管现行的建筑物防雷设计规范和风险管理标准对四周具有自然生态属性的大型空旷区雷电防护等级都没有具体规定，但是按照风险管理理念，在对风险源、风险分量充分考虑的前提下，能够通过人身伤亡国际容许风险典型值关系式得出。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞