电气—几何模型在雷击风险评估中计算ｃｄ值的应用

书书书第２６卷第１期２０１０年２月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２６Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１０收稿日期：２００９－０９－１４；修订日期：２００９－１０－１２。作者简介：甘庆辉，男，１９７６年生，工程师，主要从事雷击风险评估工作，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。电气—几何模型在雷击风险评估中计算Ｃｄ值的应用甘庆辉　许薇　汤强（汕头市气象局，广东汕头５１５０４１）　　摘　要：雷击风险评估中，考虑周围物体对评估目标物直接雷击次数的影响而引入了位置因子Ｃｄ，若Ｃｄ取值不能真实反映影响程度，将导致评估结果出现较大误差。利用电气—几何模型，根据周围物体和评估目标物高度以及两者的间距，按照绕击的计算方法，计算最大绕击电流Ｉｍ，进而求得大于Ｉｍ雷电流概率Ｐ，位置因子Ｃｄ取值确定为（１－Ｐ）值。关键词：风险评估；电气—几何模型；位置因子Ｃｄ　　中图分类号：Ｐ４２７３２　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２０１０）０１－００６９－０３１　引言雷击风险评估标准ＧＢ／Ｔ２１７１４２—２００８／ＩＥＣ６２３０５－２：２００６附录Ａ中，考虑评估目标物暴露程度及周围物体对危险事件次数的影响而引入了位置因子Ｃｄ：当评估目标物周围有更高的建筑物或树木时，Ｃｄ取值为０２５。本文认为，评估目标物周围有更高的物体时，Ｃｄ取固定值０２５，不能真实反映周围物体对评估目标物的影响程度。因为周围物体越高，评估目标物遭到雷击的概率越低，位置因子Ｃｄ取值应越小；周围物体离评估目标物越远，影响程度越小，位置因子Ｃｄ取值应越大。Ｃｄ值是动态值而不是固定值。为了便于分析，假设建筑物Ｎ（高ｈ２）为评估目标物，建筑物Ｎ处周围有一建筑物Ｍ（高ｈ１，ｈ１＞ｈ２），Ｍ、Ｎ间距为ｄ，利用电气—几何模型，按照绕击的计算方法确定评估目标物Ｎ遭直接雷击的概率Ｐ，从而确定Ｃｄ取值。２　电气—几何模型简介将雷电放电过程为做长距离空气被击穿过程。雷云中电荷量越大，下行先导的发展越快，在下行先导头部的电场强度就越高，当临近地面物时，下行先导诱发出迎击先导的距离就越大。诱发迎击先导的距离称为“击距”或“闪击距离”（也称滚球半径ｈｒ）。击距与先导头部的电荷量有关，先导头部的电荷量又决定了随后出现雷电主放电的电流幅值。根据文献［１］，击距与雷电流幅值关系：Ｒ＝１０Ｉ０６５（１）式（１）中，Ｒ为击距，单位为ｍ；Ｉ为雷电流幅值，单位为ｋＡ。式（１）意义是对于某一目标物来说，以该目标物为圆心，以Ｒ为半径画一个圆，这个圆的周线就是相应击距Ｒ的雷击定位线。先导头部在击距大于Ｒ时，雷击点并未确定，当雷电的先导头部发展达到这个定位线时，雷电就击于该目标物［２］。３　最大绕击距Ｒｍ计算分析以某一雷电流幅值Ｉ１为例，由式（１）算得对应击距Ｒ１，分别以建筑物Ｍ、Ｎ顶点Ａ、Ｂ为圆心，以Ｒ１为半径作圆弧Ａ１Ｏ１和Ｏ１Ｃ１，交于Ｏ１，离地面距离Ｒ１处作一平行线Ｃ１Ｄ１，与弧Ｏ１Ｃ１交于Ｃ１，见图１。图１　建筑物Ｍ和Ｎ雷击区域示意根据电气—几何模型意义，当雷电先导以某一角度Ψ侵入到弧面Ａ１Ｏ１任一点时，雷电将击向建筑物Ｍ；当雷电先导侵入到弧面Ｏ１Ｃ１任一点时，则雷电击向建筑物Ｎ；当雷电先导侵入到水平线Ｃ１Ｄ１时，则雷电击向大地（或地面其他物体）。　　由于雷击电流的随机性，不同的雷击电流幅值Ｉｉ（ｉ＝１，２，３…）有不同的击距Ｒｉ（ｉ＝１，２，３…），所以可以作出一系列的雷击定位曲面和绕击面来。ＯＫ为建筑物Ｍ、Ｎ顶点连线的垂直平分线，Ｃ点轨迹则为一抛物线（即图１中Ｃ１Ｃ２Ｃ３Ｋ曲线）。随着雷电流７０　　　气象与环境学报第２６卷　幅值Ｉｉ的增大，对应的击距Ｒｉ增大，根据图１，雷电击向建筑物Ｎ的弧面ＯｉＣｉ逐渐减少，当电流Ｉｉ增大到Ｉｍ时，弧面ＯｉＣｉ缩减为一点ｋ。此时ｋ点到建筑物Ｍ、Ｎ的Ａ、Ｂ点及到地面的距离相等。大于Ｉｍ的雷电流要么击中建筑物Ｍ，要么击中大地，而不击建筑物Ｎ，此时对应的雷击距Ｒｍ称为建筑物Ｍ对建筑物Ｎ的最大绕击距，只有小于Ｉｍ的电流才有可能击到建筑物Ｎ的Ｂ点上。根据图１，ＫＡ＝ＫＢ＝ＫＥ，即Ａ、Ｂ、Ｅ三点在一个圆上，这个圆的圆心就是Ｋ点，亦即△ＡＢＥ的外接圆，半径就是需要求的最大绕击距Ｒｍ，见图２。图２　建筑物Ｍ和Ｎ最大绕击距Ｒｍ　　令建筑物Ｍ对建筑物Ｎ的保护角为α，则有α＝ａｒｃｔｇ（ｄ／（ｈ１－ｈ２））。ＯＫ是ＡＢ的垂直平分线，其上倾角（与水平线的交角）等于建筑物Ｍ对建筑物Ｎ的保护角α。根据文献［３］，推算出最大绕击距Ｒｍ计算公式：Ｒｍ＝（ｈ１＋ｈ２）＋２ｈ１ｈ槡２ｓｉｎａｒｃｔｇ（ｄｈ１－ｈ２）２ｃｏｓ２ａｒｃｔｇ（ｄｈ１－ｈ２）（２）式（２）中，Ｒｍ为最大绕击距，单位为ｍ；ｈ１、ｈ２分别为建筑物Ｍ、Ｎ的对地高度，单位为ｍ；ｄ为建筑物Ｍ、Ｎ的间距，单位为ｍ。假设建筑物Ｍ高ｈ１＝６０ｍ，建筑物Ｎ高ｈ２＝４０ｍ，间距ｄ＝２０ｍ，利用式（２），求得Ｒｍ＝１６９３ｍ。代入公式（１）算得Ｉｍ＝７８０１ｋＡ。根据电气—几何模型意义，当雷电流大于７８０１ｋＡ时，雷电将击向建筑物Ｍ或大地，而不会击中建筑物Ｎ，雷电流小于７８０１ｋＡ时才有可能绕击于建筑物Ｎ。４　位置因子Ｃｄ取值按ＤＬＴ６２０－１９９７标准，雷暴日超过２０日的地区雷电流概率分布公式：ｌｇＰ＝１０－１８８（３）式（３）中，Ｐ为雷电流幅值超过Ｉ的概率；Ｉ为雷电流幅值，单位为ｋＡ。　　式（３）是采用安装在浙江新杭线上的磁钢棒测量的９７次负极性雷击塔顶数据（１９６２—１９８８年）拟合的结果。由于输电线路本身的高电压对击距Ｒ有很大影响，对于不带高电压的建筑物Ｍ、Ｎ来说，作者认为式（３）不适用于计算建筑物最大绕击电流Ｉｍ的概率。根据文献［４］，雷电流概率分布公式：Ｐ＝１１＋（Ｉ２７０）３１（４）式（４）中，Ｐ为雷电流幅值超过Ｉ的概率；Ｉ为雷电流幅值，单位为ｋＡ。式（４）是利用雷电监测数据拟合的结果，计算出雷电流概率更能贴近实际结果。以Ｉｍ＝７８０１ｋＡ为例，将其代入式（４），算得大于７８０１ｋＡ的概率Ｐ为３５９％。即小于７８０１ｋＡ的概率Ｐ′为９６４１％，也就是说，有９６４１％的雷电流可以击到建筑物Ｎ上。这个概率Ｐ′就确定为建筑物Ｍ对评估目标物建筑物Ｎ的位置因子Ｃｄ取值（Ｃｄ＝０９６４１）。而按照雷击风险评估标准ＧＢ／Ｔ２１７１４２—２００８／ＩＥＣ６２３０５－２，Ｃｄ取值０２５，两者相差较大。５　结论雷击风险评估过程中，位置因子Ｃｄ取值不宜按照雷击风险评估标准ＧＢ／Ｔ２１７１４２—２００８／ＩＥＣ６２３０５－２取固定值。它是动态值，应根据周围建筑物和目标评估物的高度及其两者间距计算最大绕击距Ｒｍ，利用击距与雷电流幅值关系进而求得最大绕击电流Ｉｍ，利用雷电监测数据拟合的雷电流幅值概率公式，计算大于Ｉｍ的概率Ｐ，从而确定（１－Ｐ）为位置因子Ｃｄ取值。这种取值方法更能真实反映周围物体对评估目标物的影响程度。参考文献［１］　林维勇．建筑物防雷设计规范ＧＢ５００５７—９４［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０００．［２］　梅忠恕．输电线路的雷电绕击与防护［Ｊ］．中国防雷，２００９（２）：１４－２３．［３］　王跃建，徐光昶，金之俭，等．击距理论在新安江电厂坝顶防雷计算上的应用［Ｊ］．高电压技术，２００７，３３（６）：１９１－１９３．［４］　陈家宏，冯万兴，王海涛，等．雷电参数统计方法［Ｊ］．高电压技术，２００７，３３（１０）：６－９．　第１期甘庆辉等：电气—几何模型在雷击风险评估中计算Ｃｄ值的应用７１　　　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇＣｄＧＡＮＱｉｎｇｈｕｉ　ＸＵＷｅｉ　ＴＡＮＧＱｉａｎｇ（ＳｈａｎｔｏｕＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＢｕｒｅａｕ，Ｓｈａｎｔｏｕ５１５０４１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｏｂｊｅｃｔｓｏｆｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔｏｎｄｉｒｅｃｔｌｉｇｈｔｎｉｎｇｓｔｒｉｋｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔ，ｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ（Ｃｄ）ｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｌｉｇｈｔｎｉｎｇｓｔｒｉｋｅｒｉｓｋｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．ＩｆＣｄｖａｌｕｅｉｓｎｏｔｔｒｕｅ，ｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｗｉｌｌｂｅｔｈｅｌａｒｇｅｒｅｒｒｏｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｈｅｉｇｈｔｓｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｏｂｊｅｃｔｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｂｏｔｈ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｅｔｏｕｒｌｉｇｈｔｎｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ（Ｉｍ）ｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ（Ｐ）ｍｏｒｅｔｈａｎＩｍｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｖａｌｕｅｏｆ（１Ｐ）ｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄａｓｌｏｃａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｉｓｋｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌ；Ｌｏｃａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ（Ｃｄ）７２　　　气象与环境学报第２６卷　《气象与环境学报》征稿简则　　《气象与环境学报》是由中国气象局沈阳大气环境研究所、辽宁省环境科学研究院主办的科技期刊，创刊于１９８４年，双月刊，国内外公开发行。主要报道气象、大气环境与生态环境基础研究和应用研究方面的创新性研究成果以及有新观点的综述性文章等，以促进国内外学术交流，繁荣我国气象与环境科学事业。欢迎国内外气象和环境领域科技工作者及有关院校师生赐稿。来稿要求和注意事项１来稿务必论点明确，文字精练，数据可靠，图表清晰。每篇论文（含图表）一般不超过８０００字，包括：题目（不超过２０字），作者姓名、单位名称，城市名称，邮政编码，摘要（不超过３００字），关键词（３—８个），正文，致谢，参考文献。英文摘要附在参考文献后面。文稿末页请附作者电话号码、通信地址、Ｅｍａｉｌ等信息，便于双方联系。２文稿务必做到清稿、定稿，用字规范、精练，量和单位符号、标点符号规范准确。３摘要应包括研究目的、研究所用资料及实验研究方法、研究结果和结论等，一般不超过３００字。摘要请用第三人称陈述性语言撰写。４量和单位及数字用法等应符合国家标准。外文字母应注明文种、大小写、正斜体、黑白体。上下角标的字母、数码、符号和位置高低也应注明。５表格采用三线表。插图（计算机绘图）须清绘，插图长度一般不超过１３ｃｍ，线条均匀。尽量采用黑白线条图（无底纹），坐标图应标出量和单位符号。照片要求图像清晰。６引用他人成果的参考文献（公开发行）请注明出处。尚未公开发表的文献资料请勿引用。参考文献按在文中出现的顺序编号，将序号置于方括号内，并视具体情况将序号作为上角标标注在文稿段落处。期刊参考文献格式：作者（外文姓前名后；３人以上只列３人，后加“等”字）．题名．期刊名，年份，卷号（期号）：起讫页码．专著文献格式：作者．书名．版次（初版不写）．出版地：出版单位，出版年份：起讫页码．参考文献示例：［１］　何金海，吴志伟，祁莉，等．北半球环状模和东北冷涡与我国夏季降水关系分析［Ｊ］．气象与环境学报，２００６，２２（１）：１－５．［２］　陈隆勋，朱乾根，罗会邦，等．东亚季风［Ｍ］．北京：气象出版社，１９９１：２００－２１０．［３］　ＸｉａｏＨ，ＺｈｏｕＱＸ，ＬｉａｎｇＪＤ．ＳｉｎｇｌｅａｎｄｊｏｉｎｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｃｅｔｏｃｈｌｏｒｎａｄｕｒｅａｏｎｅａｒｔｈｗｏｒｍＥｓｉｓｅｎｉａｆｏｅｌｉｄｅｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓｉｎｐｈａｉｏｚｅｍ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＨｅａｌｔｈ，２００４，２６（２）：２７７－２８３．［４］　ＣｌｉｎｅＷＲ．Ｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｓｏｆｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎ