六合气象业务办公系统风险评估

六合区气象局新址业务楼雷电灾害风险评估南京市六合区气象局211500李明军上海市嘉定区气象局201821高晓东摘要：本文分析了六合区气象局业务楼所处的环境特征、土壤性质，结合气象信息系统设备的重要性，对其进行雷电灾害风险评估，并针对已设计的防雷装置进行分析，以确保业务楼内气象信息系统设备的安全和人员的人身安全。关键词：气象局业务楼雷电灾害损害损失1、地理地质条件南京地处长江中下游平原，坐落在地势险峻的丘陵地带。东面是以紫金山为主体的宁镇山脉，万里长江穿越市区。南京属于北亚热带季风气候区，四季分明，雨量集中。夏半年主导风为东东南风，年平均雷暴日为36.7天，雷暴的移动路径主要由西向东，属于雷暴多发区。六合区气象局新址位于六合区城区北部，四周空旷。该地区的原为水塘，土质结构是黏土，土壤湿润，土质良好，测试土壤电阻率为数十欧姆·米。土壤电阻率测试结果：a为文納四级法中测量探针的距离。东西方向：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测试结果分析表明，从地表至地下16米范围内的平均电阻率约为17.6Ω.m。考虑到季节修正系数（取1.6）后的土壤电阻率约为28.2Ω.m。根据近十年来的气象雷暴资料统计，雷暴活动最活跃的月份是七、八月份，其强度较大。雷暴活动比较频繁的月份是三月至九月，该地区的初雷日是二月，而终雷日是十二月，这就说明该地区一年当中只有一月没有雷暴日，由此可见该地区雷暴活动频繁，没有一定的规律。根据近十年各月最大风速资料统计，该地区各月平均风速都在5米/秒以上，极大风速可达31米/秒。2、雷电造成业务楼的各种损害的成因2.1损害源雷电流是根本的损害源。损害源根据雷击点的位置(见表1)可以划分为:S1:雷击业务楼，S2:雷击业务楼附近大地或建筑物，S3:雷击业务楼埋地电缆等设施，S4:雷击业务楼埋地电缆附近大地或建筑物。2.2损害类型根据业务楼的特性，在实际的风险评估中，将雷击引起的基本损害类型划分为以下三种：(见表1和表2):D1:生物伤害（雷电导致接触电压和跨步电压引起生物触电）；D2:物理损害（雷击引起的着火、爆炸、机械效应及化学效应）；D3:电气和电子系统失效（雷击下线路和设备上的过电压导致电力线路跳闸或电子设备失效和损毁）。影响业务楼电力设施的雷电可以对线路或管道本身以及相关电气和电子系统造成物理损害。损害还可能扩展到与电力设施相连的内部系统。2.3损失类型2.3.1对业务楼，应当考虑以下几种类型的损失（表1）：其中L1:人员生命损失；L2:对公众服务的损失；L4:经济损失(建筑物及其内存物、服务设施及活动中断的损失)。建筑物服务设施雷击点损害源损害类型损失类型损害类型损失类型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)仅对于具有爆炸危险的建筑物或构筑物或其他内部系统的失效马上会危及人员生命的建筑物。2)仅对于可能出现牲畜损失的情况。2.3.2建筑物中各种损害和损失类型对应的风险（表2）损失损害L1人员生命损失L2公众服务损失L4经济损失D1生物伤害RS_RS1)D2物理损害RFRFRFD3电气或电子系统的失效RO2)RORO1–仅对于可能出现牲畜损失的情况。2–仅对于具有爆炸危险的建筑物或构筑物或其他内部系统的失效马上会危及人员生命的建筑物。总结来说，通常，雷电造成业务楼的各种损害的成因有以下几种：成因1——直接雷击业务楼下的接触电压和跨步电压；成因3——直接雷击下电力电子设备上的过电压；成因4——间接雷击下电力电子设备上的过电压；2.3.3业务楼中可能需要计算的风险包括:R1:人员生命损失风险；R2:对公众服务的损失风险；R4:经济损失风险3、针对业务楼损害类型为人身伤亡的风险评估(R1)成因1、成因2、成因5可以引起损害类型1人身伤亡。3.1业务楼特征数据参数注释符号数值参考尺寸（m）假想模型L,W,H56,22,16土壤类型草地ar10-2表C.2地域因子周围有其它建（构）筑物dC0.5表A.2直接雷击致生物触电由接触或跨步电压引起AP10-2表B.1LPS有，但等电位连接有问题BP0.01表B.2建筑物外部屏蔽有1SK0.01式（B.3）建筑物物内部屏蔽有2SK0.005式（B.3）评估区域中的人员户外和户内nt30雷击密度1/2km/yeargN3.15dgTN1.0这里，评估的关键是将业务楼近似看成一个规则的长方建筑，且有良好的防直接雷击措施的建筑物。雷电只能击中由建筑物顶的避雷带和金属构件等组成的避雷系统，业务楼利用混凝土柱内钢筋组成的屏蔽网。弱电系统在此区域属于保护区域，且均根据要求安装适配型号的浪涌保护器。AP＝10-2,是考虑到业务楼的防直接雷击装置有接地良好且各种低压电子设备系统的接地连接到同一个地网。考虑到LPS有避雷带，且等电位问题处理的非常好。因此，LPS的级别取为比保护很完善的LPSI级更高一级，故BP取0.01。3.2业务楼引入设施（埋地电缆）特征数据参数注释符号数值参考电力电缆及电力设施长度（m）0.38和0.22kV埋地电缆LC,100线路地域因子周围有其它建筑Cd0.5表A.2线路环境因子六合区Ce0.1表A.5线路屏蔽情况有PLD0.95表B.6配线预防措施有KS30.001表B.5系统耐受冲击电压（kV）2.5KS40.6式（B.4）相配合的SPD保护有PSPD0.005表B.3注：①因为业务楼未提供屏蔽电缆的屏蔽层单位长度电阻Rs（Ω/km），故PLD取较大的0.95。同样道理,KS3应取为0.001。②考虑到业务楼有各种消防设备，如灭火器、固定的人工灭火装置，人工报警装置等，故rp取0.5。③因为无变压器，故Ct取为0.23.3业务楼评估区域的特征数据参数注释符号数值参考土壤电阻率(Ω·m)ρ28.2地板表面类型草地ur10-2表C.2火灾风险一般fr0.01表C.4特别伤害低度惊慌zh2表C.5防火措施有pr0.5表C.3内部空间屏蔽有2SK0.005式（B.3）内部电力系统是电缆生物触电损失概率跨步电压和接触电压tL0.02式C.1Lx=np/nt×tp/8760物理伤害损失概率爆炸起火等fL0.2式C.1爆炸风险内部系统失效有大量弱电设备oL0式C.1其中Lt,Lf和Lo可以按照以下近似关系式，用受害者的相对量来确定数值:Lx=np/nt×tp/8760(C.1)式中：Np是可能受到威胁的人员的数量(受害者，生物触电考虑取为2；物理伤害取为20；内部系统失效取为0)；nt是预期的总人数(20人)；tp是以小时计算的业务楼工作人员每年处于危险场所的时间为2000小时。3.4业务楼及引入设施截收面积截收面积符号参考方程出处方程引用数据数据km2dA(A.2)LW+6H(L+W)+9(H)20.02mA图A.5L×W+2×250×(L+W)+2502表10.23)(1plA电力电缆表A.3(Lc–3(Ha1+Hb))表1表20)(1piA表A.325Lc表21.3×104注：（1）IEC标准中Am为建筑物邻近截收面积。在这个区域内雷击产生的磁场可能使建筑物内100m2回路感应出的过电压等于或超过内部系统冲击耐压（1.5kV）。Am的大小是由离建筑物四周Dm=250m在地面上划出的区域面积所决定的。虽然该区域主要为弱电设备，冲击耐压很低，所以，建筑物邻近截收面积Am未考虑减小。（2）)(1plA表示电力电缆的雷击截收面积，)(1piA为电力电缆的邻近雷击截收面积。4、雷击可能引起的几个损害概率的计算或选取4.1雷击厂区导致内部系统失效的概率PCPC取决于所采用的相配合的SPD保护:对电力电缆，PC=PSPD＝0.005对信号电缆，PC’=P’SPD＝0.0054.2雷击厂区附近导致内部系统失效的概率PM雷击厂区附近引起内部系统失效的概率PM取决于所采用的与对应于因子KMS（考虑了所采用的保护措施的因子）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：作为KMS的函数的PMS的值为0.0001。PM的值应当是PSPD和PMS两者中的较小值，因为PSPD＝0.005，所以PM＝0.0001。4.3雷击厂区埋地电缆导致触电的概率PU当按照IEC62305-3的要求为了进行等电位连接而安装SPD时，PU的值等于PSPD与PLD（这里PLD是雷击相连服务设施导致内部系统失效的概率，对屏蔽电缆，冲击耐受电压最差的电力电缆的PLD为0.8）之间的较小值。故，对电力电缆，PU＝PLD＝0.005。4.4雷击厂区埋地电缆导致起火或爆炸的概率PV当按照IEC62305-3的要求为了进行等电位连接而安装SPD时，PV的值取PSPD和PLD的两者之间的较小值。故，对电力电缆，Pv＝PSPD＝0.005。4.5雷击厂区埋地电缆导致内部系统失效的概率PW如果安装了符合IEC62305-4要求的配合的SPD，PW的值取PSPD和PLD两者之间的较小值。故，对电力电缆，Pw＝PSPD＝0.005。4.6雷击厂区埋地电缆附近导致内部系统失效的概率PZ如果安装SPD，PZ的值取PSPD和PLI两者之间的较小值。PLI是雷击引入电力线设施导致内部系统失效的概率。对屏蔽电力电缆，查表B.7可得出PLI的数值当UW=1.5kV时，为0.15。故Pz＝PLI＝0.15。5、预期年均雷击次数和人身伤亡风险分量5.1业务楼预期年均雷击次数截收面积符号方程出处方程引用数据数据(次/年)dN(A.4)Ng×Ad×Cd表1表40.032mN(A.6)Ng×（Am－Ad×Cd）表1表40.693)(plN(A.7)Ng×AL1(P)×Cd×Ct表1表2表40)(piN(A.8)Ng×)(1piA×Ce×Ct表28195.2评估区域人身伤亡风险分量符号Z1评估区域ARND×PA×ra×Lt6.4×10-8BRND×PB×rp×hz×rf×Lf6.4×10-7URNL×PU×ru×Lt0VRNL×PV×rp×hz×rf×Lf0R1RA+RB+RU+RV7.04×10-7这里，RA:业务楼及距离业务楼3m以内的区域中与接触和跨步电压造成生物伤害有关的风险分量。RB:与业务楼因危险火花放电触发火灾有关的风险分量。RU:与业务楼内雷电流注入入户电力线路产生的接触电压造成人身伤害有关的风险分量。RV:与雷电流经过入户服务设施（引入埋地电缆）产生的物理损害(入户设施和金属部件之间的危险火花放电触发火灾或爆炸，通常位于线路入户处)有关的风险分量。现在我们可以得出损害类型1人身伤亡风险评估结论。为了确定业务楼是否需要加强防雷保护，必须将人身伤亡风险值R1与厂区所能接受的风险RT相比较。此处,TRR1的条件应满足，否则应提供额外的保护措施。显然对于业务楼R1=7.04×10-7RT＝10-5（次/a）因此，可以确定：业务楼在做好现有设计防雷装置的施工和安装,不需要做额外的防雷保护措施。