由雷电灾害造成的雷灾损失分为D1、D2、D3和D4等4类损失。D1是人身伤亡损失,D2是公共服务损失,D3是文化遗产损失,D4是财产经济损失。 雷灾风险:在IEC61662中,风险是指雷电对建筑物和服务设施造成的年度可能损失。与雷灾损失正好对应,雷灾风险分为R1、R2、R3和R4等4类。R1是人身伤亡风险,R2是公共服务风险,R3是文化遗产风险,R4是财产经济风险。每一类风险分别由公式R=N*P*D来计算,其中R是雷灾风险,N是年危险性雷击次数,P是每次雷击造成损失的概率,D是平均相对损失。雷灾允许风险Ra是指雷电灾害评估标准或评估主体能够允许的风险水平。雷电防护的目的就是降低雷灾风险到雷灾允许风险,即R≤Ra。当雷灾损失有多种类型时,要求每种类型都满足R≤Ra这个条件。在建筑物风险评估时,要求实现两个目的,即确定建筑物雷电防护的必要性(针对于人身伤亡风险R1、是公共服务风险R2和是文化遗产风险R3)和确定建筑物雷电防护的经济效益(针对于财产经济风险R4)。 防护措施的选择过程:建筑物和服务设施的雷电防护需要首先确定是否需要防护,然后在需要防护时选择适当的防护措施。防护措施的选择应该遵循以下5个主要步骤。A)确定将要防护的建筑物(或服务设施)及其特征;B)确定雷电损害和雷灾风险的类型;C)对每类损害分别计算其雷灾风险R,选择雷灾允许风险Ra,然后比较R和Ra。当R≤Ra时,雷电防护不是必需的;当R>Ra时,应该采取防护措施使得R≤Ra。D)选择雷电防护措施来降低所有类型的风险至R≤Ra。E)根据技术条件和经济因素来选择最适当的防护措施。对于建筑物,雷电防护措施包括外部雷电防护系统(LPS)、浪涌保护器(SPD)和磁场屏蔽(MS);对于服务设施,雷电防护措施包括地线(GW)和浪涌保护器(SPD)。 建筑物与服务设施防护的基本标准: 1)防护级别:按雷电流参数,结合各个级别的最大(度量标准)雷电流参数和最小(拦截标准)雷电流参数,划分Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级等4个级别。 2)建筑物防护:建筑物雷电防护遵循防护带原则,该原则允许对建筑物的不同部分分别采取最适当的防护措施。对于物理损害和人身危害,可以在建筑物安装外部LPS(包括接闪系统、引下系统和接地系统)和内部LPS(等电位连接、距离分隔和电绝缘)。对于雷电电磁脉冲(LEMP),可以采取接地、屏蔽和连接等防护措施。 3)引入设施防护:第一,尽量避免雷电直击服务设施,如将架空线路埋地,增加管道厚度等。第二,增加屏蔽,降低过电压。第三,利用SPD来分流过电流和限制过电压。第四,提高线路和相连设备的雷电抵抗力。 在IEC62305中,雷电灾害风险评估建立了三个假设前提[6]。1)建筑物无任何天然或人为的防雷措施;2)任何防护措施都使损害概率缩减一个因子;3)采取多种措施时,缩减因子为各措施对应缩减因子之积。引入环境因子,使得年雷击次数N的确定更加符合实际。 4.评估标准的比较 QX3-2000、ITU-T k.39和IEC61662 与IEC62305等标准的雷电灾害风险评估都把评估的重点放在雷电灾害损害次数这个参数上,而决定损害次数的子参数的选取大多以经验为主。各标准都需要计算出实际损害次数(实际风险)和允许损害次数(允许风险),然后给出风险级别并提供适当的防护措施。各标准在处理雷电灾害损失和雷电灾害风险时,都使用相对值,大部分参数都以表格等形式给出一定的典型值,取值不连续而且很难达到比较高的精度。各标准都要求精确得到评估对象(建筑物或服务设施)的雷击有效面积,乘上当地的雷击密度而计算其可能雷击次数,然后需要求得允许雷灾水平(可承受雷灾水平)。从风险评估的复杂程度来看,IEC61662是最复杂的,应该说也是最准确的且可信度最高的。同时,通过对各个标准之间做两两比较,可以发现ITU-T k.39和IEC61662都是以公式R=N*P*δ基本计算公式,两个标准都考虑了人身损失和财产损失等,都是通过人为提供允许风险(可承受风险)来最终确定评估对象的雷电防护必要性和防护等级(防护级别)。 但以上各个标准之间存在许多区别。QX3-2000标准的评估重点是确定年平均允许雷击次数Nc,而Nc=5.8*10-3/C或Nc=5.8*10-4/C,其中C=C1+C2+C3+C4+C5,因此其评估精度主要取决于建筑涂料因子、信息系统重要程度因子、设备耐冲击类型因子、设备的LPZ因子和雷击后果因子。ITU-T k.39标准的评估重点是确定雷电损害次数F,F=Fd +Fn +Fs +Fa ,其中Fd =Ng*Ad*Pd ,Fn =Ng*An*Pn ,Fs =Ng*As*Ps , Fa =Ng*Aa*Pa,一般情况下以Fs为主;而面积Ad ,An,As 和Aa,在评估时要注意各类面积可能重叠,概率因子P的确定方法基本上来自于经验,其大小与设备自身性质和特定的保护措施有关。IEC61662 与IEC62305标准的评估重点是确定雷灾风险R,R=N*P*D,因此包括三个评估评估重点,即确定雷击次数N、确定雷灾概率P和确定雷灾损失D;在具体计算时,按雷灾损失分类,由R=∑Ni*Pi*Di,分别确定各类风险的雷击次数N、雷灾概率P和雷灾损失D。 四、评估体系 在第三部分中分别对QX3-2000、ITU-T k.39和IEC61662 与IEC62305等雷电灾害风险评估的三大系列标准做了全面的分析和比较。可以看出,在评估建筑物及其服务设施的雷灾风险是,使用IEC61662与IEC62305标准来进行雷电灾害风险评估应该是正确的选择。在这部分和接下来的第五部分中,将以IEC61662标准作为说明对象,分析其评估体系(评估框架)和评估方法(评估公式)。 IEC61662标准的评估体系(评估框架)可以用图来表示。评估体系是一个完整的评估系统,也可以用评估框架来表达。要正确的运用IEC61662标准的评估体系来进行雷电灾害风险评估,就应该准确和完整的理解它。在此,分别采用分析法和综合法对雷电灾害风险评估体系做具体说明。图2给出了雷电灾害风险评估体系分析图,从雷电灾害风险评估的结果出发,反向推出需要提供的条件和参数。为了得到风险R,需要计算年雷击次数N、雷灾概率P和雷灾损失D等3个基本量。要计算N,就要知道有效雷击面积A和落雷密度NG,而NG可以由当地的雷暴日数Td利用一定的公式求得。同理,P可以由Ph、Pf和Po来计算,D可以由各类雷灾损害δ来求得。这里只给出了简单的分析图。 图2. 雷电灾害风险评估体系分析图(图略) Fig 2.The analysis chart of the risk assessment system on lightning hazard 五、评估方法 在IEC61162标准中,建筑物雷电灾害风险评估的方法是相对值法,评估的损失是相对损失。具体的评估方法可以用一组评估公式来表示。 评估的基本公式: R=∑Rx Rx=NPD 其中Rx分别表示RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ等8类风险。 RA是指当雷电直接击中建筑物时,在建筑物外2m以内由接触电压和跨步电压造成的生命损失的风险。 RB是指当雷电直接击中建筑物时,在建筑物内由危险火花引发的火灾和爆炸造成的物理损失的风险。 RC是指当雷电直接击中建筑物时,由电阻耦合和感应耦合引起的过电压造成的电力电子系统失灵的风险。 RM是指当雷电击中建筑物附近大地时,由内部装置上的雷电流引起的过电压造成的电力电子系统失灵的风险。 RU是指当雷电直接击中引入线路时,在建筑物内由线路引入雷电流引发的接触电压造成的人身损失的风险。 RV是指指当雷电直接击中引入线路时,由线路传送的雷电流造成的物理损失的风险。 RW是指指当雷电直接击中引入线路时,由线路感应引起的过电压造成的电力电子系统失灵的风险。 RZ是指当雷电击中引入线路附近的大地时,由线路感应引起的过电压造成的电力电子系统失灵的风险。 对于雷电风险,有2种主要的分类方法,即按雷击类型分类和按损害类型分类。 风险的分类: 按雷击类型把雷电灾害风险(R)分为直击雷风险(RD)和间击雷风险(RI): R = RD + RI RD = RA + RB + RC RI = RM + RU + RV + RW + RZ 也可以按损害类型把雷电灾害风险(R)分为生命损失风险(RS)、物理损失风险(RF)和过电压损失风险(RO): R = RS + RF +RO RS = RA + RU RF = RB + RV RO = RM+ RW + RC + RZ 现在,只要分别计算出RA、RB、RC、RM、RU、RV、RW和RZ等8类风险,就可以得到各类风险和总风险。下面是风险评估的具体公式。 评估的具体公式: RA = ND*PA*DA ,其中DA= ra*δa RB = ND*PB*DB ,其中DB= r*h*δf , PB=Pd*Pf RC = ND*PC*DC ,其中DC= δa , PC=1- (1-Ps)*(1-Pe) RM = NM*PM*DM ,其中DM=δo RU = NL*PU*DU ,其中DU=δu , PU=Pi*Pg RV = NL*PV*DV ,其中DV= r*h*δf , PV=Pi*Pf RW = NL*PW*DW ,其中DL=δo , PL=Pi RZ = NI*PZ*Dz ,其中DZ=δo 以上公式涉及到许多参数,在评估时可以参照评估体系综合图来进行计算。 六、存在的问题与发展的方向 建筑物雷电灾害风险评估是一项充满挑战性的工作,目前的评估标准以及实践中使用的评估方法存在一些不足之处,需要不断的改进和更新。 评估标准中主要有以下问题: 1.对风险的理解不够全面和准确,对评估原则和评估流程的说明不够清楚,没有重视用户的参与。 2.评估体系复杂而且操作性差。 3.评估参数的确定主要依赖于经验值。 相应的,今后风险评估有以下的发展方向: 1.考虑风险偏好度,在评估过程中应该充分发挥用户的评估主体的作用。 2.调整评估体系,使评估体系清晰化和实用化。一种发展途径是以雷灾损失为中心,将人身伤亡与经济损失分开,其中经济损失分为直接损失与间接损失。 3.评估参数的确定从经验取值方法向数值公式方法转变。要以确定的建筑物属性参数、设备性能参数、土壤参数和雷电参数等数值为基础,发展一系列的评估参数的确定公式。 七、结论 以IEC61662标准为基础的雷电灾害风险评估,是一套完整的评估系统,通过详细的分析与说明,得到了以下结论: 1.风险是不可逃避的,风险评估是认识和评价风险的有效手段。 2.雷电灾害风险评估应该遵循5个基本原则,按照一定的工作流程进行评估,同时需要熟悉评估的概念模型。 3.对相关的评估标准做了分析和比较,以IEC61662的评估标准为中心,使用综合分析法对建筑物风险评估体系进行总结,得到了雷电灾害风险评估综合图,并分析了风险评估的2个基本公式和8个具体公式。 |