雷电灾害风险

     雷电灾害风险

    雷电灾害风险是指由雷击发生及其造成损失的概率。雷电灾害风险评估是雷电灾害研究的重要内容，是科学防雷、全面防雷的工作基础，也是灾害评估的一种方法。但由于雷电灾害具有很强的随机性和瞬时性，很难对某一地区未来的危险性和易损性进行评估。我们现在要做的就是利用现有的雷电监测数据等资料，有效地对雷电灾害风险进行预测。国外，国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)等组织对雷电灾害风险评估做了大量的研究并提供了相应的评估标准：IEC62305、ITU-TK.39等；国内雷电灾害风险评估的成果主要包括雷击危害风险评估和QX3-2000等标准。

    现在，雷电灾害风险评估作为一个新兴的业务已经在全国各地防雷机构广泛开展，在我国由于雷电风险评估研究起步较晚，基础数据积累有限，许多相关工作人员对雷电灾害风险评估缺乏清晰的概念，在雷电灾害风险评估工作的开展过程中遇到诸多的问题。本文对雷电灾害风险评估相关概念以及存在的问题进行粗浅地分析，希望以此促进雷电风险评估人员做好建筑物或设备的评估工作，实现防雷减灾效益最大化。

    一、雷电灾害风险评估的必要性分析

    随着国民经济的不断发展，雷电灾害已成为影响经济社会发展和人民群众生命财产安全的严重自然灾害之一，全世界平均每分钟发生雷暴2000次，全球每年因雷击造成的人员伤亡超过1万人，所导致的火灾、爆炸等时有发生。2007年5月23日，重庆开县校园雷击事事件发生的概率明显增加，全面科学地防御雷电灾害已经不得不摆上重要日程，强化专业分工，提高雷电专业在气象灾害防范领域的参与度势在必行。为避免决策失误，加强雷电灾害预防，在开发重大建设项目、城市规划等经济建设过程中，必须先进行雷电灾害风险评估。雷电灾害作为一种典型的自然灾害，必然符合灾害学理论的一般规律，这就对我们提出了进行雷电灾害风险评估的必要性和紧迫性。

    众所周知，雷电能造成人员伤亡，能使建筑物起火、击毁，能对电力系统、计算机网络等造成破坏，雷电又是不断出现的自然现象，特别是每年夏季更是雷暴的高发期，根据近几年的统计数据来看，雷电灾害正呈现一种上升的趋势，为了保护人身安全和减轻雷电灾害造成的损失和影响，十分需要了解雷电可能造成的或已经造成的后果，所以就需要对这种损失进行评价和估计，即进行雷电灾害风险评估。但现在社会公众对于雷电灾害还缺少相应的认识和应有的风险意识，加上侥幸心理作祟，所以极易导致雷电灾害事故的发生。这样雷电灾害势必对我国的社会与经济发展造成一定的负面影响，因此必须对此进行深入的研究和采取必要的措施。

    另一方面，通过对某些特定区域进行雷电灾害风险评估，可以测算出该区域遭受雷电危害风险的风险值，确定易受雷电侵袭的高风险区，以有效的提高防雷减灾的局部资金密度，合理安排各处的防雷工程建设，从防灾避灾的角度确定对未来最合理的防雷设施。进行雷电危害风险评估还有助于对防雷项目的经济性进行估计，可以有效的防止防雷设施的盲目建设。对于大型的工程项目，特别是发生危险时对环境具有重大危害的工程项目，对于其在工程选址初期，对工程进行雷电灾害的风险评估就显得异常重要；对于建成的项目，对其进行风险评估，可以提供工程潜在的遭受雷电灾害的风险值，并浅议雷电灾害风险评估依据风险值进行有效的防雷措施。

    现阶段，对于雷电灾害的风险评估做的最多的是灾后评估，即某处遭受雷击之后，通过实地调查，得到接近准确的灾害损失情况，为灾后重建提供依据，同时积累历史资料。从评估的对象来看，也局限于雷电灾害的个例分析。所以进行全面推广雷电灾害风险评估还显得任重道远。

    二、雷电风险评估程序浅析

    在国外，IEC先是发布了IEC61662以及后来更新的IEC62305系列第二部分关于雷电灾害风险评估的标准与规范，逐渐形成了一套完整而实用的雷电灾害风险评估体系，对雷电防护及其风险评估提供了有力的依据，但这些标准大都建立在经验基础上，由于具体应用领域和具体国家地区的差异，应用效果也有所不同。在国内，针对电子信息系统防雷和气象信息系统雷击电磁脉冲防护问题，发布了GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》和QX3-2000《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》，这些标准中所涉及的雷电灾害风险评估方法相对比较简单，不能很好地满足我们对于雷电灾害风险评估的细致化的要求，所以国内现在采用比较多的是IEC62305所提出的关于雷电灾害风险评估的思想以及相关的评估程序。下面就对雷电灾害风险评估的一些基本的观点进行简要的阐述。

    1.风险分析原理

    所谓雷电灾害风险评估，是从风险管理角度，运用定性或定量的科学分析方法和手段，系统地分析被评估对象所面临的人为的和自然的威胁，以及威胁事件一旦发生可能遭受的危害程度，有针对性地提出抵御威胁的安全等级防护对策和整改措施，从而最大限度地减少雷击灾害所带来的经济损失和负面影响。

    自然灾害系统是由致灾因子、孕灾环境和承灾体共同组成的复杂系统，灾害风险往往是天、地、人综合作用的结果。对于雷电灾害而言，致灾因子是指即雷电灾害存在的风险因子；孕灾环境即建筑物所处环境的雷电发生概率的大小，周围的地理环境以及社会环境等；承灾体是指被评估的建筑物本身，建筑物内的人员以及建筑物内的电气系统、电子系统以等易受损害的构件。因此，应从自然灾害系统的构成要素(致灾因子、孕灾环境和承灾体)出发，分析雷电灾害的风险因素。

    2.雷电灾害风险评估方法

    风险评估方法的选择直接影响到评估过程中的每个环节，甚至可以左右最终的评估结果，所以需要根据系统的具体情况，选择合适的风险评估方法。现有的风险评估方法有很多种，可大致分为定量的风险评估方法、定性的风险评估方法和综合的风险评估方法三大类。

    定量评估方法的思想是，对构成风险的各个要素和潜在损失的水平赋以数值或货币的金额，当度量风险的所有要素(资产价值、威胁可能性、弱点利用程度、安全措施的效率和成本等)都被赋值，风险评估的整个过程和结果就可以进行量化。定性的评估方法是目前采用最为广泛的一类方法。它主要依据研究者的知识、经验、历史教训、政策走向及特殊变例等非量化资料对系统风险状况做出判断的过程。它主要以与调查对象的深入访谈做出个案记录为基本资料，然后通过一个理论推导演绎的分析框架，对资料进行编码整理，在此基础上做出调查结论。

    目前国内对建筑物进行防雷施工只能对建筑物进行定性的分类，根据GB50057《建筑物防雷设计规范》的相关条目的规定进行防雷分类，这样做的后果就是不能对建筑物的防雷措施做到进一步的细分，只能是大概地进行防雷措施的施工，造成不必要的浪费，而利用IEC提出的风险评估对建筑物进行定量的风险评估，可以给出建筑物的风险值的大小，并且能够提出比较精确的防雷措施，这样能对建筑物进行更加严密的保护措施。我们现在所用到的IEC62305的评估程序就是一种定量化评估的方法，它通过分析各种被评估体的各种潜在的风险因子来计算所有风险分量的大小，进而计算出被评估体遭受雷电灾害的风险值的大小，再通过与我们可以承受的风险值进行比较，最终来确定被评估体是否有必要进行防雷保护，以及所采取的防雷保护的保护等级。未来防雷工程的发展方向应该是把雷电灾害风险评估作为防雷工程设计和施工的前期工作，以雷电灾害风险评估给出的风险值为依据来对建筑物进行防雷设计，这样能够对建筑物的薄弱不为更加精确地进行设计和保护，从而改变以往的全面的不分重点地进行保护，使得防雷工程能向精细化保护方向发展。

    3.存在的问题

    在实际工作过程中，还发现IEC62305里还有许多值得探讨和改进的地方，由于IEC62305在制定的过程中更多的是借鉴欧美地区的雷电防护资料，并根据欧美的实际情况来制定规范的，实际在应用的过程中，发现有些数据并不适用于我们的实际情况，比如影响风险分量的风险因子的选取，这其实都是一些经验数值，比没有经过科学的验证，所以我们可以通过不断地数据累计来建立自己的关于雷电灾害风险的数据库并对风险评估程序中的因子进行适当的调整，以适应当地的实际情况。

    IEC62305的评估更适用于评估孤立的建筑物，对于一个建筑群或是一个大型的区域比如工厂厂区等的评估就遇到许多问题，比如对于建筑物之间的雷击截收面积重叠的问题，大区域中建筑物与建筑物之间的联系错综复杂，是否可以把一篇属性相近的区域应用统一的方法进行评估，而不是对每个建筑进行孤立的计算，然后再简单地相加，这样做就把建筑物之间的联系给区分开来，导致评估数值无谓地增大，导致风险值的误差。另外IEC62305中的风险分量的影响因子是否可以因地适宜地增减，比如加入一些特殊的影响因子以达到更准确的一个评估值。除此之外，由于人们还没有对于雷电灾害的清晰的认识，以至于缺少应有的雷电灾害的风险意识，而这样的社会环境就会造成我们雷电防护从业人员对于推广风险评估业务的难度。所以我们首先要做的是加强雷电灾害的宣传，增强人们的防护意识，特别是提高全社会对于雷电灾害的认知程度，这样可以保证我们从业人员更好地开展业务，以保障人民的生命财产的安全，为建设和谐社会做出自己的贡献。

    风险评估作为一个新兴的观念越来越收到人们的重视了。雷电灾害风险评估作为一个新兴的业务，无论是人员素质还是人民群众对于雷电灾害的风险意识等诸多方面多都还有待加强。作为雷电灾害防护体系中不可或缺的组成部分，雷电灾害风险评估在程序本身或是操作上还存在很多问题，在未来必定是一个热门的研究方向。(摘自：申红石：《浅议雷电灾害风险评估》，载《建筑设计管理》2009 年第1期)

    防雷技术措施

    我们知道：雷电是发生在大气中的一种放电现象，具有高电压、大电流、强电磁辐射的特征。传统的防雷技术是在高大的建筑物楼顶或其附近，安装防直击雷的防护装置。这种防雷装置是由接闪器、引下线和接地体三部分组成。安装这种防护装置的目的是将强大的雷电电流，按照设计的通道泄放到大地。也就是由设在建筑物顶端的接闪器拦截雷电电流，之后通过导电通畅的引下线，引导到电阻值很小的接地体泄入到大地。这是属于防直击雷的措施，一般我们称之为外部防雷。

    当雷击发生时，建筑物的外部防雷装置确实有效地防御了雷击对建筑物结构的破坏，防止和减少了火灾和人身伤亡。但它并不能保护建筑物内的电气系统和电子系统免遭雷击。因为，首先当雷电流快速泄放到大地的同时，在空中就会产生一个强大的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有电气和电子系统的线路和设备，都会因为切割了磁场的磁力线而感应产生出电涌电流，轻则会产生误动作，重则会造成设备损坏。原因之二，雷击发生时雷电流可能击中架空的电力线或通信线，也可能击在这些金属线缆附近而感应出电涌电流。这些电涌电流会沿着金属线缆进入电气和电子系统，造成破坏。

    我们把上述通过感应磁场的效应即“场”的作用；以及通过线路雷电流侵入即“路”的作用统称为雷击电磁脉冲，也有的称为二次雷击。这种二次雷击的破坏，不象直击雷那样伴随着强烈的电闪雷鸣，而是在人们看不见的感应磁场中发生的。由此可见，雷击电磁脉冲的破坏作用是悄然发生，不易察觉，但后果远比直击雷严重得多。防御雷击电磁脉冲的技术可称为“内部防雷”。外部防雷与内部防雷共同组成了系统的综合防雷体系。

    另外，雷击发生时建筑物的避雷装置在防止直击雷过程中，强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地。与此同时，可向附近的各种接地导体闪络电弧，电压可高达数万伏以上。会向建筑物内对包括：机房内各类接地的机器设备和电子设备；自来水管道、暖气管道、煤气管道等各类金属管线；接地的金属门窗甚至人，发生闪络现象，至使设备和人员受到侵害。所以在设计系统综合防雷工程时，对上述问题均要一并予以考虑。

    一、综合防雷的主要技术措施

    由于雷电波的侵袭是无孔不入的，因此系统的综合防雷体系，是一项综合性的系统工程，应包括对直击雷和对雷电电磁脉冲的防护；采取的技术措施也是多方面的，除了外部防护外，还应有内部防护。按照国际上雷电防护标准的规定，可将综合的主要技术措施用以下框图表示：

    我们可以这样理解综合防雷体系的作用：“防雷”如同“防洪”。象在防洪过程中，为了防御或减轻洪水的危害，我们要采取引流和泄洪的措施一样，在防雷工程中采取一系列技术措施的目的是，为雷电流提供一条低阻抗泄入大地的通道，同时还要防止雷击电磁脉冲通过“场”和“路”的侵入。

    1.外部防雷—拦截措施

    综合性系统防雷工程的第一道防线，就是拦截直击雷。最经济、最有效的方法，仍然是采用安装包括接闪器、引下线和接地体在内的防直击雷防护装置的方法。作为拦截雷电的接闪器—避雷针，其保护的范围是有一定限制的。在防雷工程设计时，对建筑物的直击雷防护，要通过滚球法计算来确定设置避雷针的高度，或采用多根避雷针来覆盖被保护的建筑物。当接闪器接闪后，为了分流，可能需要多根引下线将雷电流引下，这就好比使用多条河道或拓宽了河道以泄洪水。大地是泄放雷电流的最好场所，如同海纳百川一样。如果接地装置的接地电阻很低，则雷电流的泄放速度更会加快。如果接地电阻值较高，根据欧姆定理U＝R•I，当电流值一定时，引下线上的电位会因接地电阻值较高而增大，此时可能对引下线周边的物体发生闪络。好比象洪水因泄流不畅，而漫出大堤的效果一样。

    2.屏蔽措施

    屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一，屏蔽的目的，一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。空中的雷击电磁场是无孔不入，特别是对砖木结构的建筑物以及钢筋结构建筑物的非金属门窗这样“洞”，强的雷击电磁场会轻易地钻进来破坏设备。对于电子设备的屏蔽，主要依赖其外壳。对于屏蔽要求很高的设备，应设置专用的屏蔽室。因此，当被保护的电子设备比较重要，同时耐磁场强度较弱时，就要采用金属网或金属板组成的屏蔽室，将设备屏蔽起来的措施予以保护。这也就如同防洪中，加固堤防的措施一样。

    另外，电缆的敷设形式不同，其屏蔽效果也大不相同，架空电缆比埋地电缆更易受雷电袭击。电缆的屏蔽性能与电缆外导体或屏蔽体是否接地以及它的敷设形式有关。对于入户电缆的屏蔽要采取入地敷设、穿管走线、可靠接地等措施，才能达到良好、有效的屏蔽效果。

    3.等电位连接

    等电位连接也称作均压。我们知道，站在地上的人触摸电线就会被电击，而在高压线上作业的工人不会被高压电电击，原因是他与高压线的高电压是等电位的，由于没有电位差，所以没有电流流过，就不会被电击。同样道理，为了保证设备和操作人员的安全，各类电器设备和信息技术设备均应采取等电位连接的措施。就是把各类设备包括所有的导体，都要做到良好的导电性连接，并且还要与接地系统连通。其中非带电导体可直接用导线连接，带电导体通过电涌保护器(SPD)连接。其目的是使所有的设备和导体与接地系统做到电位均衡连接，也就是所有导电部件之间不能存在显著的电位差，导电部件与接地系统之间也就不会产生电位差，从而形成电位相等的电磁环境，这样就组成了一个安全的电位补偿系统。

    具体地讲，就是对进入建筑物的所有金属导体、管道、电缆的外屏蔽层，都做等电位连接与接地。而对于配置有电子信息系统设备的机房内，应设等电位连接端子板，端子板也应可靠接地。机房内的电气设备和电子设备的金属外壳、机柜、机架、屏蔽线外层以及在电源通道、天馈通道和信号通道上加装的各种SPD，都要以最短的距离就近与等电位连接端子板连接。所以，在综合布线过程中，也应使所有的设备和导体与共用接地系统之间，保持可靠的等电位连接，从而达到保护设备和人身安全的目的。

    4.防闪络措施

    所谓闪络现象就是，电流传导过程中在导体之间跨越绝缘体产生电弧，从而改变了电流传递通道。产生电弧的主要原因是电弧两端的导体之间电位差很大，距离又很近，从而击穿了绝缘体，如空气或土壤等介质。因此，为防止闪络的发生，可以采取隔离或保持安全距离的方法。如外露外引下线使用耐100kV的绝缘层隔离以防止对人体和其他导体的闪络；在引下线入地处铺设厚度为5cm以上的沥青层使其3m范围内的土壤地表层电阻率大于5kΩ.m防止跨步电压等。这也是如同在防洪中加固大堤，防止洪水溢出。当然防止闪络还有其他的措施，如：采取等电位连接，使闪络的两端等电位；用网状接地装置对地面作均衡电位处理以防止跨步电压等。

    5.电涌保护器

    电涌保护器(SPD)是一种箝制过电压和分走电涌电流的器件。当SPD被并联到被保护的低压电气线路或电子线路时，如果线路上流过的是正常的工作电压，则其呈高阻抗状态；只有在线路上出现过电压和过电流时，它们才呈低阻抗状态，此时电涌电流通过SPD泄入大地，从而保护了后端的电气或电子设备。实际上，我们可以把SPD的作用，看作是防洪工程中的分洪泄流来比喻。

    当然，SPD的选择是比较复杂的技术，需要考虑的主要因素有：SPD的最大持续运行电压、SPD能承受预期通过它们的雷电流值、SPD的电压保护水平、被保护设备的耐压水平、雷击类型以及需防护的电气系统和电子系统所在地的年平均雷暴天数等等。有些建筑物内电子信息系统防雷标准不从客观实际出发，一味强调什么“层层设防、多重保护”不仅大量地浪费了资源，而且会适得其反地破坏了SPD的保护作用。

    对于具备各类电子系统的现代建筑物大楼防雷工程，是一项多种技术措施综合运用的系统工程。只有按防雷技术规范的要求，结合工程实际，使外部防雷和内部防雷密切结合，整体地采用各种防雷措施，才能充分发挥综合防雷的有效作用。任何单方面的措施，其防雷效果都将大打折扣。因此，对于现代建筑物大楼的防雷工程，必须全面综合考虑，相互配合，才能更有效地防止雷击对现代电子系统的侵害。