建筑物雷电灾害风险评估的标准、体系和方法.doc

1、见 http:/ 肖稳安 蔡振新 王建初 曹和生 2006.03.20 12:18建筑物雷电灾害风险评估的标准、体系和方法钟万强 肖稳安（南京气象学院，210044） 蔡振新 王建初 曹和生（上海市防雷中心，200030）摘 要：阐述了风险和风险评估的定义，给出了雷电灾害风险评估的基本原则，说明了评估的工作流程和概念模型。对相关的评估标准做了分析和比较，并详细说明了 IEC61662的评估标准。采用综合分析法对建筑物风险评估体系进行阐述，同时介绍了评估方法。最后指出了风险评估存在的问题与发展的方向，并给出了结论。关键字：建筑物 风险评估 标准 体系 方法The Standard&System

2、and Method of Risk Assessment in Lightning Hazard for StructureAbstract: Clarify the definition of risk and risk assessment, give the principles of risk assessment on lightning hazards, and explain the work course and its conception model. Analyze and compare the relative standards, with IEC61662 in

3、 detail. Use synthesis and analysis to clarify the system of risk assessment for structure, and introduce the assessment methods. Finally put forward the problems and development trend, and make some conclusions.Key Words: structure risk assessment standard system method引言 风险是无处不在和无时不有的，任何人、任何工程、任何项

4、目都会不断的涉及风险。面对风险，一部分人喜欢选择用逃避的方式来处理，但逃避不是出路，正确的方法是正视它并认识它，寻找有效的措施来降低风险或让风险产生效益。风险评估就是人们处理风险的一种常用措施。在雷电防护的实践中，常常会要求首先明确雷电防护的必要性，在防雷工程实施之前对防护对象进行防护级别的划分来指导合适的防雷设计，并且有必要对已经完成的防雷工程进行效果评估。雷电灾害风险评估是十分有意义的而且相当重要的一项工作。在实践中，建筑物雷电灾害风险评估占有重要的地位，大部分的雷灾风险评估是针对建筑物或涉及建筑物的。在此，以建筑物雷电灾害风险评估作为研究对象，将会就风险和风险评估的定义、雷电灾害风险评估

5、的基本原则、评估的工作流程和概念模型、相关的评估标准、建筑物风险评估体系和评估方法等方面进行分析。在国外，IEC 和 ITU两大国际组织相继发布了一系列关于雷电防护的标准与规范，特别针对建筑物和通信站等雷电灾害风险评估制定了IEC61662、IEC62305 和 ITU-T k.39等标准。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，具有重要的指导意义。但这些标准大都建立在经验基础上，由于具体情况的差异，如果完全抄袭和照搬它们来在国内进行雷电防护及其风险评估，必然会有所欠缺。因而，在国内，针对气象信息系统雷击电磁脉冲防护问题，发布了气象信息系统雷击电

6、磁脉冲防护规范规范 QX3-2000。这个标准的雷电灾害风险评估方法相对比较简单，评估结构清晰，比较有针对性和实用性。一、风险和风险评估的定义以及雷电灾害风险评估的基本原则 风险是一个捉摸不定和难以把握的概念1，一般定义为遭受灾害和损失的可能性，或者具有不确定性的可能损失。这表明可以有两类方法来定量风险，即相对值法和绝对值法。当然也可以使用定性的方法来衡量风险。对于个人风险评估，最常用的定性方法是将风险主体分为风险爱好者、风险中庸者和风险逃避者。一般来讲，风险是与收益相对而言的，高风险往往与高收益相伴随。风险评估是指为了衡量风险而对特定风险做评价与估算的一个过程，和风险评价相比，风险评估侧重于

7、对风险的定量估算。雷电灾害风险是指雷电对建筑物和服务设施造成的年度可能损失。雷电灾害风险评估通常采用相对值法，通过相对损失和雷击概率得出一个或多个无量纲的风险值。在雷电灾害风险评估时，明确评估原则是十分必要的。在此提供以下 5个评估原则：1认清评估对象，选择符合其适用范围的评估标准。这要求在做风险评估时应该根据评估对象而有针对性的处理问题。2评估方法和评估标准要及时更新。由于各种技术和产品的更新与发展更加日新月异，滞后的评估方法和标准是不能满足社会需求的。特别是 LEMP危害逐渐占据主导地位时，通信、电子和网络等行业的发展给雷电灾害风险评估提出了很多需要解决的问题。3抓住风险评估的两个关键因素

8、，即评估结构（评估体系）和评估指标（评估参数）。4雷电灾害风险评估要以风险（损失）为中心，而不是以风险的来源为中心。这是因为雷电灾害的来源与损失相比而言是很难准确确定的。同时要尽量避免重复性计算或遗漏性计算。5风险是对于不同的评估主体（评估者）是具有不确定性的，风险评估应该考虑评估主体的风险偏好。二、评估的工作流程和概念模型 一般而言，评估工作应该按照一定的工作流程来执行2。第一，确定评估对象；第二，明确评估范围；第三，选择评估标准，包括评估体系、评估指标及其基准值；第四，确定评价方法包括评估公式；第五，收集信息，进行评估；第六，提供评估结论包括评估等级，并提出适当的对策与相应的措施。在开展一

9、项评估工作时，需要对所做的评估在宏观上形成一个清晰的概念模型，目的是为了在评估过程中紧紧抓住中心问题而不致于迷失方向。作为评估主体的评估者（防雷工程师和防雷用户），以评估对象（建筑物或服务设施）为中心，选择合适的评估标准，确定有效的评估方法，把工作重点防放在评估因子的分析与计算上，目的是得出全面而准确的评估结论，同时按照一定的评估级别来提出适当的防护措施。图 1的概念模型比较恰当的描述了风险评估的整体框架。图 1. 风险评估的概念模型（图略）Fig 1. The conceptional model of risk assessment三、评估标准 目前有多个关于雷电灾害风险评估的标准，对各个

10、标准的分析和比较可以提供更好的评估参考。人们有理由坚信在没有发现更好的处理方法时，目前的处理方法是最好的。1QX3-2000 风险评估QX3-2000 是气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范3，其中风险评估的适用范围是由雷击电磁脉冲（LEMP）对气象信息系统造成损失的风险的评估。该标准中风险评估的中心是确定年平均直击雷次数 N和年平均允许雷击次数 Nc。建筑物的年平均直击雷次数 N，N=k*Ng*Ae，Ng=0.024*Td1.3。年平均允许雷击次数 Nc，公式为 Nc=5.8*10-3/C或 Nc=5.8*10-4/C，其中C=C1+C2+C3+C4+C5，C1 是建筑材料因子（金属取值 0.5

11、，钢筋混凝土取值1.0，砖混结构取值 1.5），C2 是信息系统重要程度因子（A 类机房取值3.0，B 类机房取值 2.0，C 类机房取值 1.0），C3 是设备耐冲击类型因子，C4是设备的 LPZ因子，C5 是雷击后果因子。信息系统 LEMP防护分级 E：E=1-Nc/N。按 E值分为四个级别，E0.98 为 A级，0.95Ra时，应该采取防护措施使得 RRa。D）选择雷电防护措施来降低所有类型的风险至 RRa。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（

12、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，划分级、级、级和级等 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

13、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

14、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* 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

15、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材料因子、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*A

16、a*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

17、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

18、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 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

19、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

20、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 + RCRI = RM + RU +

21、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 + RURF = 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*a RB = ND*PB*DB ，其中 DB= r*h*f ， PB=Pd*Pf RC = ND*PC*DC ，其中 DC= a ， PC

22、=1- (1-Ps)*(1-Pe)RM = NM*PM*DM ，其中 DM=o RU = NL*PU*DU ，其中 DU=u ， PU=Pi*Pg RV = NL*PV*DV ，其中 DV= r*h*f ， PV=Pi*Pf RW = NL*PW*DW ，其中 DL=o ， PL=Pi RZ = NI*PZ*Dz ，其中 DZ=o 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

23、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，

24、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。参考文献：1 Malkiel. 漫步华尔街(骆玉鼎,译). 上海财经大学出版社，2002：227-2322 尚金城，包存宽. 战略环境评价导论. 科学出版社，20033 QX3-2000 气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范4 ITU k.39 通信局站雷电损坏危险的评估5 IECXXXXX-1. Protection against lightning Part 1：General principleIEC，20016 杨少杰，等. 雷电损害风险评估的方法与实践（上、下）. 中国电子商情，2003（385 期）：8-17