某客运站雷电风险评估分析及雷电防护完善措施
近年来广州市雷电灾害频繁, 特别是随着电子信息设备的日益普及, 各类新旧公共建筑物中电子信息系统因雷电感应导致设备损毁的事故不断增多, 占到雷击事故的大部分比例, 每年经济损失不可低估。因此, 在电气防雷设计之前, 对新建建筑物进行雷电风险评估, 并确定建筑物内信息系统是否需要防雷击电磁脉冲就显得尤为重要。防雷设计的依据之一是雷电防护分级, 按照建筑物的不同防护等级设置与其相对应的防雷装置。雷电风险评估是确定雷电防护等级的依据, 其目的是使防雷设计建立在科学的基础上, 避免盲目性, 保证防雷工程安全可靠, 技术先进, 经济合理, 因此在现代防雷设计中是十分必要的。
客运站是城市交通枢纽的重要组成部分, 在城市建设发展中发挥着重要的交通作用。近年新建的客运站场集成了越来越多先进的电子信息设备, 极大的方便了各种客运业务。对于此类重要公共建筑, 建设前进行雷电风险评估是必要的。现就广州市某汽车客运站的雷电风险评估作一分析阐述, 并对电子信息系统的电磁脉冲防护和建筑物的防雷保护提出补充建议和完善措施。
客运主楼是汽车客运站的主要建筑物, 规划平均长度L=80m, 平均宽度=47m, 楼高10.4m。建筑物基础为钢混结构, 主体为金属钢架结构, 外墙门窗以玻璃幕墙为主, 天面以金属板材为主。主楼一层中庭设计为客运和售票大厅, 计算机信
息系统主要设置在二、三( 顶) 层, 作为办公控制和调配中心。客运站场主楼建筑面积约占总规划用地面积的1/6～1/7, 站场其余主要为广场和停车用地, 周围比较空旷, 没有其它较高的建筑物, 土壤电阻率ρ=250Ω·m。具体分析如下。
1 安装防雷装置必要性( LPS)
( 1) 主楼直接雷电闪击次数:
Nd=kNgAe=2x8.0439x0.0212=0.3411(次/a)，校正系数k=2(孤立建筑物); 根据气象资料, 广州地区年平均雷暴日Td=87.6d, 雷击密度:
Ng=0.024Td1.3=0.024x87.61.3=8.0439(次/a·km2); 主
楼防直击雷装置截收等效面积:
Ae=[LW+2(L+W)!H(200- H) +πH(200- H)]×10-6
= [80×47+2 (80+47) !10.4(200- 10.4) +3.14×10.4
(200- 10.4)]×10- 6=0.0212(km2)
( 2) 主楼邻近雷电闪击次数:
Nn=NgAg=8.0439x0.2423=1.9490(次/a)
周围大地的雷击截收面积Ag 可用延伸至与客运主楼距离为d(数值上等于ρ, 即d=250m) 的边界线所围成的面积与主楼的等效面积Ae之差来估算。即:
Ag=[LW+2Ld+2Wd+πd2]x10-6-Ae
=80x47+2x80x250+2x47x250+3.14x2502)x10-6-0.0212
=0.2423(km2)
( 3) 作用于一个入户设施上的雷电闪击年平均次数:
Nk=NgAk=Ng(A1+A2+A3)=8.0439x(0+0.025+0.5)
=4.2230(次/a)
本项目不考虑通过设施与主楼相连的建筑物的有效截收面积对主楼受雷电闪击的影响, 截收面积A1=0;10KV 电源线埋地进入,长L按1000m计算, 埋地引入线缆的等效宽度ds=250m ( 数值上等于ρ),截收面积
A2=0.1dsL·10-6=0.1x250x1000x10-6=0.025(km2);信号线(电话,网络传输线等) 埋
地进入, 长L=1000m, 截收面积:
A3=2dsL·10- 6=2x250x1000x10- 6=0.5 (km2)
( 4) 客运主楼年预计雷电闪击次数:
N=(Nd+Nn+Nk)/2=(0.3411+1.9490+4.2230)/2=3.257(次/a)
式中, N 是直接雷电闪击和间接雷电闪击的年预计平均数。
其中, 间接雷电闪击次数N' 包括邻近雷电闪击次数Nn和作用于一个入户设施上的雷击次数Nk, 所以:
N=(Nd+N')/2=(Nd+Nn+Nk)/2
( 5) 客运主楼电子设备可接受的最大雷击次数:
Nc=5.8x10- 1.5/C=5.8x10- 1.5/5.9=0.0311(次/a), 式中, 各类因子C=C1+C2+C3+C4+C5+C6=0.5+1.0+1.0+1.0+1.0+1.4=5.9
( 6) 客运主楼N=3.257(次/a)>Nc=0.0311(次/a), 所以需安装防雷装置。 2 雷电防护等级
防雷装置的拦截效率:
E=1- Nc/N=1- 0.0311/3.257=0.990>0.98
所以, 主楼室内的电子信息设备定为A 级防护等级。
3 遭受雷电电磁感应强度
大楼二、三层都有电子信息系统, 当顶层遭受雷击时, 第三( 顶) 层空间内电磁感应强度较大, 现以第三层为例进行分析。第三层信息系统内电源线与信号线单独布线组成环路, 环路宽度b=1.5m, 环路长度L=6m, 环路导线半径
r1=1.5mm; 柱筋与楼板钢筋焊接组成格栅形屏蔽网格, 网格宽W=4m, 网格钢筋半径r2=6x10- 3m; 客运主楼属于第二类防雷建筑物, 首次雷电闪击最大雷电流i0=150x10- 3A, 波头时间T1=10x10- 6s ; 真空磁导系数μ0=4πx10- 7; 形状系数KH=0.01。
( 1) 当离开客运大楼Sa=100m 处遭受首次雷击时, 建筑物外部LPZ0 区内的磁场强度: H0=i0/ (2πSa)=150x103/(2x3.14x100)=238.85 (A/m);
屏蔽系数SF=201g [( 8.5/W) /1+18×10- 6 /r2! 2 ]=201g ([ 8.5/4) / 1+18×10- 6 /( 6×10- 3)2 ! ]=4.7866(dB)机房;室内( LPZ1 区) 磁场强度H1=H0/10SF/20=238.85/104.7866/20=137.656(A/m);
环路的自电感:
L= {0.8 l2+b2 !- 0.8 ( l+b) +0.4l ×ln [( 2b/r1) / ( 1+
!1+( b/l) 2) ]+0.4b×ln[(2l/r1)/(1+!1+(l/b)2) ]}×10- 6
= {0.8 62+1.52 !- 0.8 (6+1.5)+0.4×6×ln {[( 2×1.5) /
摘要: 本文通过工程案例对雷电风险评估方法进行具体的阐述分析, 并着重对建筑物电子信息系统的电磁脉
冲防护提出相应的保护措施和建议。
关键词: 雷电风险评估; 电子信息系统; 电磁感应强度; 防护措施
( 1.5×10- 3) ]/( 1+ 1+( 1.5/6) 2 ! ) }+0.4×1.5×ln{[( 2×6) /( 1.5 ×10- 3) ]/( 1+ 1+( 6/1.5) 2 ! ) }×10- 6=19.902×10- 6(H)
顶层机房内环路的开路最大感应电压:
Uoc/max=μ0b1H1/max/T1
=4x3.14x10- 7x1.5x6x137.656/(10x10- 6)
=155.6(V)
环路最大短路电流:
isc/max=μ0b1H1/max/L
=4x3.14x10- 7x1.5x6x137.656/(19.902x10- 6)
=78.2(A)
( 2) 当大楼遭受首次直接雷击时, 大楼设计的防雷引下线根数n=15 根, 顶层某一引下线至两侧最近引下线之间的距离分别为Cs=18m, Cd=15m,
h1=3.5m( 顶层层高) , 电子设备至屏蔽顶( 楼板筋) 平均距离d1/r=2.2m, 至屏蔽墙( 外墙柱筋) 平均距离d1/w=0.6m。顶层雷电闪击最大雷电流的分流系数:
kc=1/(2n)+0.1+0.2x Csh13! x CdCs6!
=1/(2×15)+0.1+0.2x 18
3.5
3! x 15
18
6! =0.4682
LPZ0A 区内的雷电流最大值为:
io/max=Kcxi0=0.4682x150x103=70230(A)
顶层机房内环路开路最大感应电压为:
Uoc/max=μ0bxln(1+l/d1/w) xKHx(W/d1/r
0.5)xio/max/T1
=4x3.14x10- 7x1.5xln(1+6/0.6)x0.01x(4/2.20.5)x70230/
(10x10- 6)
=855.6(V)
环路最大短路电流为:
isc/max=μ0bxln( 1+l/d1/w) xKH﹒x( W/d1/r
0.5) xio/max/L
=4x3.14x10- 7x1.5xln(1+6/0.6)x0.01x(4/2.20.5)x70230/
(19.902x10- 6)
=429.9(A)。
4 人身安全雷击风险数值
客运主楼大厅属于人员较密集场所, 通常约有1000 人的日客流量, 且人员随机性很大。在人身伤亡损害的情况下, 可能损失的平均数δ约为1; 当有防雷装置时, 缩减系数Kh=1- E=1- 0.99=0.01; 大楼室外地面广场为水泥地面, 由跨步电压及接触电压导致的损害概率Ph'=0.01, 人身安全损害概率Ph=KhPh'=10-
4。所以雷电闪击风险Rd=NPhδ=3.257 x 10- 4 x1=3.257 x 10- 4。与人身安全可接受雷击风险的典型数值Ra=10- 5 比较, Rd>Ra, 应对本建筑物选择三级防雷保护装置。
5 电磁脉冲防护补充建议和措施
雷雨天气,人员应避免在露天空旷场地停留, 作业或接听移动电话。当离客运大楼100m 处发生首次雷击时, 信息系统机房内的磁场强度B0=238.85
0.01256=3Gs, 屏蔽室内的磁感应强度B1=B0/(10SF/20)=3/1.734=1.73Gs,与电子信息系统一般情况下不被电磁脉冲击穿所能耐受的最大值2.4Gs 相比较, B1<2.4Gs ,符合电子信息设备电磁稳定的安全要求; 但经计算屏蔽室内安全距离ds/1=WxSF/10=4x4.7866/10=1.91m, 实际上由于使用空间限制, 设计电子设备距屏蔽墙的水平平均距离最多只能达到0.6m, 达不到计算所需的安全距离要求, 这就需要增加补充措施。根据本项目雷电风险评估结论: 客运主楼室内的电子信息设备定为A 级防护等级, 并应对本建筑物设置三级防雷保护。在不能扩大使用空间的情况下, 应考虑增设金属屏蔽网格, 并减小网格的网孔尺寸以降低雷击电磁脉冲强度; 在室内单独布线应用金属( 管) 槽屏蔽; 在不同防雷区的交接面处进行多处等电位联结; 在大楼的总电源进线柜, 层分配电箱分别安装60KA(8/20us ), 40KA(8/20us )的氧化锌电源避雷器; 计算机电源使用防雷专用插座; 对于监控、电话、视频、网卡、交换机设备应使用相对应接口型式的专用信号避雷器; 所有仪器设备的接地线应就近与大楼预留接地端子或端子板连接; 对于重要公共建筑,大楼整体接地电阻值应达到1Ω以下才符合强弱电共用接地
系统时防雷设计规范的电阻要求。通过完善屏蔽、接地、等电位措施, 使客运站主楼的防雷体系趋于完善, 综合防雷系统能够较好的起到直击雷和感应雷的防护作用。
6 结束语
本客运站公共项目已建成投入使用, 通过雷电风险评估和完善电子信息系统电磁脉冲防护措施, 建筑物和设备经过雷雨季节的考验, 均未出现雷击事故, 运行正常。防雷装置设置达到了预期的防护效果。
参考文献
[1]建筑物防雷设计规范GB50057- 94( 2000 版) .
[2]建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343- 2004.
[3]雷电监测资料在雷击损害风险评估中的应用, 易高流,《江西气象科 技》, No.4, 2004.
第二篇：雷电风险评估软件
成都信息工程学院
课程设计报告
电子工程学院
课程名称： 高级程序设计语言A
学生姓名： 周陈栋仁
学生学号： 2009024066
专业班级： 雷电防护科学与技术092班
任课教师： 林宏刚
20##年 03 月 08 日
目 录
1. 程序设计................................................................................................................... 1
2. 程序功能模块详细设计（源代码+程序说明）............................................................. 3
3. 程序功能演示和测试结果......................................................................................... 10
结论............................................................................................................................... 13
1. 程序设计
1.1程序设计目标
参照GB50343-2010《建筑物电子信息系统防雷技术规范》相关公式内容编写，主要用于建筑物电子信息系统雷电防护等级的计算。
1.2 程序运行环境
本软件在Visual C++ 6.0环境下运行
1.3 程序功能模块设计
一、 程序功能模块划分
1.系统功能模块框图
图1 系统功能模块框图
2.各功能的具体实现内容
菜单栏：
(1)文件：打开文件，浏览保存文本文档，方便查询历史信息；保存各项参数及结果于文本文档；退出程序
(2)规范：提供与程序相关的规范，进行参考
(3)帮助：程序的使用方法；程序编程说明；关于
主界面：
(1)参数输入：输入各项参数，并通过点击相应运算按钮进行计算
(2)结果输出：输出防雷装置拦截效率（E），并显示雷电防护等级
(3)信息提示：若参数输入缺少或错误在提示框内显示提示信息
(4)重置：输入的各项参数全部清楚，恢复到默认状态
二、 功能实现流程图
图2 系统主功能实现流程图
2. 程序功能模块详细设计（源代码+程序说明）
2.1客户端
三、 数据结构定义
1.结构体
struct NOne
{
double K; //校正系数 K
int Td; //年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定 (d/a)
double L; //建筑物的长 L
double W; //建筑物的宽 W
double H; //建筑物的高 H
double Ng; //建筑物所处地区雷击大地的年平均密度 Ng(次/km^2/a)
double Ae; //与建筑物截收相同雷击次数的等效面积 Ae(km^2)
double N1; //建筑物年预计雷击次数 N1(次/a)
}nOne;
struct NTwo
{
double ds; //埋地引人线线计算截收面积时的等效宽度。单位为m，其数值等于土壤电阻率 ，最大值取500
double L1; //低压架空电源电缆
double L2; //高压架空电源电缆（至现场变电所）
double L3; //低压埋地电源电缆
double L4; //高压埋地电源电缆（至现场变电所）
double L5; //架空信号线
double L6; //埋地信号线
double Ae1; //入户设施的有效截收面积 A'e(km^2)
double N2; //人户设施年预计雷击次数 N2(次/a)
}nTwo;
struct NC
{
double C1; //C1 为信息系统所在建筑物材料结构因子
double C2; //C2 为信息系统重要程度因子
double C3; //C3 为电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子
double C4; //C4 为电子信息系统设备所在雷电防护区(LPZ)的因子
double C5; //C5 为电子信息系统发生雷击事故的后果因子
double C6; //C6 为区域雷暴等级因子
double Nc; //建筑物电子信息系统设备，因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数最大年平均雷击次数 Nc(次/a)
}nCe;
struct LiPr
{
double N; //建筑物及人户设施年预计雷击次数(N)
double E; //防雷装置拦截效率
}lip;
2.字符量及全局变量
#define PI 3.1415926
TCHAR strTime[256]; //x年x月x日 x:x:x
3.函数定义
1) 调用的系统内部的函数
2) 自定义的函数
void ButtonN1(HWND hwnd); //IDC_OKN1 运算按钮
void ButtonN2(HWND hwnd); //IDC_OKN2 运算按钮
void ButtonNc(HWND hwnd); //IDC_OKNc 运算按钮
void ButtonLP(HWND hwnd); //IDC_OKLP 雷电防护等级按钮
void SetOption(HWND hwnd); //设置 下拉列表选项
void SetZero(HWND hwnd); //置0，默认
void OpenText(HWND hwnd); //打开
void SaveText(HWND hwnd); //保存
void SaveDate(HWND hwnd, TCHAR filename[MAX_PATH]);//保存数据
void CALLBACK MyTimerProc(HWND hwnd, UINT message, UINT iTimerID, DWORD dwTime); //日期时间显示
BOOL IsDigit(TCHAR* str); //判断输入是否合法
四、 算法设计
void Main_OnCommand(HWND hwnd, int id, HWND hwndCtl, UINT codeNotify)
{switch(id)
/************************ 文 件 ************************/
{case ID_MENUITEMOPEN: //打开
{OpenText(hwnd);}break;
case ID_MENUITEMSAVE: //保存
{if(nOne.N1==0 || nTwo.N2 == 0 || nCe.Nc==0 || lip.N== 0)
{MessageBox(hwnd, TEXT("参数不完整\r\n请继续输入\r\n谢谢合作"), TEXT("雷电风险评估"), MB_OK|MB_ICONQUESTION);
return;}
SaveText(hwnd);}break;
case ID_MENUITEMCLOSE: //退出
{if(IDYES==MessageBox(hwnd, TEXT("确定退出？"), TEXT("雷电风险评估"), MB_YESNO|MB_ICONQUESTION))
{EndDialog(hwnd, 0); }
}break;
/************************ 帮 助 ************************/
case ID_MENUITEMUSE: //使用说明
{ShellExecute(NULL,"open","软件使用说明.doc", NULL , NULL ,SW_SHOWNORMAL);
}break;
case ID_MENUITEMWRT: //编程说明
{ShellExecute(NULL,"open","软件编程说明.doc",NULL,NULL,SW_SHOWNORMAL);
}break;
case ID_MENUITEMABOUT: //关于
{HINSTANCE hInstance = (HINSTANCE)GetWindowLong(hwnd, GWL_HINSTANCE);
DialogBoxParam(hInstance,MAKEINTRESOURCE(IDD_ABOUTDLG),hwnd,AboutDlg_Proc,0);
}break;
/************************ 规 范 ************************ /
//新规范
case ID_GB34310: //GB50343-2010
{ShellExecute(NULL,"open","LPstandard\\GB50343-2010.pdf",NULL,NULL,SW_SHOWNORMAL);
}break;
case ID_GB5710: //GB50057-2010
{ShellExecute(NULL,"open","LPstandard\\GB50057-2010.pdf",NULL,NULL,SW_SHOWNORMAL);
}break;
//旧规范
case ID_GB34304://GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
{ShellExecute(NULL,"open","LPstandard\\GB50343-2004.pdf",NULL,NULL,SW_SHOWNORMAL);
}break;
case ID_GB5794: //GB50057-94(2000) {ShellExecute(NULL,"open","LPstandard\\GB50057-94(2000).pdf",NULL,NULL,SW_SHOWNORMAL);
}break;
/************************ 主界面 ************************/
case IDC_RS: //重置按钮
{if(IDYES==MessageBox(hwnd, TEXT("确定重置？"), TEXT("雷电风险评估"), MB_YESNO|MB_ICONQUESTION))
{SetDlgItemText(hwnd, IDC_EDITFN, TEXT("\t欢迎您使用本程序. "));
SetZero(hwnd); }
}break;
case IDC_OKN1: //N1 运算按钮
{ButtonN1(hwnd);
}break;
case IDC_OKN2: //N2 运算按钮
{if(nOne.Ng)
{ButtonN2(hwnd);
}else
{SetDlgItemText(hwnd, IDC_EDITFN, TEXT("请您输入\r\n\t年平均雷暴日Td(d/a)\r\n（根据当地气象台、站资料确定）"));
MessageBox(hwnd, TEXT("年平均雷暴日Td(d/a)\r\n并点击【运 算(N1)】"), TEXT("请输入"), MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);}
}break;
case IDC_OKNc: //Nc 运算按钮
{ButtonNc(hwnd);
}break;
case IDC_OKLP: //雷电防护等级按钮
{if(nOne.N1 == 0 || nTwo.N2 == 0 || nCe.Nc == 0)
{MessageBox(hwnd, TEXT("参数不完整\r\n请继续输入\r\n谢谢合作"), TEXT("雷电风险评估"), MB_OK|MB_ICONQUESTION);
}else
{ButtonLP(hwnd);}
}break;
default:
break; }
}
3. 程序功能演示和测试结果
一、 软件打开页面
二、主界面
要计算最终的雷电防护等级，主要分为三个部分的计算。
1.建筑物年预计雷击次数N1
其中校正系数k可通过下拉按钮，选择恰当的数字。
在一般情况下取1；
位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取 1.5；
金属屋面没有接地的砖木结构建筑物取 1.7；
位于山顶上或旷野的孤立建筑物取 2。
其他部分则通过键盘输入检测得到的正确数据，通过软件进行计算分析。
另，若需采用
Ng = 0.024 * Td^1.3
（GB50057-94(2000)《建筑物防雷设计规范》）
请勾选
2.入户设施年预计雷击次数N2
输入取值范围：
ds 埋地引入线缆计算截面积时的等效宽度
单位为m，其数值等于土壤电阻率的值，最大值取500。
L是线路从所考虑建筑物至网络的第一个分支点或相邻建筑物的长度
单位为m， 最大值为1000m，当L未知时，应采用L=1OOO
3.可接受年平均最大雷击次数Nc
其中各类因子可通过下拉按钮，选择恰当的数字。
（1）C1信息系统所在建筑物材料结构因子：
当建筑物屋顶和主体结构均为金属材料时，C1 取0.5；
结论
利用VC编写的“雷电防护等级计算软件”可以灵活修改，界面简洁。方便防雷工程实践过程的使用。省去了繁复的计算过程，防雷工程人员只需将资料中的变量输入，即可确定防雷等级。