试论城市汽车加油站的雷害风险评估

　　内容摘要：为了能更可靠、安全、准确、完善地设计城市汽车加油站防雷方案，我们需要对其进行先期的雷害风险评估。
　　关键词：汽车加油站、雷害风险评估
　　一、 概述
　　汽车加油站由于其危险性，其防雷要求较为严格。特别是位于城市中的汽车加油站，由于其位置周边建筑物、人流密集，防雷要求更高。
　　二、 汽车加油站雷害评估方法简介
　　1、 总的表达式（见IEC1662）
　　对每一建筑物雷害风险评估可用下式表示R=(1-e-Npt)δ(1-1)
　　式中：N—建筑物年平均雷击次数期望值P—建筑物雷害概率δ—建筑物或其内贮物可能遭受的损失
　　如观察时间t=1年，当Np﹤﹤1则（1－1）式可简化为R≈Npδ其中：建筑物年平均雷击频数F=Np，因此害风险评估（1－1）式可化为R≈Fδ。同理，如可允许雷害风险表示为Ra≈Faδ，式中：Ra—可允许雷害风险Fa—可允许年平均雷击频数；由此可见，只要δ不变，则仅仅比较F与Fa，便可取得防雷措施决策的判据，即当F≤Fa时，不必采取防雷措施；当F＞Fa时，必须加设防雷措施。
　　如进一步将雷害性质细分为各种类型，则可深入分析研究各种类型雷害的不同频数，采取各种不同对策，以达到更佳的防雷效果。
　　2、 汽车加油站雷害类型及F的计算
　　一般按需要可将雷害类型及其风险允许值列出如下表：
　　表1－1
　　类型 说明 Ra
　　1 人员伤亡 10-6
　　2 火灾、爆炸及机械、化学效应造成损失 10-3
　　3 与进出建筑物线路有关的电气设备损坏 10-2
　　4 贵重财物损失 —
　　5 非贵重财物损失 —
　　
　　在F计算之前，必须确定N及P的值。为了方便今后分析，把雷击性质分为直击雷与间接雷两类：
　　（a） 直击雷年平均雷击次数期望值Nd可按下式计算：
　　Nd＝NgAe10-6次/km2，式中：Ng—当地地面遭受雷击年密度（次/km2.年）；Ae—建筑物的有效集雷面积（m2）
　　注：①Ng按当地的统计资料，如缺时可按下式计算：
　　Ng＝0.024Td1.3，式中Td－当地年雷电日（可查阅国家颁布的全国年平均雷电日数分布图）；②Ae的计算方法可参考IEC1024-1-1或有关方面文献。
　　（b） 建筑物间接雷击又可以分为两种情况：建筑物附近地面年平均雷击次数Nn和进入建筑物各种线路的年平均雷击次数Nk。近地面年平均雷击次数Nn可按下式计算：Nn＝NgAg式中：Adsg—附近地面集雷面积（km2）
　　建筑物附近遭受雷害的边界可按距离建筑物本身的距离ds计算。ds的公尺数等于附近地面土壤电阻率（Ω.M）的数字，最大值为500m。在ds范围内的地面遭到雷击时会引起地电位升高，对建筑物通过各种进入线路危害电气设备。从距建筑物ds作为边界围成的面积Adsg减去建筑物的有效集雷面积Ae的差就是Ag。
　　进入建筑物各种线路的年平均雷击次数Nk可按下式计算：
　　Nk＝NgAk，式中：Ak—影响各种进线设施的有效集雷面积，它包括：Ak＝Ask+Aak；
　　式中Ask—各种进线（电力线、通信线或信号线等）的有效集雷面积;*
　　Aak—通过各种线路与本建筑物连接的附近建筑物的有效集雷面积。*
　　3、 汽车加油站概率P的确定
　　按照雷害类型分述如下：人员伤亡率：Ph=Ph’.Kh；式中Kh—与防雷设施有关的缩减系数；
　　（a） Ph’—无防雷设施时，由直击雷引起的接触电压和跨步电压雷害概率。
　　人员伤亡主要由直击雷引起的接触电压和跨步电压造成的雷害。Ph’与建筑物外边土地表面的性质及土壤电阻有关，而Kh则与防雷设施有关。它们的确定参考附录附表1－3。
　　（b） 火灾、爆炸及机械、化学效应的雷害可以由直击雷引起也可以由间接雷引起，概率包含以下分量：
　　Pt—引发导致火灾、爆炸的危险火花的概率；
　　P1—金属装置上产生危险火花的概率；
　　P2—室内电气设备上产生危险火花的概率；
　　P3—与进线有关的各种设施上产生危险火花的概率；
　　P4—进入建筑物前各导电部件上产生危险火花的概率。
　　其中P1、P2及P4只与直击雷有关，而P3则还与感应雷有关。因此引起火灾、爆炸及机械、化学效应的雷害概率：Pf=Pfd＋Pfi，其中由直击雷产生的雷害概率分量：Pfd=1－[(1-PtP1)(1-PtP2)(1-PtP3)(1-PtP4)]≈Pt(P1+P2+P3+P4)；由间接雷产生的火灾等雷害概率：Pfi=PtP3(1-14)；以上各种不同P的分量取值分述如下：Pt=Kt.Pt’；P1=K1.P1’；P2=K2.P2’；P3=K3.P3’；P4=K4.P4’；
　　其中Pt、Kt可参照附录中附表1－4取值，P1’＝P2’与建筑物的结构特性有关，可参考附录中附表1－5，缩减系数K1、K1与减少产生危险火花的防范措施有关；
　　P3’＝P4’＝1。至于K3、K4则与它们各自的防范措施有关，。
　　（c） 由于雷击产生过电压的雷害概率
　　过电压即可由直击雷产生也可以由间接雷产生，因此它包含两个分量：
　　Po=Pod＋Poi，其中直击雷分量：Pod=1-(1-P2)(1-P3)≈P2+P3，间接雷分量：Poi=P3
　　4、 汽车加油站雷害频数的分类及其计算
　　显然，建筑物年雷害频数也可以按前面所述分为直击雷和间接雷两个分量：
　　F=Fd＋Fi；也可以按雷害性质分为人身、火灾、过电压等分量：
　　F=Fh＋Ff＋Fd；其中：Fh＝NdPh=H；
　　m
　　Ff＝NdPfd+NnPtP3+Pt∑NkP3k=A+B+C
　　K=1
　　m
　　FO＝Nd(P2+P3)+NnP3+Pt∑NkP3k=D+J+G
　　K=1
　　以上三式中：H—人员雷害的频数分量；A—直击雷产生火灾等雷害的频数分量；B—附近雷击产生火灾等雷害的频数分量；C—雷击影响本建筑物m条进线而发生火灾等雷害的频数分量；D—直击雷引发过电压雷害的频数分量；J—附近雷击引发过电压雷害的频数分量；C—雷击影响本建筑物m条进线而发生过电压等雷害的频数分量。如建筑物或其中设施与雷电流有直接耦合时则还要考虑B’和J’。
　　三、 以下以佛山季华加油站作为应用实例加以论述说明：
　　（一）季华加油站设施雷害风险评估
　　本项目的工程设施主要指储、供油及售油系统。与其有关的重要建筑物和设施有售油亭、站房及贮罐和电力系统，因此评估对象主要以售油亭、站房及贮罐和电力系统为主。该工程位于佛山城区，周边建筑物、人流密集。
　　1、 各种直击雷的年平均雷击次数的计算
　　根据统计资料，按（1－7）式计算，佛山地区Td＝80～100（查全国年平均雷数分布图），取Td＝100，
　　Ng＝0.024Td1.3＝0.024X1001.3≈9.55次/Km2.年
　　图1－1季华加油站环境图
　　（a） Nd
　　售油亭及站房尺寸：h=7,a=22,b=33；由于建筑物本身高7米，左、右、后三面都是高层建筑物（10层或以上），前面是公路；它们遮盖着本建筑物的集雷面积。为简化计算，可把Ae看成一座有扩展宽度D=√（H（200-H））的22X33的矩型建筑物，其值为：
　　Ae=[LW+2（L+W）D+∏D2].10-6=9.026X10-3Km2，因此：Nd=Ng.Ae=9.55X9.026X10-3=8.6X10-2(次/a)
　　(b)Nn
　　考虑大楼附近地面为砂砾土壤，取土壤电阻Rc=100～150Ω/m，则ds=100～150,相应地得
　　Ag=Adsg-Ae=3.41X10-2～Km2，因此：Nn=Ng.Ag=3.26X10-1(次/a)
　　(c)Nk
　　本建筑物进出线路情况及集雷面积计算结果如下表所列：
　　表1－2电力线路的有效集雷面积
　　序号 路由 线路情况 根X长（m） 防雷前Ask 防雷后Ask
　　1 一级电站 三相四线 1X800 2000X800＝16X105 2X100X800=16X104
　　2 去装卸点 三相四线 1X50 2000X50＝1X105 2X100X50=1X104
　　3 ∑Ask＝ 17X105 1.7X105
　　表1－3电力线路的有效集雷面积
　　序号 路由 线路情况 根x长（m） 防雷前Ask 防雷后Ask
　　1 进站摄像枪 电缆 1X100 1X2000X100＝2X105 2X100X100＝0.2X105
　　  同轴电缆 1X100 1X2000X100＝2X105 2X100X100＝0.2X105
　　2 出站摄像枪 电缆 1X100 1X2000X100＝2X105 2X100X100＝0.2X105
　　  同轴电缆 1X100 1X2000X100＝2X105 2X100X100＝0.2X105
　　3 油亭摄像枪 电缆 1X100 1X2000X100＝2X105 2X100X100＝0.2X105
　　  同轴电缆 1X100 1X2000X100＝2X105 2X100X100＝0.2X105
　　4 ∑Ask＝ 12X105 1.2X105
　　本建筑物进出电力线为380－220V低压架空三相四线，后穿铁管埋地。电话线另成一个系统，暂不考虑。
　　由于附近建筑物的线路除电话网外与本建筑物无关，故Aak=0。因此得∑Ak及∑Nk的计算结果如下表：
　　表1－4
　　序号 防雷前 防雷后
　　1 ∑Ak=(17+12)X105=2.9X106 ∑Ak=(1.7+1.2)X105=0.29X106
　　2 ∑Nk=NgAk=9.55X2.9X106X10-6=27.69 ∑Nk=NgAk=9.55X0.29X106X10-6=2.77
　　
　　2、 概率P的确定
　　(a)Ph：取Rc=100，Ph’＝10－4，无防雷时Kh＝1，得：Ph＝1X10－
　　
　　(b)Pf：建筑物及其室内贮物取“可燃”，Pt’＝10－1,防护措施为小型灭火装置，Kt＝0.9，得：Pt＝10－1X0.9＝9X10－2
　　建筑物为钢构架及钢筋混凝土结构，P1’＝P2’＝0.5，无防雷系统时，K1＝K2＝1,加设屏蔽后，屏蔽网截面积S>>10m2时，K1＝K2＝10－3，因此得：防雷前P1＝P2＝1X0.5＝0.5，防雷后P1＝P2＝10－3X0.5＝5X10－4
　　又P3’＝P4’＝1，K3＝K4＝1，故防雷前P3＝P4＝1。
　　加装浪涌吸收器后，K3＝K4＝10－3，得P3＝P4＝10－3
　　由此可得防雷前Pfd=9X10－2（0.5＋0.5＋1＋1）＝27X10－2
　　防雷后Pfd=9X10－2（5X10－4＋5X10－4＋1＋1）＝9.018X10－5
　　(c)Po：直击雷防雷前Pod=0.5＋1＝1.5，防雷后Pod=0.5＋10－3＝0.501，间接雷防雷前Poi=1，由于采用了浪涌吸收器，防雷前Poi=1X10－3
　　雷害频数F的计算，如下表：
　　表1－5
　　序号 类型 防雷前 防雷后
　　1 人身伤亡 Fh＝NdPh=8.6X10-2X10-4=8.6X10-6
　　H≈8.6X10-6 极小
　　2 火灾等 Ff＝NdPfd+NnPtP3+Pt∑NkP3k＝8.6X10-2X27X10－2+3.26X10-1X9X10-2X1＋9X10-2X27.69X1≈254.25X10-2
　　A≈2.32X10-2,B≈2.93X10-2,C≈2.49 Ff＝NdPfd+NnPtP3+Pt∑NkP3k＝8.6X10-2X9.018X10－5+3.26X10-1X9X10-2X10-3＋9X10-2X2.77X10-3≈3.56X10-5
　　A≈7.76X10-6,B≈2.93X10-6,C≈2.49X10-5
　　3 过电压 FO＝Nd(P2+P3)+NnP3+∑NkP3k＝8.6X10-2(0.5+1)+3.26X10-1X1+27.69X1≈28.15
　　D≈1.29X10-1,J≈3.26X10-1,G≈27.69 FO＝Nd(P2+P3)+NnP3+∑NkP3k＝8.6X10-2(0.5X10-3+10-3)+3.26X10-1X10-3+2.77X10-3≈4.83X10-4
　　D≈1.29X10-4,J≈3.26X10-4,G≈0.28X10-4
　　3、 装设防雷设施前后的比较
　　表1－6
　　序号 类型 δ的值 Ra Fa 防雷前F 防雷后F
　　1 人身伤亡 1 10－6 10－6 Fh＝8.6X10-6 极小
　　2 火灾等 1 10－3 10－3 Ff＝2.54 Ff＝3.56X10-5
　　3 过电压 1 10－3 10－3 FO＝28.15 FO＝4.83X10-4
　　（二）、季华加油站雷害风险评估结论：
　　（1）因为当地缺乏统计资料，暂时假定δ的值为1，此时Fa＝Ra；把F与Fa比较即可。从表1－6中可以看到人身伤亡雷害的Fh（8.6X10-6）>Fa（10-6），应加装防雷设施。而火灾等雷害的Ff在采取防雷措施前Ff（2.54）>>Fa（10-3），在采取防雷措施后Ff（3.56X10-5）<<Fa（10-3），以策安全。至于过电压雷害方面。在防雷前Fo（28.15）>>Fa（10-3），可见危险性极大，加装了四级避雷器后，使Fo（4.83X10-4））<Fa（10-3），大大降低其风险，以保自动控制、检测、报警系统的安全。
　　（2）加油站内的设施及内贮物包括有易燃易爆的燃油及其相关设备（售油机、输油管道、贮罐等），并且三边是高密度大厦、繁忙的交通主干道，位于城市中心，如果一旦发生事故，后果严重；虽然建筑物本身在防火、防震等各方面都采取各种足够的防护措施，为了保证安全，所以将季华加油站定为二类防雷建（构）筑物。
　　（三）、季华加油站雷害防护措施及设计施工方案：根据季华加油站的实际情况，建议防雷措施应有以下几个方面：
　　① 防直击雷及接地系统。A、使用针带结合接闪为宜。在售油亭的钢构架的四个明角安装避雷短针；在售油亭的钢构架顶按滚球法敷设3×3的避雷网。B、利用基础桩台、地梁焊接成自然基础接地网（若无地梁则要做人工接地网，也可同时做），利用主柱筋作引下线与钢构架焊接连通。
　　② 设备（售油机、输油管道、贮罐等）防静电接地系统。A、售油机的机架、油枪均应接地；B、输油管之间每5米等电位跨接一次；C、贮罐罐池要做屏蔽处理及良好接地，罐池筛底应焊接成屏蔽网，整个屏蔽网内与贮罐连接，外与人工地网连接。③电源及设备信号线防感应雷措施。④各接地系统应尽量共用。