謝亞雄，劉 暢，余海蓉，陳小塵，吳 容，魏 慶

（四川省防雷中心，四川 成都 610031）

四川省受青藏高原東側(cè)陡峭復雜的地形影響，中小尺度天氣系統(tǒng)十分活躍，為全國雷電高發(fā)區(qū)之一。機場導航臺作為空中交通指揮管理系統(tǒng)的重要組成部分，對保障航空安全起到了不容忽視的作用。近年來，因雷擊造成導航臺站通信系統(tǒng)受損事件時有發(fā)生，嚴重影響機場通導設備正常工作，直接危害飛機飛行安全。目前國內(nèi)的雷擊風險研究多見于民用建筑、商業(yè)建筑、易燃易爆場所或軌道交通、供配電線路等基建項目[1-6]，而民用航空行業(yè)內(nèi)的雷擊風險研究實例極少見到，與之相關的研究多以防雷工程設計與防雷檢測技術為主[7-8]。

文章旨在應用雷擊風險分析模型及相關評估標準，對導航臺站的雷擊風險特性進行研究，根據(jù)計算得出的雷擊風險因子值提出針對性的科學防護建議，提高雷擊及伴隨氣象災害的綜合防御能力，具有一定的實用價值和創(chuàng)新意義。

1 雷電災害風險相關參數(shù)計算

1.1 導航臺站所在地的雷擊大地年平均密度

結(jié)合近5年（2016—2020年）四川省各導航臺所在地的雷電日數(shù)、雷電次數(shù)及近年來導航臺站雷擊災害案例，本次研究擬選取具有典型雷擊風險分析意義的XY導航臺作為研究對象。根據(jù)5年的閃電定位監(jiān)測資料統(tǒng)計分析，以XY導航臺所在地為中心，在3 km半徑范圍內(nèi)，2016年1月—2020年12月共監(jiān)測到閃電341次。閃電資料數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 導航臺所在地3 km半徑范圍內(nèi)閃電監(jiān)測資料

由表1的閃電數(shù)據(jù)可計算得出XY導航臺所在地3 k m半徑范圍內(nèi)的雷擊大地年平均密度Ng=2.413次/km2。

1.2 臺站設備機房可接受的最大年平均雷擊次數(shù)和年預計雷擊次數(shù)

1．2．1 設備機房可接受的最大年平均雷擊次數(shù)的計算

設備機房是導航臺站實現(xiàn)通訊、對接及調(diào)控功能的核心組成部分。設備機房內(nèi)部的電子信息設備可能因直擊雷和雷電電磁脈沖的影響而造成損壞，其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)NC計算公式如下[9]：

式（1）中，C為各類因子之和，具體描述及取值見文獻[9]中附錄A。經(jīng)計算可得NC=0.053次。

1．2．2 設備機房年預計雷擊次數(shù)的計算

設備機房年預計雷擊次數(shù)N1計算公式如下[10]：

式（2）中：K為校正系數(shù)，無量綱；Ng為設備機房所處地區(qū)雷擊大地密度，次/（km2·年）；Ae為設備機房截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。

利用已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得N1=0.400次。

設備機房入戶設施年預計雷擊次數(shù)N2計算公式如下[9]：

式（3）中：Ae1′為雷擊設備機房入戶電源線纜的截收面積，km2；Ae′2為雷擊設備機房入戶通信線纜的截收面積，km2。

則設備機房及其入戶設施年預計雷擊次數(shù)N按N=N1+N2確定。利用已知數(shù)據(jù)，計算可得N2=0.068，N=0.468。由計算結(jié)果可知，如果設備機房每年遭受超過0.053次雷擊，在其內(nèi)的設備可能會出現(xiàn)損壞。而經(jīng)計算得到的設備機房的年預計雷擊次數(shù)為0.468次，因此設備機房年預計雷擊次數(shù)已遠超其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)，需對導航臺站的雷擊風險特性進行評估分析，以采取合適的雷電防護措施。

2 雷擊風險因子的確定與分析

2.1 導航臺站區(qū)域雷擊危險事件分析

當導航臺站遭受雷擊時，其本身及附近區(qū)域可能會產(chǎn)生的風險情況如下：①導航臺站人員因接觸和跨步電壓引起的傷亡事件，與此相關的雷擊風險分量以RA進行表征；②導航臺站建筑物結(jié)構(gòu)的物理損壞，與此相關的雷擊風險分量以RB進行表征；③導航臺站內(nèi)部電氣系統(tǒng)和電子設備的失效，與此相關的雷擊風險分量以RC進行表征；④導航臺站附近區(qū)域電氣系統(tǒng)和電子設備的失效，與此相關的雷擊風險分量以RM進行表征；⑤導航臺站內(nèi)部人員因接觸電壓產(chǎn)生的危險，與此相關的雷擊風險分量以RU進行表征；⑥導航臺站外部裝置和一般電纜線路入口地點的金屬部件間可能會引起電火花，由此可能導致燃燒起火，與此相關的雷擊風險分量以RV進行表征；⑦導航臺站的入戶線路上可能會感應產(chǎn)生過電壓，傳輸?shù)脚_站內(nèi)可能會造成內(nèi)部設備失效，與此相關的雷擊風險分量以RW進行表征；⑧導航臺站入戶線路附近有可能產(chǎn)生線路上的感應過電壓，傳輸?shù)脚_站內(nèi)可能會造成內(nèi)部設備失效，與此相關的雷擊風險分量以RZ進行表征。

表2 損害概率P值的選取

2.2 雷擊風險因子的獲取

對于導航臺站而言，雷電閃擊造成的人身傷亡損失的風險R由R=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ確定[9]。結(jié)合以上分析，對于該區(qū)域而言，RA、RB、RU、RV與L1型損失（生命損失）直接相關，RC、RM、RW和RZ風險分量對于人身傷亡損失可不考慮，則R=RA+RB+RU+RV。

在計算每一種風險分量時，需要先行獲取損害概率P值及風險分量相關計算參數(shù)，由此進一步計算得到人身傷亡損失的風險R1值，計算公式及結(jié)果如表2—表4所示。

表3 其他相關風險分量計算參數(shù)

表3（續(xù)）

表4 人身傷亡損失各風險分量計算

由表4數(shù)據(jù)可得，導航臺人身傷亡損失風險值R=3.77×10-5，而人身傷亡損失風險容許值RT=10-5（如表5所示）。因此，R＞RT，人身傷亡損失風險值大于文獻[11]中規(guī)定的風險容許值，不滿足規(guī)范要求。故建筑物必須增加適當?shù)睦纂姺雷o措施，以降低雷擊造成的人員生命損失風險，使其符合規(guī)范要求。

表5 可承受風險的典型值[11]

經(jīng)分析可得，雷擊造成人員生命損失的風險值主要來自于RB（在建筑內(nèi)由危險火花所引發(fā)的火災或爆炸所導致的實體損害風險）。為了把風險降低到容許值以下，建議可以采取以下保護措施：①導航臺內(nèi)建筑物采用金屬屋面作為明設接閃器；②導航臺站內(nèi)建筑物安裝明設接閃器（可能包含有其他自然結(jié)構(gòu)部件），使所有屋面設備得到完全的直擊雷防護，并采用連續(xù)金屬框架或鋼筋混凝土框架用作自然引下線。

采取以上保護措施后，建筑物PB（LPS特性）由0.05降至0.001，建筑物由雷擊造成的人員生命損失風險R相應降低為0.294×10-5，該值小于RT（1×10-5），能夠滿足規(guī)范的要求。

3 設備機房的雷電防護等級

設備機房的雷電防護等級按防雷裝置攔截效率E確定，其防護等級劃分應參照表6中的規(guī)定[9]。

表6 電子信息系統(tǒng)防護等級

由1.2小節(jié)中計算出的設備機房的年預計雷擊次數(shù)和可接受的最大年平均雷擊次數(shù)分別為N=0.468次和NC=0.053次，經(jīng)計算得E=0.89，則根據(jù)表6中的規(guī)定，計算所得的設備機房的雷電防護等級可確定為C等級，其內(nèi)部的電子信息系統(tǒng)應采取相應等級的防雷電電磁脈沖等防護措施，以降低雷擊風險損失。

根據(jù)文獻[9]中表4.3.1的規(guī)定，導航臺站內(nèi)設備機房的雷電防護級別為A等級。設備機房電子信息系統(tǒng)的雷電防護級別越高，所采取的雷電防護措施更嚴密，則花費更大。顯然，在使設備機房達到應有的雷電防護效果前提下，采取C等級下的雷電防護措施相比A等級更節(jié)省成本。

4 結(jié)論

利用相關數(shù)據(jù)及計算公式，得到導航臺站設備機房可接受的最大年平均雷擊次數(shù)NC=0.053次和年預計雷擊次數(shù)N=0.468次，設備機房年預計雷擊次數(shù)已遠超其可接受的最大年平均雷擊次數(shù)，存在較大的雷擊受損風險。

結(jié)合導航臺站相關數(shù)據(jù)及雷擊風險計算模型，計算得到導航臺站人身傷亡損失風險R1=3.77×10-5，該值大于規(guī)范中規(guī)定的風險容許值，建議可以采取以下保護措施：①導航臺內(nèi)建筑物采用金屬屋面作為明設接閃器；②導航臺站內(nèi)建筑物安裝明設接閃器（可能包含有其他自然結(jié)構(gòu)部件），使所有屋面設備得到完全的直擊雷防護，并采用連續(xù)金屬框架或鋼筋混凝土框架用作自然引下線。采取此保護措施后，R1降低為0.294×10-5，該值小于RT（1×10-5），能夠滿足規(guī)范的要求。

從設備機房的雷電防護等級劃分入手，在達到應有的雷擊防護效果的前提下，建議采取C級別的雷電防護措施，以達到節(jié)省成本、合理配置資源的目的。