五峰區域雷電活動對防雷工程設計影響的研究

鄭明發+何順武+冷鵬飛+賀姍

摘要：本文以五峰煙草公司防雷工程整改項目為依托，提供了一個完整的防雷工程設計方案，探討了項目所在地的氣候特征以及直擊雷防護、雷電感應防護設計的思路、依據和工程實踐的具體方案。工程項目所在地的雷電活動特征分析是設計方案特色所在。對于區域雷暴和地閃活動規律的討論，優化、充實了設計方案的內容，也有利于增強項目各方防雷安全意識。

關鍵詞：防雷工程設計；氣候特征分析；雷電活動；防雷安全

中圖分類號：TU895 文獻標志碼：A

引言：《中華人民共和國氣象法》（主席令第23號）第三十一條明確提出“對可能遭受雷擊的建筑、構筑物和其他設施安裝的雷電災害防護裝置應當符合國務院氣象主管機構規定的使用要求。”，《湖北省雷電災害防御條例》第九條明確提出“建筑物防雷設計規范規定的一、二、三類防雷建（構）筑物、場所或者設施必須安裝符合技術規范要求的防雷裝置”。在《氣象法》和地方相關法規的指導下，防雷事業得到迅速發展。但防雷工程設計研究的現狀，基本上處于探索階段。一個完善的防雷工程設計是建立在不同學科的基礎上的，需要對涉及的知識進行全面的了解。才能設計合理的、經濟的、可靠的設計方案。

對于防雷工程設計研究，國內學者做過研究并取得了較好的結果?？锉举R[2]分析了核電廠選址的基本要求和防雷之間的關系，重點從直擊雷防護、地網建設、弱電設備雷電防護三方面對核電站前期建設工程項目中防雷系統建設進行了探討，并評估了綜合防雷的效果。唐慧強[3]等人提出了信息化實驗室內部防雷主要從屏蔽、等電位和SPD三部分進行設計。這些工作多以設計方案工程實踐為重點，對工程項目所在地的氣候特征尤其是雷暴氣候特征、地閃特征對防雷工程設計影響的分析還比較少見。本文以五峰煙草公司防雷工程整改項目為依托，利用1960-2012年五峰縣雷暴資料和2008.1-2012.12年地閃資料分析項目所在地的氣候特征背景，探討雷電活動對防雷工程設計方案的影響，最終給出了優化的防雷工程設計方案。

1.雷電災害概述

1.1雷電形成機制

雷暴云通過感應起電、非感應起電、對流起電等多種起電過程形成了正負電荷區相間分布的荷電結構。雷暴云帶電后，其電荷集中在幾個帶電中心，它們的電荷數不完全相等。當某一點的電荷密度較大，在其附近的電場強度達到足以使空氣擊穿的電場強度值時，空氣便開始游離，使這一部分由原來的絕緣狀態變成導電性的通道。這個通道的形成稱為先導放電。先導放電是不連續的，雷暴云對地放電的第一先導是分級發展的，每—級先導發展的速度相當高，但每發展到一定長度就有—個10～100μs的間隔。當先導距地面一定高度時，地面高聳物體上出現感應電荷，使局部電場強度增強，先導通道的發展將沿其頭部至感應電荷集中點之間發展，先導通道的頭部與帶異號電荷的集中點間距離很小時，先導通道端與地面形成很大的電位梯度，將導致云霧大氣擊穿放電，形成流光。并且先導與大地間形成的強電場將導致從地面發展向上與先導異號的流光（即回擊）與先導會合，從而形成先導通道與大地相連接，也就是形成了閃電中的地閃。雷電（雷暴閃電的俗稱）是發生在大氣中的聲、光、電物理現象，它引起的災害是世界上十大自然災害之一。

1.2雷電危害

雷電是自然界中強大的脈沖放電過程，雷電對地面建筑物或設備造成災害是多渠道的，一般說來，可以把雷電放電對地面建筑物或設備可能產生的危害形式劃分為下列三類：

1.2.1直擊雷。在雷暴活動區域內，雷云直接通過人體、建筑物或設備等對地放電產生的電擊，雷電流的高溫熱效應將灼傷人體，引起建筑物燃燒，使設備部件融化。在雷電流流過的通道上，物體水分受熱汽化而劇烈膨脹，產生強大的沖擊性機械力。該機械力可以達到5000～6000牛頓，可使人體組織、建筑物結構、設備部件等斷裂破碎，從而導致人員傷亡、建筑物破壞，以及設備毀壞等。

1.2.2閃電感應。（1）靜電感應：當雷云來臨時，雷云底部分布著大量的同種類電荷，地表面和各種物體上，尤其是導體上將感應出大量與雷云底部電荷符號相反的電荷。在雷云對地面或另一雷云放電后，云中電荷被中和。此時地面物體，尤其是導體上未被中和的電荷卻產生了很高的電壓，它必然放電。這種放電電流也是一個很大的脈沖電流，其電擊效果雖然比直擊雷小一些，但是若竄入用電設施也會造成設備損壞或人員傷亡事故。（2）電磁感應：閃電電流在閃電通道周圍的空間產生磁場，這種磁場將隨著時間的變化而變化，并在附近的各類金屬導體上激發出感應電動勢或感生電流。在閃電電流入地過程中，變化的磁場在附近的金屬導體上產生感應電動勢或感生電流，也會造成電氣設備遭到電擊而損毀。

1.2.3閃電電涌侵入。當建筑物或設備并不處于雷暴活動區域內，或者雖然在雷暴活動區域內，建筑物或設備已受到防直擊雷的避雷裝置的保護與屏障，有時仍會遭到雷害。當雷電流流經電子設備流入大地時，電子設備會被損壞或損毀。其原因可能就是在進線、出線或有關的金屬管道上未采用防止閃電電涌侵入措施。

綜上所述，雷電對建筑物的破壞作用主要有以下幾種：一是直接擊在建筑物上，由于高溫而引起建筑物燃燒。在雷電流通道上，物體水分受熱汽化膨脹，產生強大的機械力而使建筑物結構遭受到破壞。二是由于雷電流變化梯度大而產生強大的交變磁場，使得周圍的金屬構件產生感應電流，，從而構成火災危險。三是雷電襲擊到架空輸電線路或金屬管道上時，高壓電流沿架空線路或金屬管道侵^室內，造成人身傷亡或設備損壞。

2.五峰氣候特征分析

2.1地理特征

2.1.1地理位置。五峰煙草公司位于湖北省西南部，北緯30°1920′，東經110°6770′。海拔高度557.2米。樓高50米，共十三層樓，一到六樓為辦公場所，七至十二樓為職工住宿；其中北側樓亦為職工住宿，南側靠近人員密集的菜市場。

2.1.2地質、地貌。五峰全境皆為山區，屬武陵山支脈，系云貴高原東延部分的尾部地帶，系喀斯特地貌，溶洞伏流遍布全境，地勢由西向東逐漸傾斜，山巒起伏重迭，深谷高嶺相間，縣行政區域全部為沉積巖，其中碳酸鹽巖分布極廣。五峰煙草公司所處場地單元為丘陵。地勢相對較低，西側為天池河。所處場地地表土質以粘土為主。

2.2氣候特征

2.2.1五峰縣氣候特征。五峰縣地處長江中游，氣候溫和濕潤，雨量充沛，四季分明，季風明顯，屬于亞熱帶季風氣候。多年平均氣溫14.8℃，最冷月（1月）平均氣溫2.3℃，最熱月（7月）平均氣溫24.2（2；極端最高氣溫為39.2℃（1995年9月6日），極端最低氣溫為-15.0℃（1977年1月30日）。多年平均降雨量1371.6mm²。

2.3雷電環境

目前地球上平均每秒就會發生100次左右的閃電，其放電電流可高達數十千安培，甚至數百千安培，放電瞬間，巨大的雷電流可產生極大的破壞力和很強的電磁干擾。雷電造成的人員傷亡，財產損失觸目驚心。隨著現代社會科技的不斷發展，各類微電子設備和信息系統廣泛應用到化工企業自動控制、消防、安防、計算機網絡等系統，這些設備及信息系統大幅度地提高了自動化程度，但微電子元器件的耐過壓、過流能力也相對較弱，對雷電干擾的防護能力較低，致使雷電災害在逐年得到控制的情況下，社會經濟損失卻呈現逐年增大的趨勢。

2.3.1五峰縣雷暴氣候特征。五峰煙草公司位于為五峰鎮內，因此采用五峰氣象站觀測數據。據五峰氣象站提供的1960—2012年統計的氣象資料，繪得五峰年雷暴日變化規律直方圖（如圖2.3）和1960—2012年五峰縣雷暴日數月平均變化直方圖（如圖2.4）。經分析，（1）五峰縣的年平均雷暴日為4.3.8天，年雷暴日呈逐年下降趨勢，月雷暴日數呈雙峰型特性，主要活動期為4月和7-8月。（2）雷暴的發生主要集中在3—9月份，80%以上的閃電都發生在這段期間。（3）五峰縣出現最早的雷暴是在1月1日，最遲的是在12月21日。（4）雷暴日數最多的是1961年高達63天，在防雷規范上定義為多雷區。五峰縣北面的長陽土家族自治縣年平均雷暴日數為43.0d，東面的宜都市年平均雷暴日數為38.9d。

2.3.2五峰縣地閃特征分析。閃電監測資料來源于湖北省雷電監測預警公共服務系統，選擇五峰煙草公司所處北緯30°1920′，東經110°6770′半徑2km范圍為局地數據提取區域，資料統計時段為2008年1月～2012年12月。據此資料得出五峰縣雷電正負閃分布圖（如圖2.3）、湖北省雷電監測預警公共服務系統查詢的雷電監測資料圖（如圖2.4）和正負閃發生的時間和雷電流強度圖（圖2.5）。據圖2.3可知（1）項目所在地每年的雷電活動分別為正地閃和負地閃；（2）正負閃分部不均勻，負地閃多于正地閃，從圖2.4可知正地閃為6次，而負地閃則高達70次。由圖2.4數據可知（1）2008—2012年間最大正地閃雷電流強度最大值為201.1KA。最大負地閃雷電流強度為97.7KA；（2）正地閃平均雷電流強度高于負地閃雷電流強度。根據圖2.5分析可得（1）正負閃雷電流幅值平均強度為34.97kA，亦看出以負地閃居多；（2）負地閃雷電流強度出現在25.0KA左右比較多。

3.防雷工程方案設計

3.1防雷工程設計思路

雷電防護設計是一項系統工程，具體地說，雷電防護工作的第一步就是首先應確認雷電災害侵入建筑物的各種途徑，在這個基礎上，依據系統雷電防護的科學理論和我們豐富的防雷設計安裝經驗，采取相應的防護措施，進行有針對性的防護，從而達到在閃電入侵時能夠保障系統安全運行的目的。根據相關規定并結合現場勘測所得到的資料以及精確的雷電監測資料，對防雷設計方案提供準確的數據及方法。防雷工程設計的成功在于對當地的雷電活動有充分的了解。本次方案主要針對五峰煙草公司進行直擊雷防護、閃電感應、閃電電涌入侵防護設計。

3.2防雷工程設計依據

（1）《中華人民共和國氣象法》（主席令第23號）

（2）《國務院對確需保留的行政審批項目設定行政許可的決定》（國務院第412號令）

（3）《防雷減災管理辦法》（中國氣象局第20號令）

（4）《防雷工程專業資質管理辦法》（中國氣象局第22號令）

（5）《防雷裝置設計審核和竣工驗收規定》（中國氣象局第21號令）

（6）《湖北省氣象災害防御條例》

（7）《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010

（8）《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GBS0343-2012

（9）《建筑物防雷工程施工與質量驗收規范》GB50601-2010

3.3防雷工程設計方案

3.3.1直擊雷防護設計。五峰煙草公司辦公樓高十三層，層高約50.0米，寬25米，長35米。屬一般建筑物，根據重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果，經計算年預計雷擊次數大于國家防雷規范中關于建筑物年預計雷擊次數為0.333次，年，符合國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010第3.0.4第三款，應劃為第三類防雷建筑物?，F場勘測發現直擊雷防護安全隱患四處，解決方案如下：

（1）力公樓屋頂接閃帶部分銹蝕，不符合標準要求。建議先用砂紙打磨除銹，然后刷銀粉漆兩道，做防腐處理。

（2）辦公樓屋脊北側和金屬爬梯上方接閃帶安裝不完整，不符合標準要求。建議在屋脊北側和金屬爬梯上方沿女兒墻布置接閃帶并與鄰近接閃帶可靠搭接以形成完整閉合回路。原接閃帶為圓鋼18mm²，新敷設接閃帶規格應為鍍鋅圓鋼18mm²。接閃帶需先調直后安裝。接閃帶需就近利用結構主筋做引下線，采用綁扎、螺紋連接或焊接。

（3）力公樓屋頂移動通訊接收發射天線、廣告牌未做等電位連接處理，不符合標準要求。建議利用圓鋼將移動通訊接收發生天線底座及廣告牌就近與接閃帶圓鋼搭接，圓鋼18mm²，搭接長度不應小于110mm²，并且不少于兩處。

（4）屋頂造型圓柱未安裝接閃帶不符合標準要求。根據建筑物防雷規范的滾球法進行設計。保證美觀及安全性并且與其他的接閃帶可靠搭接以形成完整閉合回路。接閃帶需就近利用結構主筋做引下線，采用綁扎、螺紋連接或焊接。

3.3.2閃電感應防護設計。五峰煙草公司辦公樓防雷分類歸為三類，但是建筑物內數據交換中心內俱有先進的光纖專線數字通訊系統、UPS、路由器、網絡交換機、服務器及計算機等設備價格昂貴，包括內部局域網等這些現代化微電子設施，重要性高，也應采取閃電感應防護設計。

辦公樓內機房金屬活動地板下方線路凌亂，建議理順線路并用PVC管穿管敷設?？紤]到機房后期還將添加其他較大的電子信息系統，建議采用M型等電位連接網絡，使用截面積不小于50mm2銅帶在防靜電活動地板下構成銅帶接地網格。機房UPS電池箱、主機和機柜的金屬外殼均應采用截面積不小于35mm²的絕緣銅芯導線穿管以最短的距離與等電位連接網絡的接地端子連接。等電位連接網絡的連接宜采用焊接、熔接或壓接。連接導體與等電位接地端子板之間應采用螺栓連接，連接處應進行搪錫處理。

機房的機柜交換機前端安裝網絡信號避雷器一臺。根據上部分圖2.4可知正地閃雷電流強度高達201.0KA，由于雷擊的能量是非常大的，需要通過分級泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。

具體做法：第一級電源SPD裝在總配電箱，第二級SPD裝在總配電箱里分出去的各個分箱中。各級SPD連接導線應平直，其長度不宜超過0.5m。配電箱接地端子板應與所處防雷區的等電位接地端子板連接。第一級限壓型SPD連接相線銅導線最小截面積為16mm²，SPD接地端連接銅導線最小截面積為25mm²，第二級限壓型SPD連接相線銅導線最小截面積為10mm2，SPD接地端連接銅導線最小截面積為16mm²。SPD應安裝牢固，其位置及布線正確。

小結：雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一，其危害性雖大，但可以預防。只有嚴格執行國家防雷規范和標準，科學設計、精心施工，才能最大限度地預防和減少項目所在地雷擊事故的發生，任何單位和個人都不能存有僥幸心理。本文以五峰煙草公司防雷工程整改項目為依托，利用1960—2012年五峰縣雷暴資料和2008.1—2012.12年地閃資料分析項目所在地的氣候特征背景，探討雷電活動對防雷工程設計方案的影響，最終給出了優化的防雷工程設計方案。作為一份完整的工程案例，值得借鑒。另外，進一步的優化設計，有待繼續研究。