揚州市某收費站防雷工程設計

柏楊 孫磊 陳建華 陶磊 錢丹

摘要：根據該收費站所在位置的地理、地質、土壤、氣象等自然條件以及相關領域的防雷規范，對其進行了雷電防護的方案設計并在文中描述了該收費站辦公樓的直擊雷防護設計。

關鍵詞：收費站;防雷規范;雷電防護

雷電災害已被國際電工委員會（IEC）稱為“電子化時代的一大公害”。隨著我國經濟的快速發展，交通事業不斷發展，汽車越來越多，高速公路也越建越多[1]。高速公路機電系統每年由于雷擊造成事故時有發生，直接威脅到周圍人群的安全和公路的正常運行。此外，由于高速公路網的收費站和管理機構大多建在郊區相對開闊的地方，電子計算機和電子系統設備容易受到雷電和雷電電磁脈沖干擾的破壞，使其喪失功能[2]。

以往在公路建設和施工中，沒有考慮到防雷問題。同時，由于環境因素的影響，對土壤的要求也不統一。弱電系統接地較為簡單，機電設備雷擊損壞事故時有發生，不同的雷電形式對公路造成了不同程度的破壞，如果是雷電，一些設備會被雷電破壞，系統會失去一些功能;嚴重的是整個系統癱瘓，經濟損失慘重，給公路的運營安全和運營帶來很大的隱患。機電設備的廣泛使用和電子設備集成度的不斷提高，可能會進一步加大高速公路機電設備的損壞程度。馮民學等對高速公路的防雷現狀作了分析，提出了防雷設計普遍存在各自為政，防雷措施普遍不完善（屏蔽措施不完善、電涌保護器裝配不合理、接地系統設置不正確等），也缺少系統性等問題，同時他還對高速公路防雷設計要點做了介紹和總結[35]。林勇衛等則是針對高速公路收費現場機電系統防雷做了比較詳細的研究，從雷電的危害途徑到細部的防雷設計[6]。

1現場勘測情況

1.1氣候特點及雷電活動情況

揚州市地處東經119°27′03″～119°54′23″，北緯32°17′51″～32°48′00″。地形地貌為江淮沖積平原、地勢平坦、中部較高、南北兩側較低。土壤電阻率較低，為27.6Ω·m。揚州市屬于亞熱帶濕潤氣候區，是冷暖空氣經常交匯的地段，易發生極端天氣，產生強雷。

雷電活動區根據年平均雷暴日的多少，分為少雷區、中雷區、多雷區和強雷區：雷暴少的地區是指年平均雷暴日數小于25天的地區，雷暴中等的地區是指年平均雷暴日數在25～40天的地區，雷暴多的地區是指年平均雷暴日數在40～90天的地區，強雷暴區是指年平均雷暴日數大于90天的地區。根據氣象資料表明，揚州地區年雷暴日Td=38.6天，揚州地區年平均雷暴日比較高，是多雷區。

1.2建筑概況

啟揚高速公路瘦西湖的收費站，位于揚州市邗江區，S28啟揚高速公路瘦西湖出口附近。本文主要對其辦公樓進行外部防雷設計。

圖1辦公樓示意圖

辦公樓一共四層，高16米，總占地面積是450平方米。該樓第一層是職工食堂、大廳、儲物間;二樓是辦公室和會議室;三樓是監控機房即中心機房和辦公室;四樓是資料室和休息室;衛星接收天線安裝在辦公樓天面。樓內各樓層配有基本的衛生設施;一樓接配電房的是總配電柜，各樓層有分配電柜。辦公樓示意圖見圖1所示，

2防雷類別計算

建筑物的防雷分類。此處主要是對辦公樓做了年預計雷擊次數的計算，參考《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010，結合當地的雷暴情況，根據建筑物的用途、重要性以及受雷擊后的影響，對建筑物進行防雷分類[7]。

建筑物預計雷擊次數計算公式（式1）：

N=k·Ng·Ae（1）

式1中：N—建筑物預計雷擊次數（次/a）;

k—校正系數，在一般情況下為1;位于曠野為2;金屬屋面的磚木結構取1.7;位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口處的建筑物，以及特別潮濕的地方取1.5。此高速收費站位于曠野處，因此K取2。

N—建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）]。

Ae—與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（km2）。

Ng=0.1Td，Td根據當地氣象臺資料為38.6（d/a）。

當建筑物高度H小于100m時，按式2計算：

Ae=[LW+2（L+W）H（200-H）+πH（200-H）]·10-6（2）

計算結果為：N=0.095（次/a）。

依據GB500572010《建筑物防雷設計規范》第2.0.3條規定，預計雷擊次數大于0.05次/a的部省級辦公建筑物以及其他人員密集或重要的公共建筑物劃分為第二類防雷建筑物。考慮到該建筑物內部敏感的電子設備比較多，比如監控系統、計算機網絡、程控交換機、無線通信、有線通信等，這些一旦受影響首先按該收費站癱瘓，其次影響到周邊道路、建筑更嚴重的情況是整個道路阻塞。因此考慮諸多因素將該建筑物定為第二類防雷建筑物[8]。

3建筑物雷電防護裝置設計

3.1直擊雷防護措施

建筑物的直擊雷防護措施分為接閃、引下、接地等部分。利用金屬接閃器將雷電電流沿地面安全地引至地面，防止雷電直接擊中建筑物和設備是最直接、最有效的防護措施，瞬變電磁波的數目直接影響著導流的效果。如果落水管較多，通過每根引下線的電流較小，其感應范圍和強度也較小，當雷電擊中防雷開關時，高頻電流流過接閃器，導致接閃器和下行葉片電位較高。如果被保護物體與接閃器之間的距離小于過載反擊距離，則成為接閃桿過載合同，因此，防雷規范規定了接閃開關、引下線與空中被保護物體之間的距離（至少3米），其沿身體接觸的最高點與地面之間可能存在一個差值，稱為接觸電位差，稱為接觸電壓，當閃光電流在地面上擴散時，沿地面上每個點的半徑形成不同的電位。當人們在附近跨過兩只腳時，兩只腳之間會形成一個臺階張力，為了避免接觸電壓和步進電壓對人身安全的損害，引線和接地裝置應離開人的工作空間或采取措施平衡地網的張力。