城市防雷減災(zāi)管理體系及安全防護(hù)措施分析

鄧朝陽(yáng)

清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn) 511510

雷電是雷雨云層與大地層之間出現(xiàn)的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象，雷電災(zāi)害具有局部性、突發(fā)性、半隨機(jī)性及瞬時(shí)性的特點(diǎn)，不論是對(duì)建筑物、電器設(shè)備還是人與動(dòng)物來(lái)說(shuō)，都會(huì)造成嚴(yán)重危害。2022年5月28日，四川甘孜州石渠縣德榮馬鄉(xiāng)雷擊事件造成7名村民不幸身亡，2022年6月3日，湖南湘潭市獅江流域雷擊事件造成1人死亡。城市防雷減災(zāi)管理體系的研究能夠?yàn)槔纂姍z測(cè)和預(yù)警提供理論支持，為氣象檢測(cè)人員與防雷減災(zāi)工作人員提供必要的參考。

1 現(xiàn)代城市防雷減災(zāi)防護(hù)技術(shù)與接地裝置

1.1 感應(yīng)雷防護(hù)與接地裝置

感應(yīng)雷通過(guò)靜電和電磁脈沖進(jìn)入機(jī)房管道或電子信息系統(tǒng)，擊毀用電設(shè)備，導(dǎo)致用電設(shè)備出現(xiàn)永久性損傷。可利用法拉第籠原理，將建筑物或設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)相連，形成法拉第籠，不僅能形成良好的防御空間，為其中的電子設(shè)備提供屏蔽保護(hù)，還能夠使內(nèi)部均壓和分流實(shí)現(xiàn)最佳效果[1]。

在具體的防護(hù)措施中，當(dāng)每根引下線的沖擊接地電阻＞10 Ω時(shí)，應(yīng)按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)土壤電阻率ρ≤500 Ω·m時(shí)，每一引下線處應(yīng)補(bǔ)加水平接地體的最小長(zhǎng)度為：

當(dāng)500 Ω·m＜土壤電阻率ρ≤3 000 Ω·m時(shí)，每一引下線處應(yīng)補(bǔ)加水平接地體的最小長(zhǎng)度為：

1.2 直擊雷防護(hù)與接地裝置

凡高于地表的突出物（如電話線、天線、電線桿、樹、高低壓電線等）都具備引雷入地的可能，具有電性能的電器設(shè)備、金屬管道、有（無(wú)）源導(dǎo)體、電子元件等，均會(huì)造成“電壓反擊”，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。針對(duì)直擊雷的防護(hù)，一方面，應(yīng)根據(jù)建筑物或裝置的使用性能、遭遇雷電事故的可能性與后果，依據(jù)防雷規(guī)范將其劃分為3種類型[2]；另一方面，根據(jù)防雷裝置或建筑（裝置）的具體情況，選擇與之相匹配的接閃器，并通過(guò)公式計(jì)算合理安排間距、截面積、裝置數(shù)量等。具體公式如下。

1.2.1 地上部分如圖1所示，當(dāng)hx＜5Ri時(shí)：

圖1 防雷裝置至被保護(hù)物的間隔距離

Sa1≥0.4(Ri＋ 0.1hx)

當(dāng)hx≥ 5Ri時(shí)：

Sa1≥0.1(Ri＋hx)

1.2.2 地下部分計(jì)算公式如下：

Se1≥0.4Ri

其中，Sa1為空氣中的間隔距離（m），Se1為地中的間隔距離（m），Ri為獨(dú)立接閃桿、網(wǎng)支柱或架空接閃線處接地電阻(Ω)，hx為建筑物或計(jì)算點(diǎn)的高度（m）。

接閃線至屋面的放散管等物體之間的間隔距離應(yīng)按下列公式計(jì)算，但不應(yīng)小于3 m。

①當(dāng)(h＋l/2)＜5Ri時(shí)，

Sa2≥0.2Ri＋0.03(h＋l/2)

②當(dāng)(h＋l/2)≥5Ri時(shí)，

Sa2≥0.05Ri＋0.06(h＋l/2)

式中，Sa2為接閃線至建筑物的間隔距離（m），h為接閃線的支柱高度（m），l為接閃線的水平長(zhǎng)度（m）。

接閃網(wǎng)至屋面放散管等物體之間的間隔距離，應(yīng)按下列公式計(jì)算，但不應(yīng)小于3 m。

①當(dāng)(h＋l1)＜5Ri時(shí)，

②當(dāng)(h＋l1)≥5Ri時(shí)，

其中，Sa2為接閃網(wǎng)至建筑物的間隔距離（m），l1為接閃網(wǎng)最低點(diǎn)至最近支柱的距離（m），n為接閃網(wǎng)最低點(diǎn)至最近不同支柱并有同一距離l1的個(gè)數(shù)。

1.3 球型雷防護(hù)與接地裝置

籠式避雷網(wǎng)是防護(hù)球型雷的重要措施，若建筑物或裝置無(wú)法安裝籠式避雷網(wǎng)，則應(yīng)在建筑物或裝置的門窗上安裝金屬紗網(wǎng)，并做好接地工作，煙囪、管道的上口應(yīng)安裝鐵絲網(wǎng)并做好接地工作，倉(cāng)庫(kù)、廠房等應(yīng)加裝阻火器并做好接機(jī)工作，針對(duì)樹木下的建筑物，需尤其做好防護(hù)[3]。

當(dāng)利用內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為接地體時(shí)，每根引下線所連接的鋼筋表面積總和應(yīng)按下式計(jì)算：

S≥1.89Kc2

當(dāng)補(bǔ)加水平接地體時(shí)，其最小長(zhǎng)度應(yīng)為：

當(dāng)補(bǔ)加垂直接地體時(shí)，其最小長(zhǎng)度應(yīng)為：

其中，lv為補(bǔ)加垂直接地體的最小長(zhǎng)度（m）。

2 建立綜合性城市防雷減災(zāi)管理體系

我國(guó)幅員遼闊，丘陵、平原、湖泊眾多，氣候變化多端，氣候差異很大。并且地形分布不規(guī)則，海拔差距大，氣象監(jiān)測(cè)站分布不均，制約著氣象監(jiān)管為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)作用，導(dǎo)致部分雷電災(zāi)害難以被監(jiān)測(cè)和預(yù)警，造成無(wú)法挽回的損失。因此，建立綜合性城市防雷減災(zāi)管理體系勢(shì)在必行[4]。對(duì)此，可利用現(xiàn)代氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，通過(guò)閃電定位系統(tǒng)、全雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、大氣電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)以及防雷裝置遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建監(jiān)測(cè)—預(yù)警—探測(cè)—報(bào)警四位一體的城市防雷減災(zāi)體系（圖2）。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電災(zāi)害的精準(zhǔn)探測(cè)和高效治理。

圖2 綜合性城市防雷減災(zāi)管理體系

2.1 閃電定位系統(tǒng)

閃電定位系統(tǒng)的作用在于能夠?qū)φ谛纬珊桶l(fā)展中的雷電進(jìn)行空中監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)追蹤直至其消失[5]。這一系統(tǒng)以探測(cè)中心為核心，輻射至若干區(qū)域的探測(cè)中心。在此基礎(chǔ)上，形成網(wǎng)絡(luò)狀的通信體系，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，并準(zhǔn)確進(jìn)行空中定位，計(jì)算時(shí)間差和交匯點(diǎn)。當(dāng)空中出現(xiàn)雷暴天氣時(shí)，應(yīng)運(yùn)用閃電定位系統(tǒng)在空中展開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷雷暴體的具體位置，并提供預(yù)警服務(wù)。此外，還能夠大致推斷某一特定區(qū)域內(nèi)的閃電強(qiáng)度、性質(zhì)、頻數(shù)以及時(shí)空分布，為制定防雷工程提供必要數(shù)據(jù)[6]。

2.2 全雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

這一系統(tǒng)能夠根據(jù)云地閃電和云閃電進(jìn)行方向定位，并在此基礎(chǔ)上描述閃電通道，計(jì)算出云層中電荷的分布數(shù)據(jù)，并預(yù)計(jì)雷暴發(fā)生的具體時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息的準(zhǔn)確描述，為雷電預(yù)警和防御工作提供必要條件[7]。

2.3 大氣電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)能夠根據(jù)附近區(qū)域空氣中帶電物質(zhì)所引起的地面電場(chǎng)變化判斷出潛在的雷暴活動(dòng)[8]。由于大氣電場(chǎng)使空中帶電物在地面產(chǎn)生電場(chǎng)集合，單點(diǎn)檢測(cè)難以全面、準(zhǔn)確地反映出空中的雷電活動(dòng)，因此，需要由地面電場(chǎng)儀所組成的觀測(cè)網(wǎng)對(duì)空中電場(chǎng)進(jìn)行全面觀測(cè)，確定雷雨云的相對(duì)位置，系統(tǒng)根據(jù)電場(chǎng)資料和雷、雨、云的分布情況進(jìn)行檢測(cè)，從而為雷電預(yù)警管理工作提供全面信息[9]。

2.4 防雷裝置遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心和若干區(qū)域采集器、控制器、探測(cè)器構(gòu)成，通過(guò)區(qū)域采集器收集雷電信息傳送至控制中心，控制中心再將數(shù)據(jù)傳送至防雷裝置并及時(shí)報(bào)警。在雷暴來(lái)臨前，可成功通過(guò)防雷裝置將被保護(hù)設(shè)備的電源與其他線路斷開，達(dá)到消除雷電災(zāi)害的目的[10]。

3 其他重要防雷減災(zāi)措施

3.1 強(qiáng)化對(duì)雷電檢測(cè)行業(yè)的監(jiān)管

防雷部門具有防雷技術(shù)與人才兩方面的巨大優(yōu)勢(shì)，自身專業(yè)實(shí)力和專業(yè)應(yīng)用能力也較為突出。但各部門、各系統(tǒng)之間尚未形成統(tǒng)一、完整的管理體系。與一般業(yè)務(wù)不同，防雷裝置的安全檢測(cè)涉及各個(gè)行業(yè)，必須依法進(jìn)行安全檢測(cè)，提供防雷技術(shù)保障，對(duì)防雷檢測(cè)行業(yè)進(jìn)行規(guī)范化管理。如何在發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)避免行業(yè)壟斷已成為亟待思考的問(wèn)題。因此，政府應(yīng)積極建立防雷裝置安全檢測(cè)網(wǎng)，調(diào)動(dòng)氣象部門和社會(huì)各界的力量，制定嚴(yán)格的檢測(cè)資質(zhì)審批流程與年審制度，要求檢測(cè)人員必須持證上崗。同時(shí)，還需制定資料報(bào)送制度、檢測(cè)儀器年檢制度與重大事故報(bào)告制度，從而促使防雷檢測(cè)行業(yè)更走上規(guī)范化管理之路。

3.2 完善對(duì)防護(hù)資料的管理

3.2.1 完善防護(hù)監(jiān)測(cè)資料就實(shí)際情況而言，大多數(shù)雷電災(zāi)害由直擊雷和雷電波造成，局部影響較強(qiáng)。在現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)規(guī)范中，將閃電與暴雷分別作為兩種氣象進(jìn)行記錄，不利于防雷減災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)。因此，應(yīng)逐步擴(kuò)大防護(hù)監(jiān)測(cè)資料范圍，將電磁演變過(guò)程、雷暴云的電結(jié)構(gòu)等均納入防護(hù)資料范圍，從而提升雷電監(jiān)測(cè)資料體系的完整性，這對(duì)構(gòu)建綜合性城市防雷減災(zāi)管理體系也有著重要的意義。

3.2.2 完善雷電災(zāi)害資料雷電災(zāi)害資料對(duì)分析雷電發(fā)生規(guī)律、建立防雷減災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)均具有重要價(jià)值。同時(shí)，這類資料也是開展防雷減災(zāi)宣傳、對(duì)市民進(jìn)行防雷安全教育的重要材料。雷電災(zāi)害資料有4個(gè)基本來(lái)源：①?gòu)膹V播、電視臺(tái)、新聞、報(bào)紙以及部門簡(jiǎn)報(bào)、年鑒中獲知；②從防護(hù)工作常規(guī)檢查中獲知；③從受損單位和理賠單位獲知；④通過(guò)區(qū)域內(nèi)人工雨量觀測(cè)員獲知。以上4種資料來(lái)源途徑都存在較大的隨意性，極容易被遺漏，往往存在時(shí)效性較低的現(xiàn)象。基于此，應(yīng)及時(shí)完善雷電災(zāi)害資料，建立由各部門、各單位廣泛參與的防護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)，形成自下而上的上報(bào)制度，以最大限度地全面收集雷電災(zāi)害個(gè)案信息，盡可能地避免資料出現(xiàn)遺漏、缺失的情況。

3.3 建立雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

通過(guò)對(duì)建筑物所在地近30年的雷電資料進(jìn)行細(xì)致分析，得出該區(qū)域內(nèi)雷電的發(fā)生概率與基本方位，以此制作雷電方向圖，再進(jìn)一步對(duì)建筑物的落雷密度、雷電截收面積、土壤電阻率等進(jìn)行分析，從而得出土壤的散流系數(shù)，最后綜合所有數(shù)據(jù)，制作出雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表。開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要目的在于通過(guò)評(píng)估結(jié)果對(duì)一級(jí)建筑項(xiàng)目、工業(yè)一類/二類防雷項(xiàng)目、易燃易爆場(chǎng)所與倉(cāng)庫(kù)等項(xiàng)目建設(shè)在選址和區(qū)域分布等方面提出科學(xué)、合理的意見，從根本上確保建筑物的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷電主要分為3種類型，即感應(yīng)雷、直擊雷以及球型雷，因此，需針對(duì)以上3種雷電類型進(jìn)行具有針對(duì)性的防護(hù)，并利用現(xiàn)代氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)與雷電預(yù)警技術(shù)建立綜合性城市防雷減災(zāi)管理體系，形成空中監(jiān)測(cè)、預(yù)警、探測(cè)以及地面報(bào)警的四位一體監(jiān)測(cè)管理體系，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展保駕護(hù)航。此外，還應(yīng)積極強(qiáng)化對(duì)雷電檢測(cè)行業(yè)的監(jiān)督與管理，完善防護(hù)監(jiān)測(cè)資料與雷電災(zāi)害資料，并建立雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體，為各項(xiàng)建筑項(xiàng)目的選址與施工提供科學(xué)、合理的意見，從而增強(qiáng)城市防雷減災(zāi)的預(yù)警和治理水平，保障廣大市民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。