古建筑預防雷災裝置的技術探討

摘 要：廣州農講所古建筑采用2支高達24.78 m的ESE提前放電避雷針做防雷設備。介紹了廣州農講所的背景、地址、面積等基本信息，并對其所處雷電和雷災情況進行了詳細分析，通過曲線比例分析圖展示了這些數據。此外，還對古建筑防雷類別進行了劃分，并采用了國際電工委員會認可的滾球法和法國電工委員會認可的提前放電避雷針法，這兩種方法計算提前放電避雷針的保護范圍。通過滾球法和提前放電避雷針法的對比，得出兩種不同的結論：滾球法認為農講所的雙等高避雷針無法滿足防雷要求，而提前放電避雷針法則認為農講所的提前放電避雷針能夠滿足防雷要求。最后，對這兩種結論進行了思考和討論，以更好地保護古建筑免受雷擊的危害。

關鍵詞：滾球法；ESE；古建筑；防雷保護；農講所

中圖分類號：P429 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

毛澤東曾主持農民運動講習所，現稱廣州農講所，坐落于廣東省廣州市越秀區中山四路42號。這座古建筑已經歷了650余年風雨滄桑。曾經矗立著左、中、右三路建筑，紅墻黃瓦，層層深入。歷經3次災害后重建，如今左路僅存頭門，中路依舊矗立著欞星門、泮池拱橋、大成門、大成殿、崇圣祠和東西廡廊；右路則保留了頭門、明倫堂、光霽堂和石板路等。

2004年，為了增強防雷能力，建筑的左側安裝了2支法國衛星杜爾梅森提前放電避雷針（Esrly Streamer Emission，ESE）位于建筑物右側，其間距為95 m，高度均為24.78 m。保護這座寶貴的古建筑，應對雷電等自然災害，防雷技術顯得尤為重要。

1 農講所古建筑地理、氣候

劉三梅等[1-2]對1984—2013年、1951—1994年的雷暴日進行了統計，顯示越秀區、廣州市乃至整個廣東省被劃定為多雷區。雷擊引發的災難案例和經濟損失數據令人深感敬畏。Ng是衡量雷云對地放電頻率的指標，也是雷災事件的重要參數之一。根據統計觀測數據，2010—2021年廣州市地閃密度與雷災曲線圖（圖1）顯示雷災數量與Ng呈良好的正相關關系[3]。這表明雷暴日和地閃密度等因素是雷災事故概率增加的主要原因。農講所位于這樣特殊的地理與自然環境中，保護文化遺址是防雷工作者可以深入探討的重要議題。

2 農講所古建筑防雷類別的確定

農講所主體建筑物根據《古建筑防雷工程技術規范》（GB 51017—2014），以及《中國建筑史》第1章第2節“中國建筑史之分期”，按照建筑手法和年代的不同綜合闡述，被歸類為古建筑[4] 。按照《古建筑防雷工程技術規范》（GB 51017—2014）中附錄A11，古建筑預計年均雷擊次數計算公式如下：

N=Ng×Ad×Cd×10-6（1）

式（1）中，N為年均雷擊次數（次/年）；Ng平均地閃密度[次/（km2·年）]，農講所2022年的基礎數據取越秀區平均地閃密度值為32.70次/（km２·年）（表1）；Ad為古建筑的等效雷擊截受面積（m2）；Cd為位置因子；農講所古建筑按長方體進行計算。

位置因子，根據GB 51017—2014規范中附錄表A11“一般情況按1.0”進行計算。按GB 51017—2014規范中附錄A2長方體古建筑物的等效雷擊截受面積，計算農講所古建筑預計年受雷擊次數。Ad=L×W+6H×（L+W）+π（3H）2=29 407.41 m2，N=Ng×Ad×Cd×10-6=0.86次/年。

劃分１：農講所符合GB 51017—2014規范中附錄的規定。歷史上遭受過雷擊；全國重點文物保護單位的古建筑；預計年均雷擊次數＞0.25次/年的古建筑劃為第一級防雷古建筑。

劃分２：GB 50057—2010規范中規定，國家級重點文物保護建筑物，至少應劃為2類以上防雷建筑物。

3 農講所古建筑的防雷保護計算

3.1 利用滾球法計算農講所古建筑防雷保護范圍

劉平等[5-6]指出，ESE避雷設備的硬件不具備自然界中主動吸引雷電的條件，其執行標準與國內外標準存在差異。通過“滾球半徑”原理，可以通過想象一個規定半徑的球體來理解：由于建筑物上安裝的接閃器會阻擋球體的滾動，導致球體無法觸及某些區域，而這些區域被視為接閃器的保護范圍。將ESE提前放電避雷針視為富蘭克林式的普通、獨立避雷針，按照國際電工委員會標準，通過滾球法來評估該設備是否能正確引導閃電，以及是否能夠有效保護建筑物免受雷擊。實地測量，農講所的面寬為69 m，進深為165 m，高度為12.62 m。計算過程如下：第1類古建筑物和第2類建筑物滾球半徑（hr）均為45 m，避雷針的高度（h）為24.78 m，古建筑最高12.62 m（hr按12.62 m計算），雙支等高獨立針間距（D）按95 m計算。

當D＜時，hx高度的保護情況按公式hx=計算。因為，=2×＜80.40 m；D＜80.4 m，代入公式：，hr=50.06 m＜12.62 m。

結論1：經計算，農講所雙等高避雷針不能滿足防雷要求。

運用AutoCAD的3D功能，利用滾球法原理，按照實地比例圖插入接閃桿，查看防雷三維圖。

結論2：雙針距離有交集，農講所古建筑的左側與后側不在2支等高避雷針保護范圍內（圖2）。

3.2 根據提前放電避雷針保護原理計算農講所古建筑防雷保護范圍

隋景等[7-9]認為ESE主動避雷在貴州礦區、巴黎圣母院、云南露天堆場都有實際有效的案例應用。提前放電針1985年獲法國專利，1995年頒法國國家標準[10]。其原理如下：避雷針的激發器從自然界的電場中吸收并貯存能量或觸發器上產生強大的感應電壓，在針尖聚集大量與下行先導相反的異種電荷。當達到一定強度，向上產生上行先導，提前接閃主動引雷（表2）。主動避雷針預先放時間△T，上行先導預先發展距離為△L，V為速度。當雷擊點高Hp≥5 m或Hp＜5 m時，不同針尖高度上的保護半徑。農講所的Hp為12.16 m，Hp≥5 m，因此計算保護范圍公式為Rp=。其中，Rp為不同針尖高度上的保護半徑（m）；H為滾球半徑，根據防雷類別選取30、45、60、100 m；△L為提前放電針上行搶先擊距，△L=v·△t；根據提前放電針型號，△L選取25、40、50、60 m；Hp為針尖高度，針尖相對于被保護物頂部的水平高度差（m）。

按照第2類防雷建筑物計算ESE提前放電針在地面上的保護范圍，滾球半徑取45 m，根據ESE提前放電針型號可知，其提前放電時間為25 μs（表2），從而得出單支ESE提前放電針在地面保護半徑為61～63 m（表3），保護61 m＞建筑物最高點12.62 m。

結論3：2支提前放電針則能滿足農講所主體建筑的保護范圍[11]。

4 結論

運用2個原理3種方法對2支避雷針對農講所古建筑的保護范圍做計算、畫圖，2個原理的計算方式得出滿足與不滿足的2個不同結論。

第一，廣州農講所提前放電避雷針保護不足的情況下，近3年來未遭受雷擊災害，古建筑除防雷設備（ESE提前放電針）外，更需要做雷電風險評估等深入、系統研究與探討。

第二，有效的提前放電實驗室里有相關合理解讀，但數據不多且在非實驗室條件下，目前沒有明確的數據支撐。

第三，提前放電原理，由于多了一個提前放電針尖，其保護范圍擴大至61～63 m，真偽有待相關人員研究和提取更多的數據加以證實。

第四，存在即合理，但實際工作中提前放電針有出現雷擊損壞放電避雷針的實際案例、圖片，是提前放電理論的原理問題還是使用的氣象、材料、磁場等條件，需要再進一步研究。

參考文獻

[1] 劉三梅，呂海勇，陳紹東，等.廣東省雷電風險區劃研究[J].資源科學，2014，36（11）：2337-2344.

[2] 李衍雄.廣東的雷暴及其分布[J].廣東氣象，1996（2）：20-22.

[3] 陳易昕，殷啟元，戴巍，等.2016年廣州地區雷災特征的綜合分析[J].廣東氣象，2018，40（2）：62-64，68.

[4] 梁思成.中國建筑史.[M].天津：百花文藝出版社，2005.

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[10] 姚赤楓.法國依麗達提前放電避雷針的應用[J].建筑電氣，1997（2）：40-42.

[11] 朱宇棟，雷徐嵩，吳斌，等.一種ESE避雷針的提前放電時間測試[J].建筑電氣，2005（6）：16-18.

作者簡介：麥金嬋（1982—），女，廣西貴港人，工程師，主要從事氣象服務、雷電防御相關工作。#通信作者：羅賜麟（1974—），男，工程師，主要從事綜合氣象觀探測技術應用及設備保障工作，E-mail：627741903@qq.com。