獨立接閃桿防雷設計容易忽視的問題

仇 健

(廣東省珠海市公共氣象服務中心，廣東 珠海 519000)

1 引言

一般地，獨立接閃桿常用于易燃、易爆等第一類防雷建(構)筑物的直擊雷防護［1］，一旦因設計缺陷導致建筑物遭受雷擊將可能造成巨大破壞和人身傷亡，后果不堪設想。然而筆者在實際工作中發(fā)現，獨立接閃桿的防雷設計存在一些容易忽視的問題，在此總結出來，與同行商榷。

2 易忽視的幾個問題

2.1 確定合理的保護安全裕度

保護安全裕度，即獨立接閃桿對被保護物保護范圍的富余程度。它可以用兩種方式來表示:(1)△ur=rx－d;水平方向上等于接閃桿的設計保護半徑與桿至被保護物最遠端的距離之差;(2)△uv=h0－h(huán)x;垂直方向上等于接閃桿的設計保護高度與被保護物高度之差。

從安全的角度講，安全裕度越大越好，但是增大安全裕度需要增加投資，而降低安全裕度雖可節(jié)約成本卻又可能造成更大的經濟損失甚至危及人們的生命財產安全和社會穩(wěn)定。因此，設計時因地制宜地確定保護安全裕度具有重要意義。考慮設計所需的實地測量、理論計算以及施工誤差、檢測誤差所預留的高度，一般為0.5～1.5 m。

根據文獻［2］，高聳的接閃桿在以風為主的荷載標準組合下的水平位移限值及其產生的垂直最大位移計算見表1。

表1 風荷載下接閃桿所允許出現的水平、垂直最大位移

由表1 可知，高聳的接閃桿受風荷載影響出現較為明顯的水平位移，振幅為桿高的2%;垂直位移較前者變化不大，數值一般僅為桿高的0.02%，防雷工程中可忽略不計。因此，在設計接閃桿時尤其應注意考慮風荷載所帶來的桿尖水平位移變化，進而可能導致被保護物暴露于LPZ0A 區(qū)而遭受雷擊的風險。由此可見，適當增加接閃桿的設計高度，預留合理的設計安全裕度，可使保護范圍得到擴大，有效地避免或減少被保護物遭受雷擊的風險。

2.2 地區(qū)基本風壓和最大風向、風速對接閃桿的影響

我國是世界上受季風影響顯著的國家之一，特別是東南沿海地區(qū)常有熱帶氣旋襲擾，破壞力巨大，因此在接閃桿的結構設計、材料和安裝位置選擇時必須考慮地區(qū)基本風壓和常年最大風向、風速對被保護物的影響，在海島及多臺風地區(qū)通常應增大接閃桿尺寸［3］(包括基礎長寬、埋深以及結構材料的撓度)，同時考慮地基承載能力。對于地區(qū)基本風壓值較大、地基承載能力弱或接閃桿自身結構抗風能力不足等情況下，可考慮增加使用纜風繩。纜繩的材料規(guī)格應根據接閃桿所處的區(qū)域環(huán)境對纜繩材料老化、腐蝕程度等因素合理選擇天然纖維、化學合成纖維或鋼絲制成的繩纜。當選用鋼絲繩時，應確保金屬纜繩滿足接閃、分流要求，并應考慮金屬錨桿的材料規(guī)格以及雷電流泄放過程中的防接觸電壓、防跨步電壓等措施。

對于接閃桿的位置選擇，應根據雷云的一般移動路徑進行設計。即可根據當地氣象資料繪制被保護物所在地的風玫瑰圖，從而確定該地常年最大風向、風速。由于雷暴云團通常隨風移動，故當接閃桿設置在建筑物的上風口時，不僅有利于提前攔截閃電，而且在風壓增大時可導致桿尖位移偏向被保護物，從而增大原有被保護高度上的保護范圍;但與此同時，若接閃桿設計不夠牢固，出現桿體向被保護物倒塌時，可能引發(fā)被保護物局部損毀甚至導致其內部的易燃易爆物質燃燒、爆炸等重大的二次事故。反之則不利于提前攔截閃電，且在特殊地形下發(fā)生繞擊的可能性較上風口要高;風壓增大時可導致桿尖位移遠離被保護物，從而縮小原設計被保護高度上的保護范圍，甚至導致被保護物瞬間暴露在LPZ0A區(qū)外。

2.3 地形因素對接閃桿保護范圍的影響

文獻［1］給出了水平地面接閃桿保護范圍的計算方法及示圖，但在實際工程施工過程中，被保護物所在地的地形地貌均存在差異，因此根據滾球法計算的接閃器保護范圍亦將受到來自地形因素的影響而產生相應變化。通常，在被保護物尺寸、接閃桿高度、間距、地形坡度、滾球半徑均相同的前提下，接閃桿在斜坡上設計安裝位置的不同，其保護范圍存在如下差異:如圖1 所示，當接閃桿位于被保護物的斜坡下方時，被保護物完全處于LPZ0B區(qū)內，此時保護范圍的安全裕度最大且與坡度變化呈正相關;圖2 中，當接閃桿位于被保護物的斜坡上方時，被保護物局部暴露于LPZ0A區(qū)內，此時保護范圍最小，其變化同樣與坡度呈正相關關系。值得注意的是，某些設計人員在計算接閃桿對位于其斜坡下方被保護物的保護范圍時，直接以被保護物所在的地面高度作為支撐滾球的下支點，其做法是繪圖時將被保護物所處的地面高度向外水平延伸引出一條“參考地平線”，認為當滾球接觸到位于斜坡上的接閃桿和該“參考地面”時，被保護物即得到保護。而恰恰相反的是，這所謂的“參考地面”并不存在，實際的滾球下支點應是被保護物下方的斜坡地面。圖3 中，當接閃桿與斜坡上的被保護物處于同一水平線時，被保護物亦完全處于LPZ0B區(qū)內，但保護范圍的安全裕度小于圖1。

圖1 接閃桿位于被保護物斜坡下方時的保護范圍

圖2 接閃桿位于被保護物上方時的保護范圍

圖3 接閃桿位于水平地面的保護范圍

2.4 沖擊接地電阻對安全間隔距離的影響

根據文獻［1］第4.2.1 條第5 款，“獨立接閃桿和架空接閃線或網的支柱及其接地裝置與被保護建筑物及與其有聯系的管道、電纜等金屬物之間的間隔距離，應按下列公式計算，且不得小于3 m:……”。該條款的原意為，間隔距離的取值應當根據與之對應的公式計算結果確定，但同時規(guī)定了間隔距離的取值下限為3 m;即當按公式計算得出的結果小于3 m 時，間隔距離取值均為3 m，而當公式計算結果大于或等于3 m 時，直接取公式計算結果作為間隔距離。

筆者在工作中發(fā)現，部分設計方案在確定間隔距離時往往忽略了采用公式的計算過程而直接取下限值3 m;然而根據文獻［1］中公式(4.2.1－1)、(4.2.1－2)、(4.2.1－3)可知，空氣中、地中的間隔距離均與接閃桿的沖擊接地電阻值呈正相關。例如，當接閃桿的沖擊接地電阻值為10Ω 時，其地中的間隔距離根據公式計算結果應不小于4 m。由此可見，直接取下限值3 m 作為間隔距離的做法，不僅存在主觀盲目性，而且將給被保護物留下雷災隱患。

3 結束語

綜上所述，在開展防雷設計前，認真調查被保護物所處的地理、地質、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律以及被保護物的特點，對防雷裝置能否實現科學、合理的設計顯得尤為重要。隨著近年來發(fā)生極端災害性天氣日趨頻繁，防雷裝置的安全可靠性，直接關系到人民群眾生命財產安全。該文結合了相關標準規(guī)范和工程實際要求，僅就獨立接閃桿防雷設計中容易忽視的問題提出幾點見解，旨在與同行共同探討和促進防雷裝置的規(guī)范化設計，有效防御和減輕雷電災害造成的損失。

［1］建筑物防雷設計規(guī)范［S］. GB50057－2010.

［2］《高聳結構設計規(guī)范［S］. GB50135－2006.

［3］《建筑物防雷工程施工與質量驗收規(guī)范［S］. GB50601－2010.