五峰區(qū)域雷電活動(dòng)對(duì)防雷工程設(shè)計(jì)影響的研究

鄭明發(fā)+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(xiàng)目為依托，提供了一個(gè)完整的防雷工程設(shè)計(jì)方案，探討了項(xiàng)目所在地的氣候特征以及直擊雷防護(hù)、雷電感應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的思路、依據(jù)和工程實(shí)踐的具體方案。工程項(xiàng)目所在地的雷電活動(dòng)特征分析是設(shè)計(jì)方案特色所在。對(duì)于區(qū)域雷暴和地閃活動(dòng)規(guī)律的討論，優(yōu)化、充實(shí)了設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容，也有利于增強(qiáng)項(xiàng)目各方防雷安全意識(shí)。

關(guān)鍵詞：防雷工程設(shè)計(jì)；氣候特征分析；雷電活動(dòng)；防雷安全

中圖分類號(hào)：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言：《中華人民共和國(guó)氣象法》（主席令第23號(hào)）第三十一條明確提出“對(duì)可能遭受雷擊的建筑、構(gòu)筑物和其他設(shè)施安裝的雷電災(zāi)害防護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)符合國(guó)務(wù)院氣象主管機(jī)構(gòu)規(guī)定的使用要求?！保逗笔±纂姙?zāi)害防御條例》第九條明確提出“建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的一、二、三類防雷建（構(gòu)）筑物、場(chǎng)所或者設(shè)施必須安裝符合技術(shù)規(guī)范要求的防雷裝置”。在《氣象法》和地方相關(guān)法規(guī)的指導(dǎo)下，防雷事業(yè)得到迅速發(fā)展。但防雷工程設(shè)計(jì)研究的現(xiàn)狀，基本上處于探索階段。一個(gè)完善的防雷工程設(shè)計(jì)是建立在不同學(xué)科的基礎(chǔ)上的，需要對(duì)涉及的知識(shí)進(jìn)行全面的了解。才能設(shè)計(jì)合理的、經(jīng)濟(jì)的、可靠的設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于防雷工程設(shè)計(jì)研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者做過研究并取得了較好的結(jié)果。匡本賀[2]分析了核電廠選址的基本要求和防雷之間的關(guān)系，重點(diǎn)從直擊雷防護(hù)、地網(wǎng)建設(shè)、弱電設(shè)備雷電防護(hù)三方面對(duì)核電站前期建設(shè)工程項(xiàng)目中防雷系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了探討，并評(píng)估了綜合防雷的效果。唐慧強(qiáng)[3]等人提出了信息化實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部防雷主要從屏蔽、等電位和SPD三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些工作多以設(shè)計(jì)方案工程實(shí)踐為重點(diǎn)，對(duì)工程項(xiàng)目所在地的氣候特征尤其是雷暴氣候特征、地閃特征對(duì)防雷工程設(shè)計(jì)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(xiàng)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(xiàng)目所在地的氣候特征背景，探討雷電活動(dòng)對(duì)防雷工程設(shè)計(jì)方案的影響，最終給出了優(yōu)化的防雷工程設(shè)計(jì)方案。

1.雷電災(zāi)害概述

1.1雷電形成機(jī)制

雷暴云通過感應(yīng)起電、非感應(yīng)起電、對(duì)流起電等多種起電過程形成了正負(fù)電荷區(qū)相間分布的荷電結(jié)構(gòu)。雷暴云帶電后，其電荷集中在幾個(gè)帶電中心，它們的電荷數(shù)不完全相等。當(dāng)某一點(diǎn)的電荷密度較大，在其附近的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足以使空氣擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度值時(shí)，空氣便開始游離，使這一部分由原來的絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電性的通道。這個(gè)通道的形成稱為先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電是不連續(xù)的，雷暴云對(duì)地放電的第一先導(dǎo)是分級(jí)發(fā)展的，每—級(jí)先導(dǎo)發(fā)展的速度相當(dāng)高，但每發(fā)展到一定長(zhǎng)度就有—個(gè)10～100μs的間隔。當(dāng)先導(dǎo)距地面一定高度時(shí)，地面高聳物體上出現(xiàn)感應(yīng)電荷，使局部電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，先導(dǎo)通道的發(fā)展將沿其頭部至感應(yīng)電荷集中點(diǎn)之間發(fā)展，先導(dǎo)通道的頭部與帶異號(hào)電荷的集中點(diǎn)間距離很小時(shí)，先導(dǎo)通道端與地面形成很大的電位梯度，將導(dǎo)致云霧大氣擊穿放電，形成流光。并且先導(dǎo)與大地間形成的強(qiáng)電場(chǎng)將導(dǎo)致從地面發(fā)展向上與先導(dǎo)異號(hào)的流光（即回?fù)簦┡c先導(dǎo)會(huì)合，從而形成先導(dǎo)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(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象，它引起的災(zāi)害是世界上十大自然災(zāi)害之一。

1.2雷電危害

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

1.2.1直擊雷。在雷暴活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，雷云直接通過人體、建筑物或設(shè)備等對(duì)地放電產(chǎn)生的電擊，雷電流的高溫?zé)嵝?yīng)將灼傷人體，引起建筑物燃燒，使設(shè)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(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊性機(jī)械力。該機(jī)械力可以達(dá)到5000～6000牛頓，可使人體組織、建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等斷裂破碎，從而導(dǎo)致人員傷亡、建筑物破壞，以及設(shè)備毀壞等。

1.2.2閃電感應(yīng)。（1）靜電感應(yīng)：當(dāng)雷云來臨時(shí)，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(dǎo)體上將感應(yīng)出大量與雷云底部電荷符號(hào)相反的電荷。在雷云對(duì)地面或另一雷云放電后，云中電荷被中和。此時(shí)地面物體，尤其是導(dǎo)體上未被中和的電荷卻產(chǎn)生了很高的電壓，它必然放電。這種放電電流也是一個(gè)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(shè)施也會(huì)造成設(shè)備損壞或人員傷亡事故。（2）電磁感應(yīng)：閃電電流在閃電通道周圍的空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)將隨著時(shí)間的變化而變化，并在附近的各類金屬導(dǎo)體上激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電流。在閃電電流入地過程中，變化的磁場(chǎng)在附近的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電流，也會(huì)造成電氣設(shè)備遭到電擊而損毀。

1.2.3閃電電涌侵入。當(dāng)建筑物或設(shè)備并不處于雷暴活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，或者雖然在雷暴活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，建筑物或設(shè)備已受到防直擊雷的避雷裝置的保護(hù)與屏障，有時(shí)仍會(huì)遭到雷害。當(dāng)雷電流流經(jīng)電子設(shè)備流入大地時(shí)，電子設(shè)備會(huì)被損壞或損毀。其原因可能就是在進(jìn)線、出線或有關(guān)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(duì)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(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械力而使建筑物結(jié)構(gòu)遭受到破壞。二是由于雷電流變化梯度大而產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，，從而構(gòu)成火災(zāi)危險(xiǎn)。三是雷電襲擊到架空輸電線路或金屬管道上時(shí)，高壓電流沿架空線路或金屬管道侵^室內(nèi)，造成人身傷亡或設(shè)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(jīng)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(chǎng)所，七至十二樓為職工住宿；其中北側(cè)樓亦為職工住宿，南側(cè)靠近人員密集的菜市場(chǎng)。

2.1.2地質(zhì)、地貌。五峰全境皆為山區(qū)，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(shì)由西向東逐漸傾斜，山巒起伏重迭，深谷高嶺相間，縣行政區(qū)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(chǎng)地單元為丘陵。地勢(shì)相對(duì)較低，西側(cè)為天池河。所處場(chǎng)地地表土質(zhì)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(zhǎng)江中游，氣候溫和濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明，季風(fēng)明顯，屬于亞熱帶季風(fēng)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(huán)境

目前地球上平均每秒就會(huì)發(fā)生100次左右的閃電，其放電電流可高達(dá)數(shù)十千安培，甚至數(shù)百千安培，放電瞬間，巨大的雷電流可產(chǎn)生極大的破壞力和很強(qiáng)的電磁干擾。雷電造成的人員傷亡，財(cái)產(chǎn)損失觸目驚心。隨著現(xiàn)代社會(huì)科技的不斷發(fā)展，各類微電子設(shè)備和信息系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到化工企業(yè)自動(dòng)控制、消防、安防、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)，這些設(shè)備及信息系統(tǒng)大幅度地提高了自動(dòng)化程度，但微電子元器件的耐過壓、過流能力也相對(duì)較弱，對(duì)雷電干擾的防護(hù)能力較低，致使雷電災(zāi)害在逐年得到控制的情況下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失卻呈現(xiàn)逐年增大的趨勢(shì)。

2.3.1五峰縣雷暴氣候特征。五峰煙草公司位于為五峰鎮(zhèn)內(nèi)，因此采用五峰氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)。據(jù)五峰氣象站提供的1960—2012年統(tǒng)計(jì)的氣象資料，繪得五峰年雷暴日變化規(guī)律直方圖（如圖2.3）和1960—2012年五峰縣雷暴日數(shù)月平均變化直方圖（如圖2.4）。經(jīng)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(shì)，月雷暴日數(shù)呈雙峰型特性，主要活動(dòng)期為4月和7-8月。（2）雷暴的發(fā)生主要集中在3—9月份，80%以上的閃電都發(fā)生在這段期間。（3）五峰縣出現(xiàn)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(shù)最多的是1961年高達(dá)63天，在防雷規(guī)范上定義為多雷區(qū)。五峰縣北面的長(zhǎng)陽土家族自治縣年平均雷暴日數(shù)為43.0d，東面的宜都市年平均雷暴日數(shù)為38.9d。

2.3.2五峰縣地閃特征分析。閃電監(jiān)測(cè)資料來源于湖北省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警公共服務(wù)系統(tǒng)，選擇五峰煙草公司所處北緯30°1920′，東經(jīng)110°6770′半徑2km范圍為局地?cái)?shù)據(jù)提取區(qū)域，資料統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2008年1月～2012年12月。據(jù)此資料得出五峰縣雷電正負(fù)閃分布圖（如圖2.3）、湖北省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警公共服務(wù)系統(tǒng)查詢的雷電監(jiān)測(cè)資料圖（如圖2.4）和正負(fù)閃發(fā)生的時(shí)間和雷電流強(qiáng)度圖（圖2.5）。據(jù)圖2.3可知（1）項(xiàng)目所在地每年的雷電活動(dòng)分別為正地閃和負(fù)地閃；（2）正負(fù)閃分部不均勻，負(fù)地閃多于正地閃，從圖2.4可知正地閃為6次，而負(fù)地閃則高達(dá)70次。由圖2.4數(shù)據(jù)可知（1）2008—2012年間最大正地閃雷電流強(qiáng)度最大值為201.1KA。最大負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度為97.7KA；（2）正地閃平均雷電流強(qiáng)度高于負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度。根據(jù)圖2.5分析可得（1）正負(fù)閃雷電流幅值平均強(qiáng)度為34.97kA，亦看出以負(fù)地閃居多；（2）負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度出現(xiàn)在25.0KA左右比較多。

3.防雷工程方案設(shè)計(jì)

3.1防雷工程設(shè)計(jì)思路

雷電防護(hù)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具體地說，雷電防護(hù)工作的第一步就是首先應(yīng)確認(rèn)雷電災(zāi)害侵入建筑物的各種途徑，在這個(gè)基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)雷電防護(hù)的科學(xué)理論和我們豐富的防雷設(shè)計(jì)安裝經(jīng)驗(yàn)，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，進(jìn)行有針對(duì)性的防護(hù)，從而達(dá)到在閃電入侵時(shí)能夠保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。根據(jù)相關(guān)規(guī)定并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)所得到的資料以及精確的雷電監(jiān)測(cè)資料，對(duì)防雷設(shè)計(jì)方案提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及方法。防雷工程設(shè)計(jì)的成功在于對(duì)當(dāng)?shù)氐睦纂娀顒?dòng)有充分的了解。本次方案主要針對(duì)五峰煙草公司進(jìn)行直擊雷防護(hù)、閃電感應(yīng)、閃電電涌入侵防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2防雷工程設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）《中華人民共和國(guó)氣象法》（主席令第23號(hào)）

（2）《國(guó)務(wù)院對(duì)確需保留的行政審批項(xiàng)目設(shè)定行政許可的決定》（國(guó)務(wù)院第412號(hào)令）

（3）《防雷減災(zāi)管理辦法》（中國(guó)氣象局第20號(hào)令）

（4）《防雷工程專業(yè)資質(zhì)管理辦法》（中國(guó)氣象局第22號(hào)令）

（5）《防雷裝置設(shè)計(jì)審核和竣工驗(yàn)收規(guī)定》（中國(guó)氣象局第21號(hào)令）

（6）《湖北省氣象災(zāi)害防御條例》

（7）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010

（8）《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GBS0343-2012

（9）《建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50601-2010

3.3防雷工程設(shè)計(jì)方案

3.3.1直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)。五峰煙草公司辦公樓高十三層，層高約50.0米，寬25米，長(zhǎng)35米。屬一般建筑物，根據(jù)重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，經(jīng)計(jì)算年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于國(guó)家防雷規(guī)范中關(guān)于建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.333次，年，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010第3.0.4第三款，應(yīng)劃為第三類防雷建筑物。現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)直擊雷防護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)和金屬爬梯上方接閃帶安裝不完整，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。建議在屋脊北側(cè)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(shè)接閃帶規(guī)格應(yīng)為鍍鋅圓鋼18mm²。接閃帶需先調(diào)直后安裝。接閃帶需就近利用結(jié)構(gòu)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(dòng)通訊接收發(fā)射天線、廣告牌未做等電位連接處理，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。建議利用圓鋼將移動(dòng)通訊接收發(fā)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(zhǎng)度不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)建筑物防雷規(guī)范的滾球法進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)主筋做引下線，采用綁扎、螺紋連接或焊接。

3.3.2閃電感應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。五峰煙草公司辦公樓防雷分類歸為三類，但是建筑物內(nèi)數(shù)據(jù)交換中心內(nèi)俱有先進(jìn)的光纖專線數(shù)字通訊系統(tǒng)、UPS、路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器及計(jì)算機(jī)等設(shè)備價(jià)格昂貴，包括內(nèi)部局域網(wǎng)等這些現(xiàn)代化微電子設(shè)施，重要性高，也應(yīng)采取閃電感應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。

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

機(jī)房的機(jī)柜交換機(jī)前端安裝網(wǎng)絡(luò)信號(hào)避雷器一臺(tái)。根據(jù)上部分圖2.4可知正地閃雷電流強(qiáng)度高達(dá)201.0KA，由于雷擊的能量是非常大的，需要通過分級(jí)泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。

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

小結(jié)：雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一，其危害性雖大，但可以預(yù)防。只有嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家防雷規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計(jì)、精心施工，才能最大限度地預(yù)防和減少項(xiàng)目所在地雷擊事故的發(fā)生，任何單位和個(gè)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(xiàng)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(xiàng)目所在地的氣候特征背景，探討雷電活動(dòng)對(duì)防雷工程設(shè)計(jì)方案的影響，最終給出了優(yōu)化的防雷工程設(shè)計(jì)方案。作為一份完整的工程案例，值得借鑒。另外，進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有待繼續(xù)研究。