農(nóng)村防雷工程實(shí)施方案的可行性研究

莊嘉 楊宗凱 吳永斌

[摘要]自2011年以來，云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心已連續(xù)7年開展農(nóng)村防雷示范工程建設(shè)，并在當(dāng)?shù)厝〉昧艘欢ǖ纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)效益。以鳳慶縣新林村防雷示范工程為例，分析說明在農(nóng)村防雷工程中，如何根據(jù)農(nóng)村實(shí)際情況，針對(duì)其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的方案，最大程度減少雷電對(duì)農(nóng)村的危害并有效規(guī)避二次雷害。從該村的雷災(zāi)特性、所處地形地貌、氣象條件、民居分布和基礎(chǔ)設(shè)施等實(shí)際情況出發(fā)，分析傳統(tǒng)雷電防護(hù)方法應(yīng)用于該村的局限性，提出應(yīng)以區(qū)域防雷的理念來進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，方可滿足防護(hù)要求，并對(duì)具體設(shè)計(jì)思路及實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。同時(shí)結(jié)合云南省復(fù)雜豐富的地形地貌，對(duì)其它地貌環(huán)境下農(nóng)村民居的分布特點(diǎn)予以概述，并提出相應(yīng)的防雷設(shè)計(jì)思路。

[關(guān)鍵詞]防雷工程；區(qū)域防雷；農(nóng)村雷電防御；地勢(shì)地貌；二次雷害

[中圖分類號(hào)]X43 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

云南省地處西南邊陲，屬于低緯高原山地地形，盆地、河谷、丘陵，低山、中山、高山交相分布，地形地貌復(fù)雜，大部分地區(qū)雷暴高發(fā)，每年均有相當(dāng)數(shù)量的雷電災(zāi)害發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：云南省雷擊造成人員傷亡一項(xiàng)，大部分發(fā)生在廣大農(nóng)村。本文以鳳慶縣新林村防雷示范工程為例，著重針對(duì)不同地貌環(huán)境下，農(nóng)村防雷工程實(shí)施方案的可行性進(jìn)行研究，為農(nóng)村雷電防御提供參考，合理的進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，減少雷電對(duì)農(nóng)村的危害。

1 新林村防雷工程分析

云南省鳳慶縣新林村，地處鳳慶縣西北部，境內(nèi)山丘連綿，氣候?qū)俚途暥雀咴瓉啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，受印度西南季風(fēng)和東亞季風(fēng)交匯以及當(dāng)?shù)氐匦蔚挠绊?，雷暴等?zāi)害性天氣頻發(fā)。民居延山脊上一條鄉(xiāng)村公路進(jìn)行分布（見圖2），多為土木和磚混結(jié)構(gòu)，且未安裝任何防雷設(shè)施。農(nóng)作物以茶葉為主，民居周圍遍布茶田。多年來，由于防雷設(shè)施的缺乏，以及當(dāng)?shù)卮迕駥?duì)雷電的認(rèn)識(shí)不足和對(duì)防雷避險(xiǎn)知識(shí)的匱乏，而頻受雷擊侵?jǐn)_，擊傷擊死村民的事故時(shí)有發(fā)生。

根據(jù)新林村雷災(zāi)的特性，應(yīng)將保障村民的生命安全置于首位，而雷電的直接危害是威脅村民生命安全的最主要因素。因此，要著重考慮加強(qiáng)人員活動(dòng)頻繁、易遭雷擊場所及區(qū)域的雷電防護(hù)。根據(jù)彭啟洋、熊長錚統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，以下兩個(gè)區(qū)域應(yīng)作為首要考慮對(duì)象。

——房、廊、亭內(nèi)等有遮蓋的建筑物，這類建筑物雷雨天村民常聚集于此，雷擊易造成群死群傷事件。

——田間地頭、空曠地帶等戶外區(qū)域，該區(qū)域大多為村民日間勞作所在，雷暴來時(shí)，因無法及時(shí)躲避或躲避方法不當(dāng)而造成雷擊傷亡事件，根據(jù)多年雷災(zāi)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域?yàn)檗r(nóng)村雷災(zāi)人員傷亡次數(shù)最多的區(qū)域。

此外，在進(jìn)行雷電防護(hù)的同時(shí)，還要考慮避免防雷設(shè)施帶來的跨步電壓、旁側(cè)閃絡(luò)、接觸高電壓等二次雷害。

通常情況下，建筑物防雷參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2010）、《農(nóng)村民居雷電防護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50952-2013）等相關(guān)防雷技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，采取以下2種方法。

方法1：為建筑物增設(shè)接閃帶、接閃桿等防雷裝置；

方法2：通過滾球法計(jì)算，在其周邊附近豎立接閃塔，使保護(hù)對(duì)象處于接閃塔的保護(hù)范圍之內(nèi)。

然而，由于新林村的現(xiàn)狀及分布特點(diǎn)，存在以下局限：

——施工難、耗資大。方法1一般為建筑物防雷首選，然而新林村民居住宅大多為土木、磚混結(jié)構(gòu)，接閃帶等防雷裝置基本無法進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，甚至安裝后可能帶來新的雷擊隱患。若采用方法2，由于接閃塔保護(hù)范圍和安全距離的要求限制，以及農(nóng)村地勢(shì)復(fù)雜、民居分布多樣，同時(shí)還需考慮土地占用等其他經(jīng)濟(jì)問題，接閃塔選址比較困難，對(duì)于新林村這樣民居相對(duì)分散的村莊，若要對(duì)其實(shí)施保護(hù)，所需的資金量是比較巨大的。

——風(fēng)險(xiǎn)高。由于接閃塔散擊區(qū)的存在，豎立于村內(nèi)或村邊的接閃塔，除了保護(hù)了有限的民居建筑活動(dòng)區(qū)域，卻讓部分民居及村民活動(dòng)區(qū)域處于其散擊區(qū)內(nèi)，增加了遭雷擊的概率。此外，由于村民雷電知識(shí)缺乏，對(duì)防雷裝置認(rèn)識(shí)不夠，接閃塔、接閃帶設(shè)立于村內(nèi)有可能因?yàn)榇迕竦牟划?dāng)行為，如：攀爬塔桿，搭曬晾衣桿、線路以及雷雨天氣在塔桿、引下線附近逗留等，造成不必要的二次雷害。

因此，傳統(tǒng)的建筑物防雷措施對(duì)于新林村的現(xiàn)狀并不適用。根據(jù)以往農(nóng)村防雷示范工程的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)及效果，在農(nóng)村防雷電防護(hù)上，應(yīng)采取區(qū)域防雷的理念，才能達(dá)到良好的防雷效果，減少二次雷害的發(fā)生，即：根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村及其周邊地形地貌，綜合考慮雷暴活動(dòng)的路徑規(guī)律和雷擊選擇性，在其周邊附近區(qū)域適當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)一定數(shù)量的獨(dú)立接閃塔，通過接閃塔的引雷特性，提前將雷暴接閃入地，削弱雷云的電荷能量，從而減弱、減少雷擊強(qiáng)度和頻率，保護(hù)村莊免受雷電危害。同時(shí)，由于接閃塔的設(shè)置地點(diǎn)大多遠(yuǎn)離人員活動(dòng)區(qū)域，有效減少了二次雷害的發(fā)生。

2 新林村雷電防護(hù)思路

以區(qū)域防雷的理念為基礎(chǔ)，針對(duì)新林村的地形地貌，以及村民的活動(dòng)區(qū)域，以經(jīng)濟(jì)適用為原則，確定建設(shè)3座防雷接閃塔，1座防雷避險(xiǎn)亭，并完善部分建筑物的防雷設(shè)施。具體防雷設(shè)計(jì)思路如下。

2.1 確定接閃塔位置

2.1.1 查詢當(dāng)?shù)貧庀筚Y料。該村所處地區(qū)受西南夏季風(fēng)影響，雨季盛行風(fēng)向以西風(fēng)、西南風(fēng)為主，根據(jù)云南省ADTD閃電定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，新林村周圍地閃次數(shù)以村莊以南居多（見圖1）。

2.1.2 勘查當(dāng)?shù)氐孛布懊窬臃植?。新林村所在地多為中山，相?duì)高度低于500 m，為小起伏中山地貌，山勢(shì)對(duì)雷云走向不會(huì)產(chǎn)生太大影響，接閃塔的布置方位應(yīng)更多的考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件。村莊建于山脊上，延山脊成東西走向狹長分布，四周山丘較多，接閃塔應(yīng)選擇建于周圍較高山丘上（制高點(diǎn)）方能達(dá)到更好的引雷截閃效果。同時(shí)不宜布置于田地、茶地等農(nóng)耕地內(nèi)，并且應(yīng)距離人員行走的道路3m以上，防止其引發(fā)二次雷害。

2.1.3 確定安置范圍。流動(dòng)的雷云經(jīng)接閃塔接閃放電后變?yōu)橹行缘脑茍F(tuán)向下風(fēng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，而未經(jīng)中和的側(cè)面帶電云團(tuán)將在對(duì)流和靜電力作用下向中性云團(tuán)中擴(kuò)散離子，這一過程的時(shí)間和距離與風(fēng)速有關(guān)，并在大氣電場未達(dá)空氣放電臨界值500 kV·cm-1以前不會(huì)產(chǎn)生新的閃擊。初略估計(jì)，雷云放電后最少需經(jīng)二十幾秒以后才可能產(chǎn)生新的閃擊，通過查詢當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料，附近雷雨天氣的風(fēng)速大致在3～20m·s-1，以5m·s-1居多，接閃塔的布置位置應(yīng)距離村莊50～100m內(nèi)為宜。

綜上所述，接閃塔的布置方位應(yīng)以村莊以西和以南為主，并根據(jù)民居分布延西向東布設(shè)。根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇在村莊西南面和南面100 m范圍內(nèi)的山丘上分別布設(shè)接閃塔1#和接閃塔2#，對(duì)來自西面和西南面的雷暴進(jìn)行截閃，然后在村莊南面100 m范圍內(nèi)的一座孤立土丘上布設(shè)接閃塔3#，與接閃塔2#和此處1座距村莊約50 m，近40 m高的通信鐵塔共同組成村莊南面的雷電防御屏障（圖2）。

2.2 接閃塔設(shè)計(jì)

接閃塔的高度可根據(jù)當(dāng)?shù)睾０胃叨群桶惭b地形環(huán)境來確定；接閃塔應(yīng)掛設(shè)“雷電危險(xiǎn)，請(qǐng)勿靠近”等警示牌，有條件的情況下，宜在其3 m范圍外布設(shè)隔離護(hù)欄，防止有人攀爬和靠近；接閃塔的接地電阻值不宜高于10Ω，若土壤電阻率過高，則可適當(dāng)放寬限制；若其選址無法避免的置于農(nóng)耕地內(nèi)，則其接地體應(yīng)做好絕緣和均壓，防止對(duì)周邊村民產(chǎn)生二次雷害。

根據(jù)新林村接閃塔的安置環(huán)境，接閃塔的高度定為20m即可，由于環(huán)境限制，無法在其3m范圍外布設(shè)隔離護(hù)欄，因此在塔體距離地面2.7m的高度范圍內(nèi)敷設(shè)了防護(hù)柵欄（圖3）。其中，接閃塔2#由于環(huán)境限制，不可避免的安置于茶地之中，而接閃塔3#距離民居建筑A入口較近。為防止二次雷害，接閃塔2#接地體的設(shè)計(jì)采用半徑為5m的環(huán)形地網(wǎng)進(jìn)行埋設(shè)，埋設(shè)深度為1m；接閃塔3#的接地體則延北面進(jìn)行埋設(shè)。

2.3 確定避險(xiǎn)亭位置

防雷避險(xiǎn)亭宜選擇在易遭雷擊、周圍無有效避雨場所、村民來往停留較多的地點(diǎn)進(jìn)行安置。如空曠農(nóng)田區(qū)，道路結(jié)合區(qū)等地。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，考慮到當(dāng)?shù)夭枞~地廣闊，村民外出采茶頻繁，最終確定在村民采茶回村道路的交匯處布設(shè)了1座防雷避險(xiǎn)亭（圖2），供來往村民避雨防雷。

2.4 防雷避險(xiǎn)亭的設(shè)計(jì)

防雷避險(xiǎn)亭參考《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）中第三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，以簡潔實(shí)用為主，外觀宜兼顧當(dāng)?shù)丨h(huán)境和建筑風(fēng)格?；A(chǔ)采用水平網(wǎng)格設(shè)計(jì)，接地體采用環(huán)形地網(wǎng)進(jìn)行埋設(shè)，以防止二次雷害的發(fā)生。在迎風(fēng)面砌設(shè)墻壁，一可遮風(fēng)擋雨，二可安掛防雷科普宣傳資料，增加宣傳效果（圖4）。

2.5 部分建筑物防雷設(shè)施的完善

圖2中，建筑物B為新建的茶莊，處于區(qū)域防護(hù)范圍之外，由于其為鋼混結(jié)構(gòu)，且基礎(chǔ)實(shí)測(cè)接地電阻值僅為8.9Ω，因此在其屋面敷設(shè)接閃帶并與2根接地柱筋做可靠連接即可達(dá)到良好的防直擊雷效果。

2.6 防雷電感應(yīng)設(shè)計(jì)

由于項(xiàng)目資金有限，雷電感應(yīng)的防護(hù)重點(diǎn)考慮村中電器設(shè)備放置集中、價(jià)值及重要程度較高的建筑。根據(jù)新林村情況，該建筑確定為村委會(huì)辦公樓，結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)在村委會(huì)的總電源進(jìn)線端及各分配電源進(jìn)線端處各安裝1組電源SPD，形成電源線路2級(jí)電涌防護(hù)。在其應(yīng)急值班室通訊設(shè)備前端安裝1組信號(hào)SPD，以防止感應(yīng)雷電波對(duì)應(yīng)急通訊設(shè)備的侵入。后續(xù)還將在該村的總進(jìn)線端和各個(gè)民居的進(jìn)線端處安裝電源SPD，形成至少2級(jí)防護(hù)，以防止感應(yīng)雷電波對(duì)各民居用電設(shè)備造成損壞。

3 其他民居分布方式的防雷實(shí)施方案

3.1 云南省村落民居分布方式

上述新林村防雷工程為“波濤型”地貌的典型案例，此類型包含處于丘陵，小、中起伏山地區(qū)域的農(nóng)村民居，地勢(shì)高低起伏，形如波濤。受地形限制，很難找到面積較大的平地來建設(shè)居民點(diǎn)，農(nóng)村民居大多延一條山坡、一條公路、一條河流來建造房屋。此類型在滇東、滇中、滇西南均比較常見，是云南省農(nóng)村最常見、最廣泛的分布方式。除此之外，云南省的村落民居依據(jù)山勢(shì)地形，大致還存在以下3類分布方式：

——盆地型。在盆地、臺(tái)地等地勢(shì)較平坦區(qū)，大小居民點(diǎn)往往集中于一處，布局緊湊，用地節(jié)約，形成較大的人員聚集中心，這樣的村落相對(duì)較富裕，基礎(chǔ)設(shè)施較好，該類型在云南農(nóng)村中占少數(shù)。

——大起伏型。在大起伏山地區(qū)域，農(nóng)村民居受地形限制極大，所建民居大多延山谷、峽谷走向進(jìn)行分布，此類型在滇西北地區(qū)較為常見。

——不規(guī)則型。有的村民為便于耕作，在自己的耕作田地附近來建造房屋，或高或低，呈現(xiàn)滿天星式不規(guī)則分布：

3.2 不同分布方式的設(shè)計(jì)思路

不同的地勢(shì)地形，也要針對(duì)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的方案。其區(qū)別主要在于閃電攔截方面。設(shè)計(jì)思路如下。

——盆地型。針對(duì)該類型民居集中的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)查詢當(dāng)?shù)乩妆┗顒?dòng)的路徑規(guī)律，在雷暴來向上（通常為當(dāng)?shù)叵募撅L(fēng)盛行方向），村莊的上風(fēng)方安裝一定數(shù)量的獨(dú)立接閃塔。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施較好，樓層較高的民居建筑，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范完善接閃帶等防直擊雷裝置。應(yīng)當(dāng)注意的是：村莊范圍內(nèi)，應(yīng)盡量避免使用接閃塔。

——大起伏型。該類型山勢(shì)過高，雷云往往從峽谷的進(jìn)風(fēng)口涌入，因此，應(yīng)著重布置接閃塔在峽谷的進(jìn)風(fēng)口較高處。

——不規(guī)則型。該類型由于民居過于分散，且基礎(chǔ)設(shè)施通常較差，通過依靠建設(shè)接閃塔等方式來進(jìn)行雷電防護(hù)，其“性價(jià)比”太低，考慮到該類型農(nóng)田廣闊，因此資金的投入應(yīng)著重放在防雷避險(xiǎn)亭的布設(shè)上。

此外，若戶外農(nóng)田分布較廣，周圍無安裝有效防雷裝置的建筑物，應(yīng)考慮在適當(dāng)位置布設(shè)一定數(shù)量的防雷避險(xiǎn)亭供附近村民避雨防雷。

4 結(jié)語

（1）農(nóng)村防雷設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)乩诪?zāi)特性、氣象環(huán)境、地形地貌、民居分布、基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)弱等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際，因地制宜，方能設(shè)計(jì)出合理有效的方案，利用有限資源最大程度上減少雷電對(duì)農(nóng)村的危害；

（2）部分防雷設(shè)施本身起著引雷的作用，若不根據(jù)實(shí)際情況而盲用和濫用，不僅耗財(cái)耗力，且達(dá)不到預(yù)期的效果，反而還會(huì)造成不必要的傷亡和損失；

（3）大部分農(nóng)村建筑基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，傳統(tǒng)的防雷措施可能并不適用，而“區(qū)域防雷”的理念為有效的解決途徑，且早有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們應(yīng)加強(qiáng)研究，使其完善規(guī)范化；

（4）部分村民雷電知識(shí)缺乏，防雷避險(xiǎn)意識(shí)淡薄，在完善相應(yīng)防雷設(shè)施的同時(shí)，也應(yīng)加大對(duì)村民雷電基礎(chǔ)知識(shí)及防災(zāi)避險(xiǎn)常識(shí)的宣傳教育，有效規(guī)避因避雷行為不當(dāng)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

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