瓜州地區(qū)地閃活動特征分析及雷電防御對策

王惟晨 張澄

（酒泉市氣象局 甘肅酒泉 735000）

雷電是出現(xiàn)于地球大氣中的聲、光、電等物理現(xiàn)象，閃電出現(xiàn)瞬間的最大釋放電流可達到數(shù)十千安培，甚至數(shù)百千安培，在放電瞬間，閃電流形成的巨大破壞力和電磁脈沖干擾對人類的生產(chǎn)活動造成了極大影響。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上每天出現(xiàn)的雷電超過百萬次，因此，閃電災(zāi)害已被列為“十大自然災(zāi)害”之一［1-6］。

瓜州縣隸屬于甘肅省酒泉市，地處河西走廊的最西端，東西長185km，南北寬約220km，地理位置在北緯39°53′～41°53′、東經(jīng)94°45′～97°00′之間，海拔高度介于1060～2000m 之間。2012 年，瓜州縣委、縣政府為促進全縣的經(jīng)濟發(fā)展，委托陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院、陜西東西部經(jīng)濟研究院，聯(lián)合編制完成了《酒泉現(xiàn)代資源綜合利用產(chǎn)業(yè)園總體規(guī)劃（2011-2030）》，并確定了“一區(qū)三園”的工業(yè)發(fā)展格局模型?！耙粎^(qū)”即瓜州工業(yè)生產(chǎn)聚集區(qū)，“三園”包括北大橋裝備制造與農(nóng)副產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)園、柳園高載能產(chǎn)業(yè)園、柳溝綜合物流產(chǎn)業(yè)園。2020 年，瓜州縣對原有規(guī)劃中根據(jù)產(chǎn)業(yè)特性，以及依據(jù)國家、部委和甘肅省對化工園區(qū)建設(shè)認定標準的有關(guān)規(guī)定作出了優(yōu)化、調(diào)整。目前，“一區(qū)三園”的工業(yè)布局模式已成為瓜州縣對外開放的重要平臺和經(jīng)濟跨域發(fā)展重要載體。

瓜州縣屬典型的大陸性氣候區(qū)，其主要特征為降水少、蒸發(fā)大、光照時間長［7］。相對于我國同緯度的東部地區(qū)而言，雖然瓜州雷電發(fā)生次數(shù)較少、雷電災(zāi)害相對較弱，但是，介于雷電災(zāi)害對地方經(jīng)濟發(fā)展造成的巨大危害而言，能夠準確把握瓜州地區(qū)地閃活動規(guī)律，規(guī)避雷擊風險，減少或避免人員傷亡及經(jīng)濟損失，做到未雨綢繆是必要的，也是必需的。同時，通過科學(xué)分析瓜州地區(qū)地閃活動特征，可以更好地對瓜州地區(qū)雷電災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報和災(zāi)害防御工作提供理論依據(jù)［8-9］。

1 資料來源

本文資料數(shù)據(jù)主要收集自酒泉市氣象局觀測站1981—2010 年歷史氣象整編資料，閃電定位數(shù)據(jù)來源于酒泉市各縣區(qū)2013—2020年的逐日地閃數(shù)據(jù)，閃電定位系統(tǒng)工作范圍大，探測范圍廣［10］。

2 地閃活動分析

2.1 概況

通過氣象資料分析，瓜州地區(qū)一年中地閃活動主要發(fā)生在4～10 月之間，其中，6、7、8 月份為雷電多發(fā)期。通過1981—2010年的氣象歷史資料發(fā)現(xiàn)，每年的冬季未出現(xiàn)地閃活動，即1、2、3、11、12 月份未有雷暴日記錄，這與瓜州地區(qū)冬季干旱的氣候特征相符。

2.2 時間特征

2.2.1 年變化

分析2013—2020年的年際變化，瓜州地區(qū)地閃活動大體呈如下趨勢。2019年地閃次數(shù)最多，達268次；2018 年地閃次數(shù)為126 次；2017 年地閃次數(shù)為52 次；2016 年地閃次數(shù)為21 次；2015 年地閃次數(shù)為53 次；2014 年地閃次數(shù)為136 次；2013 年地閃次數(shù)為26 次；而2020年地閃次數(shù)最少，達到近年來的最低值。從統(tǒng)計情況來看，2013—2019 年地閃次數(shù)呈明顯增長趨勢，限于數(shù)據(jù)統(tǒng)計年份有限，不排除以后年份地閃次數(shù)下降的變化（見圖1）。

圖1 瓜州地區(qū)地閃回擊年變化特征

2.2.2 月變化

由2013—2020 年地閃頻次月變化（見圖2）可知，上半年地閃活動從4 月開始逐月增加，7 月達到頂峰，9 月后地閃逐漸減少，4 月有零星地閃活動，1、2、3、10、11、12 月未有明確地閃記錄。瓜州地區(qū)的地閃活動主要出現(xiàn)在對流性天氣活躍的5～8 月，春秋季較少，冬季則幾乎不出現(xiàn)。8月以后，地閃活動雖然相對減少，雷暴天氣的概率降低，但仍有地閃發(fā)生的可能性。

圖2 瓜州地區(qū)地閃回擊月變化特征

2.2.3 日變化

經(jīng)過對2013—2020年閃電數(shù)據(jù)分析可知，瓜州地區(qū)地閃日變化呈右偏態(tài)分布，第一波明顯的峰值出現(xiàn)在傍晚17～18時左右，第二波峰值出現(xiàn)在21時左右，其余時間地閃活動較少（見圖3）。因此，在具體的雷電防護工作中，應(yīng)當密切關(guān)注兩個地閃峰值區(qū)域的閃電活動。

圖3 瓜州地區(qū)地閃回擊日變化特征

2.3 空間特征

2.3.1 地閃電流強度

分析2013—2020 年數(shù)據(jù)可知，瓜州地區(qū)7 月累計雷電回擊次數(shù)最多超過為235次；5月平均雷電流強度為37.5kA，為全年最高均值；5月出現(xiàn)最大雷電流強度為316.6kA，6月出現(xiàn)最小雷電流強度為5.7kA；1～3月、10～12月無地閃回擊記錄（見表1）。

表1 2013-2020 年瓜州地區(qū)地閃逐月雷電流統(tǒng)計表

2.3.2 地閃密度

參照閃電定位儀數(shù)據(jù)，將雷電流強度分為4 個等級，即0＜I≤30kA、30＜I≤50kA、50＜I≤100kA 及I＞100kA，利用云地閃回擊數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到雷電流強度分布概率圖（見圖4）。瓜州地區(qū)所在地發(fā)生的云地閃回擊雷電流強度：0～30kA 占地閃數(shù)量的58%，30～50kA占地閃數(shù)量的25%，50～100kA 占地閃數(shù)量的14%，100kA以上的雷電流占3%。

圖4 瓜州地區(qū)雷電流強度分布概率

3 雷電防御對策

3.1 防直擊雷

（1）盡量使用建筑本身的結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)制作防雷設(shè)備引下線，而對外露引下線宜通過穿絕緣管套（如厚度≥3mm的交聯(lián)聚乙烯管）等方法進行。

（2）使用建筑物的基礎(chǔ)或鋼筋大直徑網(wǎng)絡(luò)用作接地設(shè)備，在安裝人工接地設(shè)備時，盡可能設(shè)定為呈環(huán)形輻射的形式，并與其附近20m 以內(nèi)的其他接地設(shè)備進行≥2處相同的等電位連接［11］。

（3）房屋周邊應(yīng)選擇瀝青水泥地或其他高電阻材料。在雷雨天氣時，應(yīng)防止地面積水。如附近因綠化設(shè)施或其他因素不可避免有裸露土地的，需配備相應(yīng)的指示牌，提示行人雷雨天氣切勿在此避雨逗留。

（4）防直擊雷的人工接地體距房屋出入口及人行道間距不應(yīng)小于3m，在小于3m時，宜采取一些防止跨步電壓的保護措施。水平接地體局部深埋不應(yīng)小于1m，水平接地體局部應(yīng)包絕緣層（可選用50～80mm 厚的瀝青層），使用水泥瀝青碎石地，或在接地體上部鋪設(shè)50～80mm 厚的瀝青面等，鋪設(shè)尺寸應(yīng)超過接地體2m。

（5）在防雷設(shè)備引下線處設(shè)置帶有防雷標志的測試點，并在其周圍設(shè)置避免行人接近的警示牌。

（6）路燈燈桿總高在4.00m 之上時（含4.00m），應(yīng)當選擇接閃，但不能使用道路照明玻璃罩當作接閃器，但其金屬燈罩可以用作接閃器。

（7）在使用金屬燈桿及照明燈塔時，可直接使用燈桿自身作為防雷引下線。在對燈柱和燈塔支柱使用鋼筋混凝土連電桿時，則可直接使用在其內(nèi)的至少2 根管徑≥Φ12的結(jié)構(gòu)鋼筋做引下線；在無法直接使用其結(jié)構(gòu)鋼筋做引下線時，則須另行敷設(shè)引下線，并遵守《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057-2010）的相關(guān)規(guī)定［12］。

（8）道路燈具的鋼籠在-0.50m 以下，其鋼筋表面積大于0.37m2時，可用作防雷接地體，否則，需安裝人工接地極。人工的垂直接地極選用熱鍍鋅角鋼，垂直于接地極尺寸一般為∠50mm×50mm×5mm，長度為2.5m。要求人工的垂直接地極與基礎(chǔ)防雷接地體鋼筋籠牢固焊接，基礎(chǔ)防雷接地體鋼筋籠的鋼筋應(yīng)互相焊接，并與路燈地腳的螺栓可靠焊接。路燈基礎(chǔ)防雷接地阻值不應(yīng)大于10Ω，若大于10Ω的，可增加人工接地體至達到要求為止。

（9）當使用TN-S接地制式時，若PE線≥16mm2時，可以直接使用PE線當作同一線路路燈等電位連線，否則，應(yīng)用一根Φ12 熱鍍鋅圓鋼當作相同線路路燈等電位連線。

（10）在使用TT供電的連接制式時，設(shè)備保護連接線宜就近連接在路燈的基礎(chǔ)接地裝置上，此時，單個路燈基礎(chǔ)接地裝置接地電阻值應(yīng)≤4Ω，否則，要適當增設(shè)人工的垂直連接體。

3.2 防閃電電涌侵入

為了防止閃電電涌進入，在建筑的地面層處，建筑金屬主體、金屬設(shè)備、建筑內(nèi)系統(tǒng)、出入建筑的金屬管道等應(yīng)當與雷電防護裝置做防雷等電位連接，外墻里、外側(cè)豎直敷設(shè)的金屬管或金屬體的頂部和底部應(yīng)與雷電防護裝置等電位連接。

除了以上的防護措施外，外部雷電防護裝置與建筑的金屬主體、金屬設(shè)備、建筑內(nèi)系統(tǒng)間還應(yīng)符合間距的規(guī)定。

3.2.1 屏蔽

為減少雷擊電磁脈沖干擾，本工程建筑物應(yīng)采取如下屏蔽措施。

（1）建筑的空間屏蔽一般采用建筑的金屬材料構(gòu)架、鋼筋混凝土中的鋼筋、金屬材料墻體、金屬材料房頂與雷電防護裝置結(jié)合，形成格柵的大空間屏障。

（2）任何與建筑物組合在一起的大規(guī)格金屬均應(yīng)當以等電位方式連接在一起，并應(yīng)當與雷電防護裝置相連接。

（3）在需要防護的空間里，當使用屏蔽電纜時，其遮蔽層應(yīng)至少在兩頭，并宜在防雷區(qū)交匯處做等電位連接。當系統(tǒng)需要只在一頭做等電位連接時，宜使用內(nèi)兩層遮蔽或穿管方式敷設(shè)，而外層遮蔽或管道則最少在兩頭，并宜在防雷區(qū)交匯處做等電位連接。

（4）分隔的構(gòu)筑物間的聯(lián)系，如無遮蔽層，線路宜鋪設(shè)于管道、金屬格柵和鋼筋成格柵狀的混凝土管道內(nèi)。金屬管、金屬格柵或鋼筋格柵等從一端到另一端都應(yīng)由導(dǎo)電管貫穿，且應(yīng)在兩端分別連接到建筑物的等電位連接帶上。如有屏蔽層，則屏蔽層的兩端都應(yīng)接到建筑的等電位連接帶上。

（5）對以金屬物、金屬框架或鋼筋混凝土等自然結(jié)構(gòu)所組成建筑或房間的格柵形大空間屏蔽，可使穿入大空間屏蔽的導(dǎo)電金屬體就近與其進行等電位連接。

3.2.2 等電位連接

（1）所有進入到建筑物的外部導(dǎo)電物體都須在LPZ0A 或LPZ0B 與LPZ1 區(qū)之間的界面部做等電位連接。當外部導(dǎo)電物體、電氣和電子系統(tǒng)的線路從不同地點進入到建筑物內(nèi)部時，應(yīng)設(shè)有多個等電位連接帶，并應(yīng)使之就近連接到在環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體或電氣上相通或相連在接地體或基本連接體的鋼筋上。環(huán)形接地體和內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體宜直接連接在鋼筋或金屬立面等其他屏蔽構(gòu)件上，應(yīng)每隔5m連接一次。

（2）建筑內(nèi)的所有設(shè)備外露可導(dǎo)電部位與設(shè)施外可導(dǎo)電部位均保證可靠接地，金屬電纜橋架、金屬線路、金屬支架、穿線鋼管、電梯鋼軌、水暖管線及各種金屬設(shè)備機殼等均應(yīng)接地。

（3）各接地端子板均宜設(shè)置在易于安裝和檢查的地方，但嚴禁設(shè)置在受潮或有腐蝕氣體及容易被機器損壞的地方。等電位接地端子板的連接處應(yīng)當符合機械設(shè)備強度和電氣設(shè)備工作連續(xù)性的規(guī)定。

（4）預(yù)留接線端子設(shè)置應(yīng)符合以下規(guī)定：宜按照出入管道的具體安裝位置，留出管線接地端子。強電井、弱電井之間應(yīng)每層預(yù)留出接地端子。電梯井在樓梯底坑內(nèi)預(yù)留出接地端子，中間宜每隔30m 應(yīng)進行等電位連接。主要裝置都應(yīng)有設(shè)備的接地預(yù)留端子，并按照接地要求設(shè)有匯流排或環(huán)形接地母線。在用電設(shè)施比較集中的場所，都應(yīng)該設(shè)置電氣接地預(yù)留端子，供設(shè)備、SPD 接地及等電位連接之用?？偱潆婇g和各層配電箱處也都應(yīng)該設(shè)計接地預(yù)留端子。

3.2.3 合理布線

為防止在線路敷設(shè)中形成較大的環(huán)路，從而導(dǎo)致由于環(huán)路感應(yīng)產(chǎn)生過高的過電壓（流）而損傷設(shè)備，選用合理的布線方法，才能盡量避免出現(xiàn)較大的感應(yīng)環(huán)路。

（1）各種電力電纜、通信信號電纜、控制電纜等敷設(shè)時，宜避免防雷引下線等LEMP過強的地區(qū)，若無法完全避免時，宜采取屏蔽措施。

（2）出入建筑的電力線、通信線和傳輸線均應(yīng)通過屏蔽電纜的埋地方式敷設(shè)。電纜屏蔽層應(yīng)在兩端接地；長度小于15m的屏蔽電纜則只在室內(nèi)接地；使用非屏蔽電纜的，應(yīng)穿金屬管埋地敷設(shè)。

（3）豎向布線宜選擇電纜井的敷設(shè)方法；水平布線時，應(yīng)采取線纜夾層鋪設(shè)方法。為減少干擾，應(yīng)依據(jù)情況，分層分區(qū)設(shè)定電纜橋架或匯線槽，使電力電纜和通信、信號、控制等弱電線纜分開敷設(shè)［13］。

（4）電纜在同一個通道中或位于同側(cè)的多層支架上敷設(shè)時，應(yīng)按電壓等級從高至低的電力電纜、強電至弱電的控制線纜的順序排列。在條件受限制時，1kV及以下的電力電纜也可與強電控制電纜敷設(shè)在同一層支架上。金屬電纜支架應(yīng)有可靠的電氣連接并良好接地。

3.2.4 安裝電涌保護器（SPD）

（1）低壓配電系統(tǒng)電源線路應(yīng)配置多級電涌防護器（SPD）。在選用電源SPD 時，要注意與SPD 的協(xié)調(diào)搭配，并選用低殘壓的SPD。SPD連接導(dǎo)線應(yīng)當平直，其長度不應(yīng)大于0.5m。當電壓開關(guān)型SPD 與限壓型SPD 中間的線路長度小于10m、與限壓型SPD 間的線路長度小于5m時，應(yīng)在兩級SPD間安裝退耦設(shè)備。當SPD 具備能量自動配合功能時，SPD 間的線路長度將不受限制［14］。

（2）在弱電系統(tǒng)引入端，應(yīng)由專業(yè)公司安裝適配的信號SPD，它將按照電路的實際工作頻率、傳輸介質(zhì)、特性阻抗等參數(shù)，選擇電壓駐波比和插入損失小的適配SPD。

（3）設(shè)計安裝的SPD 產(chǎn)品應(yīng)按有關(guān)法規(guī)規(guī)定辦理備案手續(xù)，SPD產(chǎn)品的安裝方必須具有相應(yīng)的資質(zhì)。

4 結(jié)語

通過對瓜州地區(qū)地閃活動特征分析，提出雷電防御對策，可為今后瓜州地區(qū)新、改、擴建項目的雷電災(zāi)害預(yù)警工作提供科學(xué)的防護依據(jù)。對各類建設(shè)項目可能存在的雷電風險因素進行識別，防患于未然，既滿足了安全生產(chǎn)的要求，也體現(xiàn)了“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的理念。