涼山彝族自治州山區(qū)煙葉收購站綜合防雷措施研究

袁繼昌 李兵 陳倩 王曉鵬

摘要 涼山彝族自治州是重要的優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)和現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)試點地區(qū)，具有得天獨厚的光熱、水土資源等自然優(yōu)勢，烤煙生產(chǎn)是經(jīng)濟支柱之一。為了便于煙葉的收購和臨時存儲，煙草公司在全州范圍內(nèi)，尤其是交通不便的山區(qū)修建了煙葉收購站，但氣候因素和地理因素的影響使得煙葉收購站易遭雷擊，極大地威脅了相關人員的生命安全和煙葉倉庫的安全。基于此，分析了涼山州山區(qū)煙葉收購站易遭雷擊的氣候和地理因素，以及涼山州山區(qū)煙葉收購站概況，探討了涼山州山區(qū)煙葉收購站的年預計雷擊次數(shù)、防雷類別、危害種類，研究了涼山州山區(qū)煙葉收購站直擊雷防護設計和感應雷防護設計。

關鍵詞 山區(qū)煙站；防雷設計；雷電高發(fā)期

中圖分類號：P429 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

為了便于煙葉的收購和臨時存儲，涼山州山區(qū)煙葉收購站均修建在山內(nèi)地勢開闊，位置相對較高，靠近輸電線路的地方。據(jù)涼山州歷史氣象數(shù)據(jù)記載，涼山州年平均雷暴日數(shù)有55.7 d，其中80%的雷暴出現(xiàn)在4—10月，而4—10月有大量的煙草公司工作人員和煙農(nóng)在站內(nèi)活動，嚴重威脅涼山州山區(qū)煙葉收購站內(nèi)工作人員、廣大煙農(nóng)的生命安全和煙葉倉庫的安全。因此，需要研究科學有效的防雷措施對煙葉收購站及站內(nèi)人員進行保護。

1 涼山州山區(qū)煙葉收購站易遭雷擊的氣候和地理因素

1.1 氣候因素

涼山州氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，境內(nèi)山高谷深，山區(qū)立體小氣候明顯，利于氣流的抬升和垂直運動，極易發(fā)生雷電等局地強對流天氣。歷史氣象數(shù)據(jù)記載，涼山州年平均雷暴日數(shù)有55.7 d，屬于多雷和強雷區(qū)，其中80%的雷暴出現(xiàn)在4—10月，每年都會發(fā)生因雷擊造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡事故[1]。

1.2 地理因素

涼山州山區(qū)煙葉收購站均選址在山中開闊平坦的區(qū)域，四面均是高山，受強日照的影響，山坡的表層空氣溫度會升高，從而體積膨脹，使得密度變小沿著山勢抬升，產(chǎn)生上升氣流。此時，煙站所處山谷中的空氣變得稀薄，山間的空氣下沉補充，產(chǎn)生下沉氣流，形成了對流，加快了雷云的生成，容易發(fā)生雷擊現(xiàn)象（圖1）。且涼山州山區(qū)煙葉收購站因運輸和儲存需要，全部修建在該區(qū)域地理位置相對較高且開闊平坦的地方，站內(nèi)建筑物為區(qū)域內(nèi)最高點，極易遭受雷擊[2]。

2 涼山州山區(qū)煙葉收購站概況

涼山州山區(qū)煙葉收購站分布在山內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，各站地勢不同，布局不一致，但站內(nèi)建筑物基本一致：一幢高10 m的3層煙站綜合樓，包括職工宿舍、微機室、配電房等；1個彩鋼瓦屋面的煙葉存儲倉庫，倉庫高度為10 m，緊挨倉庫建有1個同樣為彩鋼瓦屋面的煙葉收購區(qū)；每個煙站內(nèi)都有1臺變壓器（圖2）。

3 涼山州山區(qū)煙葉收購站的年預計雷擊次數(shù)及防雷類別

依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057-2010）計算如下：

N =K×Ng×Ae（1）

式（1）中，N表示建筑物預計雷擊次數(shù)（次/年）；K表示雷擊次數(shù)校正系數(shù)按規(guī)范要求取1.5；Ng表示建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/（km2·年）]；Ae表示與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。

其中，建筑物的雷擊大地的年平均密度：Ng =0.1×Td=0.1×58=5.8（Td表示涼山州山區(qū)煙葉收購站的年平均雷暴日數(shù)56 d）。

等效面積Ae：山區(qū)煙站內(nèi)建筑物＜100 m，計算如下：

D=（2）

Ae=[LW+2（L+W）+πH（200-H）]×10-6（3）

式（2）、（3）中，D表示建筑物每邊的擴大寬度（m）；L、W、H表示建筑物的長、寬、高（m）。

經(jīng)計算：Ae=0.034 2

涼山州山區(qū)煙葉收購站年預計雷擊次數(shù)：N= K×Ng×Ae=1.5×5.6×0.034 2

=0.287 28。

根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB 50057—2010）第3.0.3條“在可能發(fā)生對地閃擊的地區(qū)，遇下列情況之一時，應劃為第二類防雷建筑物：預計雷擊次數(shù)大于0.25次/年的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物或一般性工業(yè)建筑物。”劃分，涼山州山區(qū)煙葉收購站為第二類防雷建筑物。

4 涼山州山區(qū)煙葉收購站雷擊危害種類

4.1 直擊雷危害

涼山州山區(qū)煙葉收購站因其空曠的地勢和較高的地理位置，易遭受直擊雷的危害。直擊雷是帶電云層（雷云）與建筑物、其他物體、大地或防雷裝置之間發(fā)生的迅速放電現(xiàn)象，并由此伴隨產(chǎn)生電效應、熱效應或機械力等一系列的破壞作用。雷云所蘊藏的能量在極短的時間（其持續(xù)時間通常只有幾μs到幾百

μs）內(nèi)就釋放出來，會產(chǎn)生巨大的瞬間功率，因此直擊雷的破壞性極強。當雷電直接擊中山區(qū)煙站內(nèi)建筑物時，雷電通道的高溫會使空氣急劇膨脹，以超聲波的速度向四周擴散，其外圍的冷空氣被強烈壓縮，形成“激波”在空氣中傳播，相當于炸彈爆炸的威力來破壞建筑物[3]。雷電通道產(chǎn)生高溫，甚至能熔化與其直接接觸的金屬而引起火災。強大的雷電流瞬間就可能擊中在站內(nèi)活動的人員[4]。

4.2 感應雷危害

涼山州山區(qū)煙葉收購站的附近都有架空的電源線，站內(nèi)用電也是從這些架空線路引入，易遭感應雷擊。感應雷也稱為雷電感應或感應過電壓，它分為靜電感應雷和電磁感應雷。靜電感應雷是由于帶電積云接近地面，在架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷引起的，它將產(chǎn)生很高的電位。電磁感應雷是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強磁場引起的，這種迅速變化的磁場能在鄰近的導體上感應出很高的電動勢[5]。當雷云來臨時，涼山州山區(qū)煙葉收購站內(nèi)的一切物體，尤其是導體，由于靜電感應，都聚集起大量的雷電極性相反的束縛電荷，在雷云閃擊放電后，云中的電荷變成自由電荷，從而產(chǎn)生很高的感應電壓，其過電壓幅值可達到幾萬到幾十萬伏，這種過電壓可能會造成煙站內(nèi)建筑物的導線、接地不良的金屬導體和大型金屬設備放電而引起電火花，從而引起火災、爆炸、危及人身安全或破壞供電系統(tǒng)；當雷電擊中架空的電源線后，強大的雷電流沿著這些線路進入煙站內(nèi)建筑物，在站內(nèi)使用的電腦、電視、電話等設備上進行放電，破壞設備（圖3～圖4）。若室內(nèi)人員正在進行設備操作或線路距離人很近時也會被擊傷甚至被擊死[6]。

5 涼山州山區(qū)煙葉收購站直擊雷防護設計

5.1 地網(wǎng)設計

涼山州山區(qū)煙葉收購站均設計為利用站內(nèi)建筑物基礎作為地網(wǎng)，由于山區(qū)土壤電阻率高，煙葉收購站的接地電阻都遠超設計要求的≤4.0 Ω。因此，必須另做人工地網(wǎng)并與煙站內(nèi)各建筑物基礎連通，使其接地電阻達到設計要求。人工接地網(wǎng)采用熱鍍鋅扁鋼、熱鍍鋅角鋼、接地模塊、降阻劑制作，并要求接地網(wǎng)的接地電阻≤4.0 Ω。煙站地網(wǎng)采用閉合環(huán)形，在站內(nèi)空地處挖寬0.5 m，深0.8 m的地網(wǎng)溝（根據(jù)實際地形開挖），在地網(wǎng)溝內(nèi)每隔3 m將角鋼和接地模塊交叉放置，將1.5 m長的熱鍍鋅角鋼垂直打入地下，頂部高出地網(wǎng)溝底0.1 m，接地模塊水平放置，用≥40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼將角鋼和接地模塊焊接連通（焊接時，接地扁鋼必須搭接滿焊，搭接長度為寬度的2倍）。地網(wǎng)焊處必須做防腐處理，先清除焊渣，然后刷防銹漆，處理完畢后將降阻劑與水按比例攪拌成漿體狀，將攪拌均勻的降阻劑按照1 m/包的用量敷于地網(wǎng)溝內(nèi)將熱鍍鋅扁鋼包裹均勻。用地阻儀測試接地電阻，確定達到要求后回填土夯實。在回填過程中，接地體周圍不能填入石頭、磚塊、垃圾之類的雜物[7]。

5.2 避雷帶設計

在涼山州山區(qū)煙葉收購站內(nèi)的綜合樓頂女兒墻上安裝避雷帶，采用直徑≥10 mm的熱鍍鋅圓鋼明敷一圈并在屋面四角處加裝短避雷針（長度1 m，Φ14 mm熱鍍鋅圓鋼）作為接閃器。避雷帶的支撐件應使用與避雷帶相同的材料，高度應為15～20 cm，間隔距離1 m左右，在女兒墻上打孔放入，并用混凝土固定。避雷帶、避雷針采用焊接的連接方式，嚴禁綁扎、黏接，焊接處焊縫要平整，不能出現(xiàn)虛焊、夾渣、裂紋等情況，焊接完成后及時清除焊渣并刷好防銹漆[8]。避雷帶在轉(zhuǎn)角處應做成圓弧形，嚴禁制作成90°的直角彎或＜90°的死彎。避雷帶還要與煙站綜合樓的主鋼筋進行連接（作為引下線的主鋼筋間距離不能＞18 m），通過綜合樓與地網(wǎng)的連接將雷電流泄入大地。

煙站的庫房是彩鋼瓦屋面，且厚度＞4 mm，按《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB 50057—2010）中5.2.7規(guī)定，除第一類防雷建筑物外，金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器，并應符合下列要求：金屬板下有易燃物品時，不銹鋼、熱鍍鋅鋼和鈦板的厚度不應小于4 mm，銅板的厚度不應小于5 mm，鋁板的厚度不應小于7 mm。因此，煙站庫房只需將屋面與庫房墻體內(nèi)主鋼筋做好多點連接，并與接地網(wǎng)連通即可。

6 涼山州山區(qū)煙葉收購站感應雷防護設計

6.1 安裝浪涌保護器

按照《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB 50057—2010）“第二類防雷建筑物的防雷措施，防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位對附近金屬物或電氣和電子系統(tǒng)線路的反擊，應符合下列規(guī)定：在電氣接地裝置與防雷接地裝置共用或相連的情況下，應在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處裝設I級實驗的電涌保護器?！痹诰C合樓總配電箱處安裝波形為10/350 μs的第I級浪涌保護器；為更進一步都保護綜合樓內(nèi)人員和電氣設備的安全，在每層樓配電箱處安裝第Ⅱ級浪涌保護器HY22P-60（8/20 μs），由于綜合樓層高僅為3 m左右，Ⅰ、Ⅱ級浪涌保護器之間的線路＜10 m，因此還需在兩級浪涌保護器之間安裝退耦器；在煙站計算機房電腦前端安裝第三級浪涌保護器HY22P-20（8/20 μs），在調(diào)制解調(diào)器前端加裝1級信號避雷器，確保電腦中重要數(shù)據(jù)的安全。

6.2 等電位連接和屏蔽

煙站內(nèi)所有浪涌保護器、配電箱、電氣設備均應做好等電位連接，浪涌保護器PE線要連接在配電箱內(nèi)PE母排上，計算機房可在室內(nèi)墻體上距地面30 cm處制作銅接地母排，將機房內(nèi)的防雷地、交流工作地、直流地、屏蔽地、安全保護地等直接連接至接地母排上。為防止雷電電磁脈沖產(chǎn)生的過電壓、過電流感應到煙站的電腦上造成破壞，丟失重要數(shù)據(jù)，還應對進入計算機房的線纜做外穿金屬管屏蔽，并將金屬管兩端接地。

6.3 共用接地體

煙站內(nèi)綜合樓避雷帶、倉庫屋面、所有安裝的浪涌保護器、配電箱、計算機房的接地母排以及站內(nèi)所有建筑物的金屬構(gòu)件，都必須與煙站內(nèi)接地網(wǎng)進行連通。

7 加強雷電防護知識宣傳和防雷科普教育

煙葉收購期間正處于一年中的雷電高發(fā)期，僅靠安裝必要的防雷設施是不夠的，還要增強山區(qū)煙站工作人員和廣大煙農(nóng)的自我防雷意識。第一，從普及雷電科普知識入手，縣防雷中心在雷雨季節(jié)開始前對山區(qū)煙站進行年檢，并組織技術人員到各煙站宣傳講解防雷知識和雷電的防護措施，發(fā)放雷電防護知識宣傳資料，提高煙站內(nèi)活動人員在遭遇強雷暴時的自我保護能力。第二，充分發(fā)揮氣象部門的優(yōu)勢，在雷暴天氣來臨前，根據(jù)預報和西昌雷達資料提前發(fā)布雷電預警信號，通過電話和短信等方式通知山區(qū)煙站負責人根據(jù)預警信號的級別及防御指南采取相應措施。

8 結(jié)束語

山區(qū)煙站因其特殊的地理位置，所有進入煙站的信號線和配電房內(nèi)的電源線均是架空接入，相對于低海拔地區(qū)煙站，山區(qū)煙站遭受雷擊的次數(shù)更多，沖擊雷電流更強，因此山區(qū)煙站在進行防雷設計時，對于直擊雷部分，在屋面四角處加裝短避雷針并增大避雷帶的線徑；對于感應雷部分，通過山區(qū)煙站近年來出現(xiàn)的雷擊事故發(fā)現(xiàn)，山區(qū)煙站電源避雷器第一級應使用波形為10/350 μs，通流容量更大（≥100 kA）的避雷裝置對煙站進行防護。涼山州山區(qū)煙葉收購站的綜合防雷措施，從雷雨季節(jié)后各煙站反饋的信息看，取得了較好的防雷效果，對山區(qū)煙站具有一定的推廣意義。

參考文獻

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Liangshan County Mountain Tobacco Leaf Collection Research Several Measures for Lightning Protection

Yuan Ji-chang et al（Liangshan Meteorological Bureau， Liangshan， Sichuan 615000）

Abstract Liangshan Yi Autonomous Prefecture was an important high-quality tobacco production area and a pilot area for modern tobacco agriculture， with unique natural advantages such as light， heat， water and soil resources. Flue-cured tobacco production was one of the economic pillars. In order to facilitate the acquisition and temporary storage of tobacco leaves， tobacco companies have built tobacco leaf acquisition stations throughout the state， especially in mountainous areas with inconvenient transportation. However， due to climate and geographical factors， tobacco leaf acquisition stations are prone to lightning strikes， greatly threatening the safety of relevant personnel and the safety of tobacco leaf warehouses. Based on this， the climate and geographical factors that make tobacco leaf purchasing stations in mountainous areas of Liangshan Prefecture susceptible to lightning strikes were analyzed， as well as the overview of tobacco leaf purchasing stations in mountainous areas of Liangshan Prefecture. The expected annual lightning strikes， lightning protection categories， and hazard types of tobacco leaf purchasing stations in mountainous areas of Liangshan Prefecture were discussed， and the design of direct lightning protection and induction lightning protection for tobacco leaf purchasing stations in mountainous areas of Liangshan Prefecture was studied.

Key words Mountain stand; Lightning protection design; High lightning frequency period