古建筑預(yù)防雷災(zāi)裝置的技術(shù)探討

摘 要：廣州農(nóng)講所古建筑采用2支高達24.78 m的ESE提前放電避雷針做防雷設(shè)備。介紹了廣州農(nóng)講所的背景、地址、面積等基本信息，并對其所處雷電和雷災(zāi)情況進行了詳細分析，通過曲線比例分析圖展示了這些數(shù)據(jù)。此外，還對古建筑防雷類別進行了劃分，并采用了國際電工委員會認(rèn)可的滾球法和法國電工委員會認(rèn)可的提前放電避雷針法，這兩種方法計算提前放電避雷針的保護范圍。通過滾球法和提前放電避雷針法的對比，得出兩種不同的結(jié)論：滾球法認(rèn)為農(nóng)講所的雙等高避雷針無法滿足防雷要求，而提前放電避雷針法則認(rèn)為農(nóng)講所的提前放電避雷針能夠滿足防雷要求。最后，對這兩種結(jié)論進行了思考和討論，以更好地保護古建筑免受雷擊的危害。

關(guān)鍵詞：滾球法；ESE；古建筑；防雷保護；農(nóng)講所

中圖分類號：P429 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

毛澤東曾主持農(nóng)民運動講習(xí)所，現(xiàn)稱廣州農(nóng)講所，坐落于廣東省廣州市越秀區(qū)中山四路42號。這座古建筑已經(jīng)歷了650余年風(fēng)雨滄桑。曾經(jīng)矗立著左、中、右三路建筑，紅墻黃瓦，層層深入。歷經(jīng)3次災(zāi)害后重建，如今左路僅存頭門，中路依舊矗立著欞星門、泮池拱橋、大成門、大成殿、崇圣祠和東西廡廊；右路則保留了頭門、明倫堂、光霽堂和石板路等。

2004年，為了增強防雷能力，建筑的左側(cè)安裝了2支法國衛(wèi)星杜爾梅森提前放電避雷針（Esrly Streamer Emission，ESE）位于建筑物右側(cè)，其間距為95 m，高度均為24.78 m。保護這座寶貴的古建筑，應(yīng)對雷電等自然災(zāi)害，防雷技術(shù)顯得尤為重要。

1 農(nóng)講所古建筑地理、氣候

劉三梅等[1-2]對1984—2013年、1951—1994年的雷暴日進行了統(tǒng)計，顯示越秀區(qū)、廣州市乃至整個廣東省被劃定為多雷區(qū)。雷擊引發(fā)的災(zāi)難案例和經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)令人深感敬畏。Ng是衡量雷云對地放電頻率的指標(biāo)，也是雷災(zāi)事件的重要參數(shù)之一。根據(jù)統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)，2010—2021年廣州市地閃密度與雷災(zāi)曲線圖（圖1）顯示雷災(zāi)數(shù)量與Ng呈良好的正相關(guān)關(guān)系[3]。這表明雷暴日和地閃密度等因素是雷災(zāi)事故概率增加的主要原因。農(nóng)講所位于這樣特殊的地理與自然環(huán)境中，保護文化遺址是防雷工作者可以深入探討的重要議題。

2 農(nóng)講所古建筑防雷類別的確定

農(nóng)講所主體建筑物根據(jù)《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51017—2014），以及《中國建筑史》第1章第2節(jié)“中國建筑史之分期”，按照建筑手法和年代的不同綜合闡述，被歸類為古建筑[4] 。按照《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51017—2014）中附錄A11，古建筑預(yù)計年均雷擊次數(shù)計算公式如下：

N=Ng×Ad×Cd×10-6（1）

式（1）中，N為年均雷擊次數(shù)（次/年）；Ng平均地閃密度[次/（km2·年）]，農(nóng)講所2022年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取越秀區(qū)平均地閃密度值為32.70次/（km２·年）（表1）；Ad為古建筑的等效雷擊截受面積（m2）；Cd為位置因子；農(nóng)講所古建筑按長方體進行計算。

位置因子，根據(jù)GB 51017—2014規(guī)范中附錄表A11“一般情況按1.0”進行計算。按GB 51017—2014規(guī)范中附錄A2長方體古建筑物的等效雷擊截受面積，計算農(nóng)講所古建筑預(yù)計年受雷擊次數(shù)。Ad=L×W+6H×（L+W）+π（3H）2=29 407.41 m2，N=Ng×Ad×Cd×10-6=0.86次/年。

劃分１：農(nóng)講所符合GB 51017—2014規(guī)范中附錄的規(guī)定。歷史上遭受過雷擊；全國重點文物保護單位的古建筑；預(yù)計年均雷擊次數(shù)＞0.25次/年的古建筑劃為第一級防雷古建筑。

劃分２：GB 50057—2010規(guī)范中規(guī)定，國家級重點文物保護建筑物，至少應(yīng)劃為2類以上防雷建筑物。

3 農(nóng)講所古建筑的防雷保護計算

3.1 利用滾球法計算農(nóng)講所古建筑防雷保護范圍

劉平等[5-6]指出，ESE避雷設(shè)備的硬件不具備自然界中主動吸引雷電的條件，其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)存在差異。通過“滾球半徑”原理，可以通過想象一個規(guī)定半徑的球體來理解：由于建筑物上安裝的接閃器會阻擋球體的滾動，導(dǎo)致球體無法觸及某些區(qū)域，而這些區(qū)域被視為接閃器的保護范圍。將ESE提前放電避雷針視為富蘭克林式的普通、獨立避雷針，按照國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)，通過滾球法來評估該設(shè)備是否能正確引導(dǎo)閃電，以及是否能夠有效保護建筑物免受雷擊。實地測量，農(nóng)講所的面寬為69 m，進深為165 m，高度為12.62 m。計算過程如下：第1類古建筑物和第2類建筑物滾球半徑（hr）均為45 m，避雷針的高度（h）為24.78 m，古建筑最高12.62 m（hr按12.62 m計算），雙支等高獨立針間距（D）按95 m計算。

當(dāng)D＜時，hx高度的保護情況按公式hx=計算。因為，=2×＜80.40 m；D＜80.4 m，代入公式：，hr=50.06 m＜12.62 m。

結(jié)論1：經(jīng)計算，農(nóng)講所雙等高避雷針不能滿足防雷要求。

運用AutoCAD的3D功能，利用滾球法原理，按照實地比例圖插入接閃桿，查看防雷三維圖。

結(jié)論2：雙針距離有交集，農(nóng)講所古建筑的左側(cè)與后側(cè)不在2支等高避雷針保護范圍內(nèi)（圖2）。

3.2 根據(jù)提前放電避雷針保護原理計算農(nóng)講所古建筑防雷保護范圍

隋景等[7-9]認(rèn)為ESE主動避雷在貴州礦區(qū)、巴黎圣母院、云南露天堆場都有實際有效的案例應(yīng)用。提前放電針1985年獲法國專利，1995年頒法國國家標(biāo)準(zhǔn)[10]。其原理如下：避雷針的激發(fā)器從自然界的電場中吸收并貯存能量或觸發(fā)器上產(chǎn)生強大的感應(yīng)電壓，在針尖聚集大量與下行先導(dǎo)相反的異種電荷。當(dāng)達到一定強度，向上產(chǎn)生上行先導(dǎo)，提前接閃主動引雷（表2）。主動避雷針預(yù)先放時間△T，上行先導(dǎo)預(yù)先發(fā)展距離為△L，V為速度。當(dāng)雷擊點高Hp≥5 m或Hp＜5 m時，不同針尖高度上的保護半徑。農(nóng)講所的Hp為12.16 m，Hp≥5 m，因此計算保護范圍公式為Rp=。其中，Rp為不同針尖高度上的保護半徑（m）；H為滾球半徑，根據(jù)防雷類別選取30、45、60、100 m；△L為提前放電針上行搶先擊距，△L=v·△t；根據(jù)提前放電針型號，△L選取25、40、50、60 m；Hp為針尖高度，針尖相對于被保護物頂部的水平高度差（m）。

按照第2類防雷建筑物計算ESE提前放電針在地面上的保護范圍，滾球半徑取45 m，根據(jù)ESE提前放電針型號可知，其提前放電時間為25 μs（表2），從而得出單支ESE提前放電針在地面保護半徑為61～63 m（表3），保護61 m＞建筑物最高點12.62 m。

結(jié)論3：2支提前放電針則能滿足農(nóng)講所主體建筑的保護范圍[11]。

4 結(jié)論

運用2個原理3種方法對2支避雷針對農(nóng)講所古建筑的保護范圍做計算、畫圖，2個原理的計算方式得出滿足與不滿足的2個不同結(jié)論。

第一，廣州農(nóng)講所提前放電避雷針保護不足的情況下，近3年來未遭受雷擊災(zāi)害，古建筑除防雷設(shè)備（ESE提前放電針）外，更需要做雷電風(fēng)險評估等深入、系統(tǒng)研究與探討。

第二，有效的提前放電實驗室里有相關(guān)合理解讀，但數(shù)據(jù)不多且在非實驗室條件下，目前沒有明確的數(shù)據(jù)支撐。

第三，提前放電原理，由于多了一個提前放電針尖，其保護范圍擴大至61～63 m，真?zhèn)斡写嚓P(guān)人員研究和提取更多的數(shù)據(jù)加以證實。

第四，存在即合理，但實際工作中提前放電針有出現(xiàn)雷擊損壞放電避雷針的實際案例、圖片，是提前放電理論的原理問題還是使用的氣象、材料、磁場等條件，需要再進一步研究。

參考文獻

[1] 劉三梅，呂海勇，陳紹東，等.廣東省雷電風(fēng)險區(qū)劃研究[J].資源科學(xué)，2014，36（11）：2337-2344.

[2] 李衍雄.廣東的雷暴及其分布[J].廣東氣象，1996（2）：20-22.

[3] 陳易昕，殷啟元，戴巍，等.2016年廣州地區(qū)雷災(zāi)特征的綜合分析[J].廣東氣象，2018，40（2）：62-64，68.

[4] 梁思成.中國建筑史.[M].天津：百花文藝出版社，2005.

[5] 劉平.關(guān)于使用提前放電避雷針是否可行的分析[J].沙漠與綠洲氣象，2009，3（S1）：175-176.

[6] 徐燕飛.關(guān)于提前放電避雷針性能的分析和探討[J].廣東電力，2010，23（5）：12-15，37.

[7] 隋景和.主動式避雷針I(yè)NDELEC在輸電線路中的應(yīng)用[J].煤礦機電，2014（3）：100-103.

[8] 羅敏.提前放電避雷針的研究與應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計， 2006（9）：66-69.

[9] 楊波，周泓.主動式避雷針與常規(guī)避雷針在高原露天堆場實際應(yīng)用中的驗證分析[J].云南地理環(huán)境研究，2016，28（1）：36-41.

[10] 姚赤楓.法國依麗達提前放電避雷針的應(yīng)用[J].建筑電氣，1997（2）：40-42.

[11] 朱宇棟，雷徐嵩，吳斌，等.一種ESE避雷針的提前放電時間測試[J].建筑電氣，2005（6）：16-18.

作者簡介：麥金嬋（1982—），女，廣西貴港人，工程師，主要從事氣象服務(wù)、雷電防御相關(guān)工作。#通信作者：羅賜麟（1974—），男，工程師，主要從事綜合氣象觀探測技術(shù)應(yīng)用及設(shè)備保障工作，E-mail：627741903@qq.com。