五峰区域雷电活动对防雷工程设计影响的研究
郑明发+何顺武+冷鹏飞+贺姗
摘要：本文以五峰烟草公司防雷工程整改项目为依托，提供了一个完整的防雷工程设计方案，探讨了项目所在地的气候特征以及直击雷防护、雷电感应防护设计的思路、依据和工程实践的具体方案。工程项目所在地的雷电活动特征分析是设计方案特色所在。对于区域雷暴和地闪活动规律的讨论，优化、充实了设计方案的内容，也有利于增强项目各方防雷安全意识。
关键词：防雷工程设计；气候特征分析；雷电活动；防雷安全
中图分类号：TU895 文献标志码：A
引言：《中华人民共和国气象法》（主席令第23号）第三十一条明确提出“对可能遭受雷击的建筑、构筑物和其他设施安装的雷电灾害防护装置应当符合国务院气象主管机构规定的使用要求。”，《湖北省雷电灾害防御条例》第九条明确提出“建筑物防雷设计规范规定的一、二、三类防雷建（构）筑物、场所或者设施必须安装符合技术规范要求的防雷装置”。在《气象法》和地方相关法规的指导下，防雷事业得到迅速发展。但防雷工程设计研究的现状，基本上处于探索阶段。一个完善的防雷工程设计是建立在不同学科的基础上的，需要对涉及的知识进行全面的了解。才能设计合理的、经济的、可靠的设计方案。
对于防雷工程设计研究，国内学者做过研究并取得了较好的结果。匡本贺[2]分析了核电厂选址的基本要求和防雷之间的关系，重点从直击雷防护、地网建设、弱电设备雷电防护三方面对核电站前期建设工程项目中防雷系统建设进行了探讨，并评估了综合防雷的效果。唐慧强[3]等人提出了信息化实验室内部防雷主要从屏蔽、等电位和SPD三部分进行设计。这些工作多以设计方案工程实践为重点，对工程项目所在地的气候特征尤其是雷暴气候特征、地闪特征对防雷工程设计影响的分析还比较少见。本文以五峰烟草公司防雷工程整改项目为依托，利用1960-2012年五峰县雷暴资料和2008.1-2012.12年地闪资料分析项目所在地的气候特征背景，探讨雷电活动对防雷工程设计方案的影响，最终给出了优化的防雷工程设计方案。
1.雷电灾害概述
1.1雷电形成机制
雷暴云通过感应起电、非感应起电、对流起电等多种起电过程形成了正负电荷区相间分布的荷电结构。雷暴云带电后，其电荷集中在几个带电中心，它们的电荷数不完全相等。当某一点的电荷密度较大，在其附近的电场强度达到足以使空气击穿的电场强度值时，空气便开始游离，使这一部分由原来的绝缘状态变成导电性的通道。这个通道的形成称为先导放电。先导放电是不连续的，雷暴云对地放电的第一先导是分级发展的，每—级先导发展的速度相当高，但每发展到一定长度就有—个10～100μs的间隔。当先导距地面一定高度时，地面高耸物体上出现感应电荷，使局部电场强度增强，先导通道的发展将沿其头部至感应电荷集中点之间发展，先导通道的头部与带异号电荷的集中点间距离很小时，先导通道端与地面形成很大的电位梯度，将导致云雾大气击穿放电，形成流光。并且先导与大地间形成的强电场将导致从地面发展向上与先导异号的流光（即回击）与先导会合，从而形成先导通道与大地相连接，也就是形成了闪电中的地闪。雷电（雷暴闪电的俗称）是发生在大气中的声、光、电物理现象，它引起的灾害是世界上十大自然灾害之一。
1.2雷电危害
雷电是自然界中强大的脉冲放电过程，雷电对地面建筑物或设备造成灾害是多渠道的，一般说来，可以把雷电放电对地面建筑物或设备可能产生的危害形式划分为下列三类：
1.2.1直击雷。在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地放电产生的电击，雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件融化。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。该机械力可以达到5000～6000牛顿，可使人体组织、建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏，以及设备毁坏等。
1.2.2闪电感应。（1）静电感应：当雷云来临时，雷云底部分布着大量的同种类电荷，地表面和各种物体上，尤其是导体上将感应出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷。在雷云对地面或另一雷云放电后，云中电荷被中和。此时地面物体，尤其是导体上未被中和的电荷却产生了很高的电压，它必然放电。这种放电电流也是一个很大的脉冲电流，其电击效果虽然比直击雷小一些，但是若窜入用电设施也会造成设备损坏或人员伤亡事故。（2）电磁感应：闪电电流在闪电通道周围的空间产生磁场，这种磁场将随着时间的变化而变化，并在附近的各类金属导体上激发出感应电动势或感生电流。在闪电电流入地过程中，变化的磁场在附近的金属导体上产生感应电动势或感生电流，也会造成电气设备遭到电击而损毁。
1.2.3闪电电涌侵入。当建筑物或设备并不处于雷暴活动区域内，或者虽然在雷暴活动区域内，建筑物或设备已受到防直击雷的避雷装置的保护与屏障，有时仍会遭到雷害。当雷电流流经电子设备流入大地时，电子设备会被损坏或损毁。其原因可能就是在进线、出线或有关的金属管道上未采用防止闪电电涌侵入措施。
综上所述，雷电对建筑物的破坏作用主要有以下几种：一是直接击在建筑物上，由于高温而引起建筑物燃烧。在雷电流通道上，物体水分受热汽化膨胀，产生强大的机械力而使建筑物结构遭受到破坏。二是由于雷电流变化梯度大而产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，，从而构成火灾危险。三是雷电袭击到架空输电线路或金属管道上时，高压电流沿架空线路或金属管道侵^室内，造成人身伤亡或设备损坏。
2.五峰气候特征分析
2.1地理特征
2.1.1地理位置。五峰烟草公司位于湖北省西南部，北纬30°1920′，东经110°6770′。海拔高度557.2米。楼高50米，共十三层楼，一到六楼为办公场所，七至十二楼为职工住宿；其中北侧楼亦为职工住宿，南侧靠近人员密集的菜市场。
2.1.2地质、地貌。五峰全境皆为山区，属武陵山支脉，系云贵高原东延部分的尾部地带，系喀斯特地貌，溶洞伏流遍布全境，地势由西向东逐渐倾斜，山峦起伏重迭，深谷高岭相间，县行政区域全部为沉积岩，其中碳酸盐岩分布极广。五峰烟草公司所处场地单元为丘陵。地势相对较低，西侧为天池河。所处场地地表土质以粘土为主。
2.2气候特征
2.2.1五峰县气候特征。五峰县地处长江中游，气候温和湿润，雨量充沛，四季分明，季风明显，属于亚热带季风气候。多年平均气温14.8℃，最冷月（1月）平均气温2.3℃，最热月（7月）平均气温24.2（2；极端最高气温为39.2℃（1995年9月6日），极端最低气温为-15.0℃（1977年1月30日）。多年平均降雨量1371.6mm2。
2.3雷电环境
目前地球上平均每秒就会发生100次左右的闪电，其放电电流可高达数十千安培，甚至数百千安培，放电瞬间，巨大的雷电流可产生极大的破坏力和很强的电磁干扰。雷电造成的人员伤亡，财产损失触目惊心。随着现代社会科技的不断发展，各类微电子设备和信息系统广泛应用到化工企业自动控制、消防、安防、计算机网络等系统，这些设备及信息系统大幅度地提高了自动化程度，但微电子元器件的耐过压、过流能力也相对较弱，对雷电干扰的防护能力较低，致使雷电灾害在逐年得到控制的情况下，社会经济损失却呈现逐年增大的趋势。
2.3.1五峰县雷暴气候特征。五峰烟草公司位于为五峰镇内，因此采用五峰气象站观测数据。据五峰气象站提供的1960—2012年统计的气象资料，绘得五峰年雷暴日变化规律直方图（如图2.3）和1960—2012年五峰县雷暴日数月平均变化直方图（如图2.4）。经分析，（1）五峰县的年平均雷暴日为4.3.8天，年雷暴日呈逐年下降趋势，月雷暴日数呈双峰型特性，主要活动期为4月和7-8月。（2）雷暴的发生主要集中在3—9月份，80%以上的闪电都发生在这段期间。（3）五峰县出现最早的雷暴是在1月1日，最迟的是在12月21日。（4）雷暴日数最多的是1961年高达63天，在防雷规范上定义为多雷区。五峰县北面的长阳土家族自治县年平均雷暴日数为43.0d，东面的宜都市年平均雷暴日数为38.9d。
2.3.2五峰县地闪特征分析。闪电监测资料来源于湖北省雷电监测预警公共服务系统，选择五峰烟草公司所处北纬30°1920′，东经110°6770′半径2km范围为局地数据提取区域，资料统计时段为2008年1月～2012年12月。据此资料得出五峰县雷电正负闪分布图（如图2.3）、湖北省雷电监测预警公共服务系统查询的雷电监测资料图（如图2.4）和正负闪发生的时间和雷电流强度图（图2.5）。据图2.3可知（1）项目所在地每年的雷电活动分别为正地闪和负地闪；（2）正负闪分部不均匀，负地闪多于正地闪，从图2.4可知正地闪为6次，而负地闪则高达70次。由图2.4数据可知（1）2008—2012年间最大正地闪雷电流强度最大值为201.1KA。最大负地闪雷电流强度为97.7KA；（2）正地闪平均雷电流强度高于负地闪雷电流强度。根据图2.5分析可得（1）正负闪雷电流幅值平均强度为34.97kA，亦看出以负地闪居多；（2）负地闪雷电流强度出现在25.0KA左右比较多。
3.防雷工程方案设计
3.1防雷工程设计思路
雷电防护设计是一项系统工程，具体地说，雷电防护工作的第一步就是首先应确认雷电灾害侵入建筑物的各种途径，在这个基础上，依据系统雷电防护的科学理论和我们丰富的防雷设计安装经验，采取相应的防护措施，进行有针对性的防护，从而达到在闪电入侵时能够保障系统安全运行的目的。根据相关规定并结合现场勘测所得到的资料以及精确的雷电监测资料，对防雷设计方案提供准确的数据及方法。防雷工程设计的成功在于对当地的雷电活动有充分的了解。本次方案主要针对五峰烟草公司进行直击雷防护、闪电感应、闪电电涌入侵防护设计。
3.2防雷工程设计依据
（1）《中华人民共和国气象法》（主席令第23号）
（2）《国务院对确需保留的行政审批项目设定行政许可的决定》（国务院第412号令）
（3）《防雷减灾管理办法》（中国气象局第20号令）
（4）《防雷工程专业资质管理办法》（中国气象局第22号令）
（5）《防雷装置设计审核和竣工验收规定》（中国气象局第21号令）
（6）《湖北省气象灾害防御条例》
（7）《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010
（8）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GBS0343-2012
（9）《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》GB50601-2010
3.3防雷工程设计方案
3.3.1直击雷防护设计。五峰烟草公司办公楼高十三层，层高约50.0米，宽25米，长35米。属一般建筑物，根据重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，经计算年预计雷击次数大于国家防雷规范中关于建筑物年预计雷击次数为0.333次，年，符合国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第3.0.4第三款，应划为第三类防雷建筑物。现场勘测发现直击雷防护安全隐患四处，解决方案如下：
（1）力公楼屋顶接闪带部分锈蚀，不符合标准要求。建议先用砂纸打磨除锈，然后刷银粉漆两道，做防腐处理。
（2）办公楼屋脊北侧和金属爬梯上方接闪带安装不完整，不符合标准要求。建议在屋脊北侧和金属爬梯上方沿女儿墙布置接闪带并与邻近接闪带可靠搭接以形成完整闭合回路。原接闪带为圆钢18mm2，新敷设接闪带规格应为镀锌圆钢18mm2。接闪带需先调直后安装。接闪带需就近利用结构主筋做引下线，采用绑扎、螺纹连接或焊接。
（3）力公楼屋顶移动通讯接收发射天线、广告牌未做等电位连接处理，不符合标准要求。建议利用圆钢将移动通讯接收发生天线底座及广告牌就近与接闪带圆钢搭接，圆钢18mm2，搭接长度不应小于110mm2，并且不少于两处。
（4）屋顶造型圆柱未安装接闪带不符合标准要求。根据建筑物防雷规范的滚球法进行设计。保证美观及安全性并且与其他的接闪带可靠搭接以形成完整闭合回路。接闪带需就近利用结构主筋做引下线，采用绑扎、螺纹连接或焊接。
3.3.2闪电感应防护设计。五峰烟草公司办公楼防雷分类归为三类，但是建筑物内数据交换中心内俱有先进的光纤专线数字通讯系统、UPS、路由器、网络交换机、服务器及计算机等设备价格昂贵，包括内部局域网等这些现代化微电子设施，重要性高，也应采取闪电感应防护设计。
办公楼内机房金属活动地板下方线路凌乱，建议理顺线路并用PVC管穿管敷设。考虑到机房后期还将添加其他较大的电子信息系统，建议采用M型等电位连接网络，使用截面积不小于50mm2铜带在防静电活动地板下构成铜带接地网格。机房UPS电池箱、主机和机柜的金属外壳均应采用截面积不小于35mm2的绝缘铜芯导线穿管以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接。等电位连接网络的连接宜采用焊接、熔接或压接。连接导体与等电位接地端子板之间应采用螺栓连接，连接处应进行搪锡处理。
机房的机柜交换机前端安装网络信号避雷器一台。根据上部分图2.4可知正地闪雷电流强度高达201.0KA，由于雷击的能量是非常大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。
具体做法：第一级电源SPD装在总配电箱，第二级SPD装在总配电箱里分出去的各个分箱中。各级SPD连接导线应平直，其长度不宜超过0.5m。配电箱接地端子板应与所处防雷区的等电位接地端子板连接。第一级限压型SPD连接相线铜导线最小截面积为16mm2，SPD接地端连接铜导线最小截面积为25mm2，第二级限压型SPD连接相线铜导线最小截面积为10mm2，SPD接地端连接铜导线最小截面积为16mm2。SPD应安装牢固，其位置及布线正确。
小结：雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一，其危害性虽大，但可以预防。只有严格执行国家防雷规范和标准，科学设计、精心施工，才能最大限度地预防和减少项目所在地雷击事故的发生，任何单位和个人都不能存有侥幸心理。本文以五峰烟草公司防雷工程整改项目为依托，利用1960—2012年五峰县雷暴资料和2008.1—2012.12年地闪资料分析项目所在地的气候特征背景，探讨雷电活动对防雷工程设计方案的影响，最终给出了优化的防雷工程设计方案。作为一份完整的工程案例，值得借鉴。另外，进一步的优化设计，有待继续研究。
