独立接闪杆防雷设计容易忽视的问题

仇 健

(广东省珠海市公共气象服务中心，广东 珠海 519000)

1 引言

一般地，独立接闪杆常用于易燃、易爆等第一类防雷建(构)筑物的直击雷防护［1］，一旦因设计缺陷导致建筑物遭受雷击将可能造成巨大破坏和人身伤亡，后果不堪设想。然而笔者在实际工作中发现，独立接闪杆的防雷设计存在一些容易忽视的问题，在此总结出来，与同行商榷。

2 易忽视的几个问题

2.1 确定合理的保护安全裕度

保护安全裕度，即独立接闪杆对被保护物保护范围的富余程度。它可以用两种方式来表示:(1)△ur=rx－d;水平方向上等于接闪杆的设计保护半径与杆至被保护物最远端的距离之差;(2)△uv=h0－hx;垂直方向上等于接闪杆的设计保护高度与被保护物高度之差。

从安全的角度讲，安全裕度越大越好，但是增大安全裕度需要增加投资，而降低安全裕度虽可节约成本却又可能造成更大的经济损失甚至危及人们的生命财产安全和社会稳定。因此，设计时因地制宜地确定保护安全裕度具有重要意义。考虑设计所需的实地测量、理论计算以及施工误差、检测误差所预留的高度，一般为0.5～1.5 m。

根据文献［2］，高耸的接闪杆在以风为主的荷载标准组合下的水平位移限值及其产生的垂直最大位移计算见表1。

表1 风荷载下接闪杆所允许出现的水平、垂直最大位移

由表1 可知，高耸的接闪杆受风荷载影响出现较为明显的水平位移，振幅为杆高的2%;垂直位移较前者变化不大，数值一般仅为杆高的0.02%，防雷工程中可忽略不计。因此，在设计接闪杆时尤其应注意考虑风荷载所带来的杆尖水平位移变化，进而可能导致被保护物暴露于LPZ0A 区而遭受雷击的风险。由此可见，适当增加接闪杆的设计高度，预留合理的设计安全裕度，可使保护范围得到扩大，有效地避免或减少被保护物遭受雷击的风险。

2.2 地区基本风压和最大风向、风速对接闪杆的影响

我国是世界上受季风影响显著的国家之一，特别是东南沿海地区常有热带气旋袭扰，破坏力巨大，因此在接闪杆的结构设计、材料和安装位置选择时必须考虑地区基本风压和常年最大风向、风速对被保护物的影响，在海岛及多台风地区通常应增大接闪杆尺寸［3］(包括基础长宽、埋深以及结构材料的挠度)，同时考虑地基承载能力。对于地区基本风压值较大、地基承载能力弱或接闪杆自身结构抗风能力不足等情况下，可考虑增加使用缆风绳。缆绳的材料规格应根据接闪杆所处的区域环境对缆绳材料老化、腐蚀程度等因素合理选择天然纤维、化学合成纤维或钢丝制成的绳缆。当选用钢丝绳时，应确保金属缆绳满足接闪、分流要求，并应考虑金属锚杆的材料规格以及雷电流泄放过程中的防接触电压、防跨步电压等措施。

对于接闪杆的位置选择，应根据雷云的一般移动路径进行设计。即可根据当地气象资料绘制被保护物所在地的风玫瑰图，从而确定该地常年最大风向、风速。由于雷暴云团通常随风移动，故当接闪杆设置在建筑物的上风口时，不仅有利于提前拦截闪电，而且在风压增大时可导致杆尖位移偏向被保护物，从而增大原有被保护高度上的保护范围;但与此同时，若接闪杆设计不够牢固，出现杆体向被保护物倒塌时，可能引发被保护物局部损毁甚至导致其内部的易燃易爆物质燃烧、爆炸等重大的二次事故。反之则不利于提前拦截闪电，且在特殊地形下发生绕击的可能性较上风口要高;风压增大时可导致杆尖位移远离被保护物，从而缩小原设计被保护高度上的保护范围，甚至导致被保护物瞬间暴露在LPZ0A区外。

2.3 地形因素对接闪杆保护范围的影响

文献［1］给出了水平地面接闪杆保护范围的计算方法及示图，但在实际工程施工过程中，被保护物所在地的地形地貌均存在差异，因此根据滚球法计算的接闪器保护范围亦将受到来自地形因素的影响而产生相应变化。通常，在被保护物尺寸、接闪杆高度、间距、地形坡度、滚球半径均相同的前提下，接闪杆在斜坡上设计安装位置的不同，其保护范围存在如下差异:如图1 所示，当接闪杆位于被保护物的斜坡下方时，被保护物完全处于LPZ0B区内，此时保护范围的安全裕度最大且与坡度变化呈正相关;图2 中，当接闪杆位于被保护物的斜坡上方时，被保护物局部暴露于LPZ0A区内，此时保护范围最小，其变化同样与坡度呈正相关关系。值得注意的是，某些设计人员在计算接闪杆对位于其斜坡下方被保护物的保护范围时，直接以被保护物所在的地面高度作为支撑滚球的下支点，其做法是绘图时将被保护物所处的地面高度向外水平延伸引出一条“参考地平线”，认为当滚球接触到位于斜坡上的接闪杆和该“参考地面”时，被保护物即得到保护。而恰恰相反的是，这所谓的“参考地面”并不存在，实际的滚球下支点应是被保护物下方的斜坡地面。图3 中，当接闪杆与斜坡上的被保护物处于同一水平线时，被保护物亦完全处于LPZ0B区内，但保护范围的安全裕度小于图1。

图1 接闪杆位于被保护物斜坡下方时的保护范围

图2 接闪杆位于被保护物上方时的保护范围

图3 接闪杆位于水平地面的保护范围

2.4 冲击接地电阻对安全间隔距离的影响

根据文献［1］第4.2.1 条第5 款，“独立接闪杆和架空接闪线或网的支柱及其接地装置与被保护建筑物及与其有联系的管道、电缆等金属物之间的间隔距离，应按下列公式计算，且不得小于3 m:……”。该条款的原意为，间隔距离的取值应当根据与之对应的公式计算结果确定，但同时规定了间隔距离的取值下限为3 m;即当按公式计算得出的结果小于3 m 时，间隔距离取值均为3 m，而当公式计算结果大于或等于3 m 时，直接取公式计算结果作为间隔距离。

笔者在工作中发现，部分设计方案在确定间隔距离时往往忽略了采用公式的计算过程而直接取下限值3 m;然而根据文献［1］中公式(4.2.1－1)、(4.2.1－2)、(4.2.1－3)可知，空气中、地中的间隔距离均与接闪杆的冲击接地电阻值呈正相关。例如，当接闪杆的冲击接地电阻值为10Ω 时，其地中的间隔距离根据公式计算结果应不小于4 m。由此可见，直接取下限值3 m 作为间隔距离的做法，不仅存在主观盲目性，而且将给被保护物留下雷灾隐患。

3 结束语

综上所述，在开展防雷设计前，认真调查被保护物所处的地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护物的特点，对防雷装置能否实现科学、合理的设计显得尤为重要。随着近年来发生极端灾害性天气日趋频繁，防雷装置的安全可靠性，直接关系到人民群众生命财产安全。该文结合了相关标准规范和工程实际要求，仅就独立接闪杆防雷设计中容易忽视的问题提出几点见解，旨在与同行共同探讨和促进防雷装置的规范化设计，有效防御和减轻雷电灾害造成的损失。

［1］建筑物防雷设计规范［S］. GB50057－2010.

［2］《高耸结构设计规范［S］. GB50135－2006.

［3］《建筑物防雷工程施工与质量验收规范［S］. GB50601－2010.