扬州市某收费站防雷工程设计

柏杨 孙磊 陈建华 陶磊 钱丹

摘要：根据该收费站所在位置的地理、地质、土壤、气象等自然条件以及相关领域的防雷规范，对其进行了雷电防护的方案设计并在文中描述了该收费站办公楼的直击雷防护设计。

关键词：收费站;防雷规范;雷电防护

雷電灾害已被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。随着我国经济的快速发展，交通事业不断发展，汽车越来越多，高速公路也越建越多[1]。高速公路机电系统每年由于雷击造成事故时有发生，直接威胁到周围人群的安全和公路的正常运行。此外，由于高速公路网的收费站和管理机构大多建在郊区相对开阔的地方，电子计算机和电子系统设备容易受到雷电和雷电电磁脉冲干扰的破坏，使其丧失功能[2]。

以往在公路建设和施工中，没有考虑到防雷问题。同时，由于环境因素的影响，对土壤的要求也不统一。弱电系统接地较为简单，机电设备雷击损坏事故时有发生，不同的雷电形式对公路造成了不同程度的破坏，如果是雷电，一些设备会被雷电破坏，系统会失去一些功能;严重的是整个系统瘫痪，经济损失惨重，给公路的运营安全和运营带来很大的隐患。机电设备的广泛使用和电子设备集成度的不断提高，可能会进一步加大高速公路机电设备的损坏程度。冯民学等对高速公路的防雷现状作了分析，提出了防雷设计普遍存在各自为政，防雷措施普遍不完善（屏蔽措施不完善、电涌保护器装配不合理、接地系统设置不正确等），也缺少系统性等问题，同时他还对高速公路防雷设计要点做了介绍和总结[35]。林勇卫等则是针对高速公路收费现场机电系统防雷做了比较详细的研究，从雷电的危害途径到细部的防雷设计[6]。

1现场勘测情况

1.1气候特点及雷电活动情况

扬州市地处东经119°27′03″～119°54′23″，北纬32°17′51″～32°48′00″。地形地貌为江淮冲积平原、地势平坦、中部较高、南北两侧较低。土壤电阻率较低，为27.6Ω·m。扬州市属于亚热带湿润气候区，是冷暖空气经常交汇的地段，易发生极端天气，产生强雷。

雷电活动区根据年平均雷暴日的多少，分为少雷区、中雷区、多雷区和强雷区：雷暴少的地区是指年平均雷暴日数小于25天的地区，雷暴中等的地区是指年平均雷暴日数在25～40天的地区，雷暴多的地区是指年平均雷暴日数在40～90天的地区，强雷暴区是指年平均雷暴日数大于90天的地区。根据气象资料表明，扬州地区年雷暴日Td=38.6天，扬州地区年平均雷暴日比较高，是多雷区。

1.2建筑概况

启扬高速公路瘦西湖的收费站，位于扬州市邗江区，S28启扬高速公路瘦西湖出口附近。本文主要对其办公楼进行外部防雷设计。

图1办公楼示意图

办公楼一共四层，高16米，总占地面积是450平方米。该楼第一层是职工食堂、大厅、储物间;二楼是办公室和会议室;三楼是监控机房即中心机房和办公室;四楼是资料室和休息室;卫星接收天线安装在办公楼天面。楼内各楼层配有基本的卫生设施;一楼接配电房的是总配电柜，各楼层有分配电柜。办公楼示意图见图1所示，

2防雷类别计算

建筑物的防雷分类。此处主要是对办公楼做了年预计雷击次数的计算，参考《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010，结合当地的雷暴情况，根据建筑物的用途、重要性以及受雷击后的影响，对建筑物进行防雷分类[7]。

建筑物预计雷击次数计算公式（式1）：

N=k·Ng·Ae（1）

式1中：N—建筑物预计雷击次数（次/a）;

k—校正系数，在一般情况下为1;位于旷野为2;金属屋面的砖木结构取1.7;位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口处的建筑物，以及特别潮湿的地方取1.5。此高速收费站位于旷野处，因此K取2。

N—建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2·a）]。

Ae—与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

Ng=0.1Td，Td根据当地气象台资料为38.6（d/a）。

当建筑物高度H小于100m时，按式2计算：

Ae=[LW+2（L+W）H（200-H）+πH（200-H）]·10-6（2）

计算结果为：N=0.095（次/a）。

依据GB500572010《建筑物防雷设计规范》第2.0.3条规定，预计雷击次数大于0.05次/a的部省级办公建筑物以及其他人员密集或重要的公共建筑物划分为第二类防雷建筑物。考虑到该建筑物内部敏感的电子设备比较多，比如监控系统、计算机网络、程控交换机、无线通信、有线通信等，这些一旦受影响首先按该收费站瘫痪，其次影响到周边道路、建筑更严重的情况是整个道路阻塞。因此考虑诸多因素将该建筑物定为第二类防雷建筑物[8]。

3建筑物雷电防护装置设计

3.1直击雷防护措施

建筑物的直击雷防护措施分为接闪、引下、接地等部分。利用金属接闪器将雷电电流沿地面安全地引至地面，防止雷电直接击中建筑物和设备是最直接、最有效的防护措施，瞬变电磁波的数目直接影响着导流的效果。如果落水管较多，通过每根引下线的电流较小，其感应范围和强度也较小，当雷电击中防雷开关时，高频电流流过接闪器，导致接闪器和下行叶片电位较高。如果被保护物体与接闪器之间的距离小于过载反击距离，则成为接闪杆过载合同，因此，防雷规范规定了接闪开关、引下线与空中被保护物体之间的距离（至少3米），其沿身体接触的最高点与地面之间可能存在一个差值，称为接触电位差，称为接触电压，当闪光电流在地面上扩散时，沿地面上每个点的半径形成不同的电位。当人们在附近跨过两只脚时，两只脚之间会形成一个台阶张力，为了避免接触电压和步进电压对人身安全的损害，引线和接地装置应离开人的工作空间或采取措施平衡地网的张力。