古建筑预防雷灾装置的技术探讨

2024-01-01麦金婵罗赐麟陈炜杰杨一凡

农业灾害研究 2024年5期

摘要：广州农讲所古建筑采用2支高达24.78 m的ESE提前放电避雷针做防雷设备。介绍了广州农讲所的背景、地址、面积等基本信息，并对其所处雷电和雷灾情况进行了详细分析，通过曲线比例分析图展示了这些数据。此外，还对古建筑防雷类别进行了划分，并采用了国际电工委员会认可的滚球法和法国电工委员会认可的提前放电避雷针法，这两种方法计算提前放电避雷针的保护范围。通过滚球法和提前放电避雷针法的对比，得出两种不同的结论：滚球法认为农讲所的双等高避雷针无法满足防雷要求，而提前放电避雷针法则认为农讲所的提前放电避雷针能够满足防雷要求。最后，对这两种结论进行了思考和讨论，以更好地保护古建筑免受雷击的危害。

关键词：滚球法；ESE；古建筑；防雷保护；农讲所

中图分类号：P429 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

毛泽东曾主持农民运动讲习所，现称广州农讲所，坐落于广东省广州市越秀区中山四路42号。这座古建筑已经历了650余年风雨沧桑。曾经矗立着左、中、右三路建筑，红墙黄瓦，层层深入。历经3次灾害后重建，如今左路仅存头门，中路依旧矗立着棂星门、泮池拱桥、大成门、大成殿、崇圣祠和东西庑廊；右路则保留了头门、明伦堂、光霁堂和石板路等。

2004年，为了增强防雷能力，建筑的左侧安装了2支法国卫星杜尔梅森提前放电避雷针（Esrly Streamer Emission，ESE）位于建筑物右侧，其间距为95 m，高度均为24.78 m。保护这座宝贵的古建筑，应对雷电等自然灾害，防雷技术显得尤为重要。

1 农讲所古建筑地理、气候

刘三梅等[1-2]对1984—2013年、1951—1994年的雷暴日进行了统计，显示越秀区、广州市乃至整个广东省被划定为多雷区。雷击引发的灾难案例和经济损失数据令人深感敬畏。Ng是衡量雷云对地放电频率的指标，也是雷灾事件的重要参数之一。根据统计观测数据，2010—2021年广州市地闪密度与雷灾曲线图（图1）显示雷灾数量与Ng呈良好的正相关关系[3]。这表明雷暴日和地闪密度等因素是雷灾事故概率增加的主要原因。农讲所位于这样特殊的地理与自然环境中，保护文化遗址是防雷工作者可以深入探讨的重要议题。

2 农讲所古建筑防雷类别的确定

农讲所主体建筑物根据《古建筑防雷工程技术规范》（GB 51017—2014），以及《中国建筑史》第1章第2节“中国建筑史之分期”，按照建筑手法和年代的不同综合阐述，被归类为古建筑[4] 。按照《古建筑防雷工程技术规范》（GB 51017—2014）中附录A11，古建筑预计年均雷击次数计算公式如下：

N=Ng×Ad×Cd×10-6（1）

式（1）中，N为年均雷击次数（次/年）；Ng平均地闪密度[次/（km2·年）]，农讲所2022年的基础数据取越秀区平均地闪密度值为32.70次/（km２·年）（表1）；Ad为古建筑的等效雷击截受面积（m2）；Cd为位置因子；农讲所古建筑按长方体进行计算。

位置因子，根据GB 51017—2014规范中附录表A11“一般情况按1.0”进行计算。按GB 51017—2014规范中附录A2长方体古建筑物的等效雷击截受面积，计算农讲所古建筑预计年受雷击次数。Ad=L×W+6H×（L+W）+π（3H）2=29 407.41 m2，N=Ng×Ad×Cd×10-6=0.86次/年。

划分１：农讲所符合GB 51017—2014规范中附录的规定。历史上遭受过雷击；全国重点文物保护单位的古建筑；预计年均雷击次数＞0.25次/年的古建筑划为第一级防雷古建筑。

划分２：GB 50057—2010规范中规定，国家级重点文物保护建筑物，至少应划为2类以上防雷建筑物。

3 农讲所古建筑的防雷保护计算

3.1 利用滚球法计算农讲所古建筑防雷保护范围

刘平等[5-6]指出，ESE避雷设备的硬件不具备自然界中主动吸引雷电的条件，其执行标准与国内外标准存在差异。通过“滚球半径”原理，可以通过想象一个规定半径的球体来理解：由于建筑物上安装的接闪器会阻挡球体的滚动，导致球体无法触及某些区域，而这些区域被视为接闪器的保护范围。将ESE提前放电避雷针视为富兰克林式的普通、独立避雷针，按照国际电工委员会标准，通过滚球法来评估该设备是否能正确引导闪电，以及是否能够有效保护建筑物免受雷击。实地测量，农讲所的面宽为69 m，进深为165 m，高度为12.62 m。计算过程如下：第1类古建筑物和第2类建筑物滚球半径（hr）均为45 m，避雷针的高度（h）为24.78 m，古建筑最高12.62 m（hr按12.62 m计算），双支等高独立针间距（D）按95 m计算。

当D＜时，hx高度的保护情况按公式hx=计算。因为，=2×＜80.40 m；D＜80.4 m，代入公式：，hr=50.06 m＜12.62 m。

结论1：经计算，农讲所双等高避雷针不能满足防雷要求。

运用AutoCAD的3D功能，利用滚球法原理，按照实地比例图插入接闪杆，查看防雷三维图。

结论2：双针距离有交集，农讲所古建筑的左侧与后侧不在2支等高避雷针保护范围内（图2）。

3.2 根据提前放电避雷针保护原理计算农讲所古建筑防雷保护范围

隋景等[7-9]认为ESE主动避雷在贵州矿区、巴黎圣母院、云南露天堆场都有实际有效的案例应用。提前放电针1985年获法国专利，1995年颁法国国家标准[10]。其原理如下：避雷针的激发器从自然界的电场中吸收并贮存能量或触发器上产生强大的感应电压，在针尖聚集大量与下行先导相反的异种电荷。当达到一定强度，向上产生上行先导，提前接闪主动引雷（表2）。主动避雷针预先放时间△T，上行先导预先发展距离为△L，V为速度。当雷击点高Hp≥5 m或Hp＜5 m时，不同针尖高度上的保护半径。农讲所的Hp为12.16 m，Hp≥5 m，因此计算保护范围公式为Rp=。其中，Rp为不同针尖高度上的保护半径（m）；H为滚球半径，根据防雷类别选取30、45、60、100 m；△L为提前放电针上行抢先击距，△L=v·△t；根据提前放电针型号，△L选取25、40、50、60 m；Hp为针尖高度，针尖相对于被保护物顶部的水平高度差（m）。

按照第2类防雷建筑物计算ESE提前放电针在地面上的保护范围，滚球半径取45 m，根据ESE提前放电针型号可知，其提前放电时间为25 μs（表2），从而得出单支ESE提前放电针在地面保护半径为61～63 m（表3），保护61 m＞建筑物最高点12.62 m。

结论3：2支提前放电针则能满足农讲所主体建筑的保护范围[11]。

4 结论

运用2个原理3种方法对2支避雷针对农讲所古建筑的保护范围做计算、画图，2个原理的计算方式得出满足与不满足的2个不同结论。

第一，广州农讲所提前放电避雷针保护不足的情况下，近3年来未遭受雷击灾害，古建筑除防雷设备（ESE提前放电针）外，更需要做雷电风险评估等深入、系统研究与探讨。

第二，有效的提前放电实验室里有相关合理解读，但数据不多且在非实验室条件下，目前没有明确的数据支撑。

第三，提前放电原理，由于多了一个提前放电针尖，其保护范围扩大至61～63 m，真伪有待相关人员研究和提取更多的数据加以证实。

第四，存在即合理，但实际工作中提前放电针有出现雷击损坏放电避雷针的实际案例、图片，是提前放电理论的原理问题还是使用的气象、材料、磁场等条件，需要再进一步研究。

参考文献

[1] 刘三梅，吕海勇，陈绍东，等.广东省雷电风险区划研究[J].资源科学，2014，36（11）：2337-2344.

[2] 李衍雄.广东的雷暴及其分布[J].广东气象，1996（2）：20-22.

[3] 陈易昕，殷启元，戴巍，等.2016年广州地区雷灾特征的综合分析[J].广东气象，2018，40（2）：62-64，68.