农村防雷工程实施方案的可行性研究

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[摘要]自2011年以来，云南省气象灾害防御技术中心已连续7年开展农村防雷示范工程建设，并在当地取得了一定的社会经济效益。以凤庆县新林村防雷示范工程为例，分析说明在农村防雷工程中，如何根据农村实际情况，针对其特点，设计合理的方案，最大程度减少雷电对农村的危害并有效规避二次雷害。从该村的雷灾特性、所处地形地貌、气象条件、民居分布和基础设施等实际情况出发，分析传统雷电防护方法应用于该村的局限性，提出应以区域防雷的理念来进行设计施工，方可满足防护要求，并对具体设计思路及实施要点进行了阐述。同时结合云南省复杂丰富的地形地貌，对其它地貌环境下农村民居的分布特点予以概述，并提出相应的防雷设计思路。
[关键词]防雷工程；区域防雷；农村雷电防御；地势地貌；二次雷害
[中图分类号]X43 [文献标识码]A
云南省地处西南边陲，属于低纬高原山地地形，盆地、河谷、丘陵，低山、中山、高山交相分布，地形地貌復杂，大部分地区雷暴高发，每年均有相当数量的雷电灾害发生。据统计分析发现：云南省雷击造成人员伤亡一项，大部分发生在广大农村。本文以凤庆县新林村防雷示范工程为例，着重针对不同地貌环境下，农村防雷工程实施方案的可行性进行研究，为农村雷电防御提供参考，合理的进行设计施工，减少雷电对农村的危害。
1 新林村防雷工程分析
云南省凤庆县新林村，地处凤庆县西北部，境内山丘连绵，气候属低纬度高原亚热带季风气候，受印度西南季风和东亚季风交汇以及当地地形的影响，雷暴等灾害性天气频发。民居延山脊上一条乡村公路进行分布（见图2），多为土木和砖混结构，且未安装任何防雷设施。农作物以茶叶为主，民居周围遍布茶田。多年来，由于防雷设施的缺乏，以及当地村民对雷电的认识不足和对防雷避险知识的匮乏，而频受雷击侵扰，击伤击死村民的事故时有发生。
根据新林村雷灾的特性，应将保障村民的生命安全置于首位，而雷电的直接危害是威胁村民生命安全的最主要因素。因此，要着重考虑加强人员活动频繁、易遭雷击场所及区域的雷电防护。根据彭启洋、熊长铮统计分析结果，以下两个区域应作为首要考虑对象。
——房、廊、亭内等有遮盖的建筑物，这类建筑物雷雨天村民常聚集于此，雷击易造成群死群伤事件。
——田间地头、空旷地带等户外区域，该区域大多为村民日间劳作所在，雷暴来时，因无法及时躲避或躲避方法不当而造成雷击伤亡事件，根据多年雷灾的统计发现，该区域为农村雷灾人员伤亡次数最多的区域。
此外，在进行雷电防护的同时，还要考虑避免防雷设施带来的跨步电压、旁侧闪络、接触高电压等二次雷害。
通常情况下，建筑物防雷参照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）、《农村民居雷电防护工程技术规范》（GB 50952-2013）等相关防雷技术规范的规定，采取以下2种方法。
方法1：为建筑物增设接闪带、接闪杆等防雷装置；
方法2：通过滚球法计算，在其周边附近竖立接闪塔，使保护对象处于接闪塔的保护范围之内。
然而，由于新林村的现状及分布特点，存在以下局限：
——施工难、耗资大。方法1一般为建筑物防雷首选，然而新林村民居住宅大多为土木、砖混结构，接闪带等防雷装置基本无法进行设计安装，甚至安装后可能带来新的雷击隐患。若采用方法2，由于接闪塔保护范围和安全距离的要求限制，以及农村地势复杂、民居分布多样，同时还需考虑土地占用等其他经济问题，接闪塔选址比较困难，对于新林村这样民居相对分散的村庄，若要对其实施保护，所需的资金量是比较巨大的。
——风险高。由于接闪塔散击区的存在，竖立于村内或村边的接闪塔，除了保护了有限的民居建筑活动区域，却让部分民居及村民活动区域处于其散击区内，增加了遭雷击的概率。此外，由于村民雷电知识缺乏，对防雷装置认识不够，接闪塔、接闪带设立于村内有可能因为村民的不当行为，如：攀爬塔杆，搭晒晾衣杆、线路以及雷雨天气在塔杆、引下线附近逗留等，造成不必要的二次雷害。
因此，传统的建筑物防雷措施对于新林村的现状并不适用。根据以往农村防雷示范工程的实施经验及效果，在农村防雷电防护上，应采取区域防雷的理念，才能达到良好的防雷效果，减少二次雷害的发生，即：根据当地农村及其周边地形地貌，综合考虑雷暴活动的路径规律和雷击选择性，在其周边附近区域适当的位置布设一定数量的独立接闪塔，通过接闪塔的引雷特性，提前将雷暴接闪入地，削弱雷云的电荷能量，从而减弱、减少雷击强度和频率，保护村庄免受雷电危害。同时，由于接闪塔的设置地点大多远离人员活动区域，有效减少了二次雷害的发生。
2 新林村雷电防护思路
以区域防雷的理念为基础，针对新林村的地形地貌，以及村民的活动区域，以经济适用为原则，确定建设3座防雷接闪塔，1座防雷避险亭，并完善部分建筑物的防雷设施。具体防雷设计思路如下。
2.1 确定接闪塔位置
2.1.1 查询当地气象资料。该村所处地区受西南夏季风影响，雨季盛行风向以西风、西南风为主，根据云南省ADTD闪电定位数据统计，新林村周围地闪次数以村庄以南居多（见图1）。
2.1.2 勘查当地地貌及民居分布。新林村所在地多为中山，相对高度低于500 m，为小起伏中山地貌，山势对雷云走向不会产生太大影响，接闪塔的布置方位应更多的考虑当地气象条件。村庄建于山脊上，延山脊成东西走向狭长分布，四周山丘较多，接闪塔应选择建于周围较高山丘上（制高点）方能达到更好的引雷截闪效果。同时不宜布置于田地、茶地等农耕地内，并且应距离人员行走的道路3m以上，防止其引发二次雷害。
2.1.3 确定安置范围。流动的雷云经接闪塔接闪放电后变为中性的云团向下风区运动，而未经中和的侧面带电云团将在对流和静电力作用下向中性云团中扩散离子，这一过程的时间和距离与风速有关，并在大气电场未达空气放电临界值500 kV·cm-1以前不会产生新的闪击。初略估计，雷云放电后最少需经二十几秒以后才可能产生新的闪击，通过查询当地气象统计资料，附近雷雨天气的风速大致在3～20m·s-1，以5m·s-1居多，接闪塔的布置位置应距离村庄50～100m内为宜。
综上所述，接闪塔的布置方位应以村庄以西和以南为主，并根据民居分布延西向东布设。根据现场条件，选择在村庄西南面和南面100 m范围内的山丘上分别布设接闪塔1#和接闪塔2#，对来自西面和西南面的雷暴进行截闪，然后在村庄南面100 m范围内的一座孤立土丘上布设接闪塔3#，与接闪塔2#和此处1座距村庄约50 m，近40 m高的通信铁塔共同组成村庄南面的雷电防御屏障（图2）。
2.2 接闪塔设计
接闪塔的高度可根据当地海拔高度和安装地形环境来确定；接闪塔应挂设“雷电危险，请勿靠近”等警示牌，有条件的情况下，宜在其3 m范围外布设隔离护栏，防止有人攀爬和靠近；接闪塔的接地电阻值不宜高于10Ω，若土壤电阻率过高，则可适当放宽限制；若其选址无法避免的置于农耕地内，则其接地体应做好绝缘和均压，防止对周边村民产生二次雷害。
根据新林村接闪塔的安置环境，接闪塔的高度定为20m即可，由于环境限制，无法在其3m范围外布设隔离护栏，因此在塔体距离地面2.7m的高度范围内敷设了防护栅栏（图3）。其中，接闪塔2#由于环境限制，不可避免的安置于茶地之中，而接闪塔3#距离民居建筑A入口较近。为防止二次雷害，接闪塔2#接地体的设计采用半径为5m的环形地网进行埋设，埋设深度为1m；接闪塔3#的接地体则延北面进行埋设。
2.3 确定避险亭位置
防雷避险亭宜选择在易遭雷击、周围无有效避雨场所、村民来往停留较多的地点进行安置。如空旷农田区，道路结合区等地。根据现场环境，考虑到当地茶叶地广阔，村民外出采茶频繁，最终确定在村民采茶回村道路的交汇处布设了1座防雷避险亭（图2），供来往村民避雨防雷。
2.4 防雷避险亭的设计
防雷避险亭参考《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）中第三类防雷建筑物进行设计，以简洁实用为主，外观宜兼顾当地环境和建筑风格。基础采用水平网格设计，接地体采用环形地网进行埋设，以防止二次雷害的发生。在迎风面砌设墙壁，一可遮风挡雨，二可安挂防雷科普宣传资料，增加宣传效果（图4）。
2.5 部分建筑物防雷设施的完善
图2中，建筑物B为新建的茶庄，处于区域防护范围之外，由于其为钢混结构，且基础实测接地电阻值仅为8.9Ω，因此在其屋面敷设接闪带并与2根接地柱筋做可靠连接即可达到良好的防直击雷效果。
2.6 防雷电感应设计
由于项目资金有限，雷电感应的防护重点考虑村中电器设备放置集中、价值及重要程度较高的建筑。根据新林村情况，该建筑确定为村委会办公楼，结合实际，设计在村委会的总电源进线端及各分配电源进线端处各安裝1组电源SPD，形成电源线路2级电涌防护。在其应急值班室通讯设备前端安装1组信号SPD，以防止感应雷电波对应急通讯设备的侵入。后续还将在该村的总进线端和各个民居的进线端处安装电源SPD，形成至少2级防护，以防止感应雷电波对各民居用电设备造成损坏。
3 其他民居分布方式的防雷实施方案
3.1 云南省村落民居分布方式
上述新林村防雷工程为“波涛型”地貌的典型案例，此类型包含处于丘陵，小、中起伏山地区域的农村民居，地势高低起伏，形如波涛。受地形限制，很难找到面积较大的平地来建设居民点，农村民居大多延一条山坡、一条公路、一条河流来建造房屋。此类型在滇东、滇中、滇西南均比较常见，是云南省农村最常见、最广泛的分布方式。除此之外，云南省的村落民居依据山势地形，大致还存在以下3类分布方式：
——盆地型。在盆地、台地等地势较平坦区，大小居民点往往集中于一处，布局紧凑，用地节约，形成较大的人员聚集中心，这样的村落相对较富裕，基础设施较好，该类型在云南农村中占少数。
——大起伏型。在大起伏山地区域，农村民居受地形限制极大，所建民居大多延山谷、峡谷走向进行分布，此类型在滇西北地区较为常见。
——不规则型。有的村民为便于耕作，在自己的耕作田地附近来建造房屋，或高或低，呈现满天星式不规则分布：
3.2 不同分布方式的设计思路
不同的地势地形，也要针对其特点设计不同的方案。其区别主要在于闪电拦截方面。设计思路如下。
——盆地型。针对该类型民居集中的特点，应当查询当地雷暴活动的路径规律，在雷暴来向上（通常为当地夏季风盛行方向），村庄的上风方安装一定数量的独立接闪塔。对于基础设施较好，楼层较高的民居建筑，可根据相关规范完善接闪带等防直击雷装置。应当注意的是：村庄范围内，应尽量避免使用接闪塔。
——大起伏型。该类型山势过高，雷云往往从峡谷的进风口涌入，因此，应着重布置接闪塔在峡谷的进风口较高处。
——不规则型。该类型由于民居过于分散，且基础设施通常较差，通过依靠建设接闪塔等方式来进行雷电防护，其“性价比”太低，考虑到该类型农田广阔，因此资金的投入应着重放在防雷避险亭的布设上。
此外，若户外农田分布较广，周围无安装有效防雷装置的建筑物，应考虑在适当位置布设一定数量的防雷避险亭供附近村民避雨防雷。
4 结语
（1）农村防雷设计应充分考虑当地雷灾特性、气象环境、地形地貌、民居分布、基础设施强弱等特点，结合实际，因地制宜，方能设计出合理有效的方案，利用有限资源最大程度上减少雷电对农村的危害；
（2）部分防雷设施本身起着引雷的作用，若不根据实际情况而盲用和滥用，不仅耗财耗力，且达不到预期的效果，反而还会造成不必要的伤亡和损失；
（3）大部分农村建筑基础设施薄弱，传统的防雷措施可能并不适用，而“区域防雷”的理念为有效的解决途径，且早有一定的实践经验，我们应加强研究，使其完善规范化；
（4）部分村民雷电知识缺乏，防雷避险意识淡薄，在完善相应防雷设施的同时，也应加大对村民雷电基础知识及防灾避险常识的宣传教育，有效规避因避雷行为不当造成的人员伤亡和财产损失。
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