農村防雷工程實施方案的可行性研究

莊嘉 楊宗凱 吳永斌

[摘要]自2011年以來，云南省氣象災害防御技術中心已連續7年開展農村防雷示范工程建設，并在當地取得了一定的社會經濟效益。以鳳慶縣新林村防雷示范工程為例，分析說明在農村防雷工程中，如何根據農村實際情況，針對其特點，設計合理的方案，最大程度減少雷電對農村的危害并有效規避二次雷害。從該村的雷災特性、所處地形地貌、氣象條件、民居分布和基礎設施等實際情況出發，分析傳統雷電防護方法應用于該村的局限性，提出應以區域防雷的理念來進行設計施工，方可滿足防護要求，并對具體設計思路及實施要點進行了闡述。同時結合云南省復雜豐富的地形地貌，對其它地貌環境下農村民居的分布特點予以概述，并提出相應的防雷設計思路。

[關鍵詞]防雷工程；區域防雷；農村雷電防御；地勢地貌；二次雷害

[中圖分類號]X43 [文獻標識碼]A

云南省地處西南邊陲，屬于低緯高原山地地形，盆地、河谷、丘陵，低山、中山、高山交相分布，地形地貌復雜，大部分地區雷暴高發，每年均有相當數量的雷電災害發生。據統計分析發現：云南省雷擊造成人員傷亡一項，大部分發生在廣大農村。本文以鳳慶縣新林村防雷示范工程為例，著重針對不同地貌環境下，農村防雷工程實施方案的可行性進行研究，為農村雷電防御提供參考，合理的進行設計施工，減少雷電對農村的危害。

1 新林村防雷工程分析

云南省鳳慶縣新林村，地處鳳慶縣西北部，境內山丘連綿，氣候屬低緯度高原亞熱帶季風氣候，受印度西南季風和東亞季風交匯以及當地地形的影響，雷暴等災害性天氣頻發。民居延山脊上一條鄉村公路進行分布（見圖2），多為土木和磚混結構，且未安裝任何防雷設施。農作物以茶葉為主，民居周圍遍布茶田。多年來，由于防雷設施的缺乏，以及當地村民對雷電的認識不足和對防雷避險知識的匱乏，而頻受雷擊侵擾，擊傷擊死村民的事故時有發生。

根據新林村雷災的特性，應將保障村民的生命安全置于首位，而雷電的直接危害是威脅村民生命安全的最主要因素。因此，要著重考慮加強人員活動頻繁、易遭雷擊場所及區域的雷電防護。根據彭啟洋、熊長錚統計分析結果，以下兩個區域應作為首要考慮對象。

——房、廊、亭內等有遮蓋的建筑物，這類建筑物雷雨天村民常聚集于此，雷擊易造成群死群傷事件。

——田間地頭、空曠地帶等戶外區域，該區域大多為村民日間勞作所在，雷暴來時，因無法及時躲避或躲避方法不當而造成雷擊傷亡事件，根據多年雷災的統計發現，該區域為農村雷災人員傷亡次數最多的區域。

此外，在進行雷電防護的同時，還要考慮避免防雷設施帶來的跨步電壓、旁側閃絡、接觸高電壓等二次雷害。

通常情況下，建筑物防雷參照《建筑物防雷設計規范》（GB 50057-2010）、《農村民居雷電防護工程技術規范》（GB 50952-2013）等相關防雷技術規范的規定，采取以下2種方法。

方法1：為建筑物增設接閃帶、接閃桿等防雷裝置；

方法2：通過滾球法計算，在其周邊附近豎立接閃塔，使保護對象處于接閃塔的保護范圍之內。

然而，由于新林村的現狀及分布特點，存在以下局限：

——施工難、耗資大。方法1一般為建筑物防雷首選，然而新林村民居住宅大多為土木、磚混結構，接閃帶等防雷裝置基本無法進行設計安裝，甚至安裝后可能帶來新的雷擊隱患。若采用方法2，由于接閃塔保護范圍和安全距離的要求限制，以及農村地勢復雜、民居分布多樣，同時還需考慮土地占用等其他經濟問題，接閃塔選址比較困難，對于新林村這樣民居相對分散的村莊，若要對其實施保護，所需的資金量是比較巨大的。

——風險高。由于接閃塔散擊區的存在，豎立于村內或村邊的接閃塔，除了保護了有限的民居建筑活動區域，卻讓部分民居及村民活動區域處于其散擊區內，增加了遭雷擊的概率。此外，由于村民雷電知識缺乏，對防雷裝置認識不夠，接閃塔、接閃帶設立于村內有可能因為村民的不當行為，如：攀爬塔桿，搭曬晾衣桿、線路以及雷雨天氣在塔桿、引下線附近逗留等，造成不必要的二次雷害。

因此，傳統的建筑物防雷措施對于新林村的現狀并不適用。根據以往農村防雷示范工程的實施經驗及效果，在農村防雷電防護上，應采取區域防雷的理念，才能達到良好的防雷效果，減少二次雷害的發生，即：根據當地農村及其周邊地形地貌，綜合考慮雷暴活動的路徑規律和雷擊選擇性，在其周邊附近區域適當的位置布設一定數量的獨立接閃塔，通過接閃塔的引雷特性，提前將雷暴接閃入地，削弱雷云的電荷能量，從而減弱、減少雷擊強度和頻率，保護村莊免受雷電危害。同時，由于接閃塔的設置地點大多遠離人員活動區域，有效減少了二次雷害的發生。

2 新林村雷電防護思路

以區域防雷的理念為基礎，針對新林村的地形地貌，以及村民的活動區域，以經濟適用為原則，確定建設3座防雷接閃塔，1座防雷避險亭，并完善部分建筑物的防雷設施。具體防雷設計思路如下。

2.1 確定接閃塔位置

2.1.1 查詢當地氣象資料。該村所處地區受西南夏季風影響，雨季盛行風向以西風、西南風為主，根據云南省ADTD閃電定位數據統計，新林村周圍地閃次數以村莊以南居多（見圖1）。

2.1.2 勘查當地地貌及民居分布。新林村所在地多為中山，相對高度低于500 m，為小起伏中山地貌，山勢對雷云走向不會產生太大影響，接閃塔的布置方位應更多的考慮當地氣象條件。村莊建于山脊上，延山脊成東西走向狹長分布，四周山丘較多，接閃塔應選擇建于周圍較高山丘上（制高點）方能達到更好的引雷截閃效果。同時不宜布置于田地、茶地等農耕地內，并且應距離人員行走的道路3m以上，防止其引發二次雷害。

2.1.3 確定安置范圍。流動的雷云經接閃塔接閃放電后變為中性的云團向下風區運動，而未經中和的側面帶電云團將在對流和靜電力作用下向中性云團中擴散離子，這一過程的時間和距離與風速有關，并在大氣電場未達空氣放電臨界值500 kV·cm-1以前不會產生新的閃擊。初略估計，雷云放電后最少需經二十幾秒以后才可能產生新的閃擊，通過查詢當地氣象統計資料，附近雷雨天氣的風速大致在3～20m·s-1，以5m·s-1居多，接閃塔的布置位置應距離村莊50～100m內為宜。

綜上所述，接閃塔的布置方位應以村莊以西和以南為主，并根據民居分布延西向東布設。根據現場條件，選擇在村莊西南面和南面100 m范圍內的山丘上分別布設接閃塔1#和接閃塔2#，對來自西面和西南面的雷暴進行截閃，然后在村莊南面100 m范圍內的一座孤立土丘上布設接閃塔3#，與接閃塔2#和此處1座距村莊約50 m，近40 m高的通信鐵塔共同組成村莊南面的雷電防御屏障（圖2）。

2.2 接閃塔設計

接閃塔的高度可根據當地海拔高度和安裝地形環境來確定；接閃塔應掛設“雷電危險，請勿靠近”等警示牌，有條件的情況下，宜在其3 m范圍外布設隔離護欄，防止有人攀爬和靠近；接閃塔的接地電阻值不宜高于10Ω，若土壤電阻率過高，則可適當放寬限制；若其選址無法避免的置于農耕地內，則其接地體應做好絕緣和均壓，防止對周邊村民產生二次雷害。

根據新林村接閃塔的安置環境，接閃塔的高度定為20m即可，由于環境限制，無法在其3m范圍外布設隔離護欄，因此在塔體距離地面2.7m的高度范圍內敷設了防護柵欄（圖3）。其中，接閃塔2#由于環境限制，不可避免的安置于茶地之中，而接閃塔3#距離民居建筑A入口較近。為防止二次雷害，接閃塔2#接地體的設計采用半徑為5m的環形地網進行埋設，埋設深度為1m；接閃塔3#的接地體則延北面進行埋設。

2.3 確定避險亭位置

防雷避險亭宜選擇在易遭雷擊、周圍無有效避雨場所、村民來往停留較多的地點進行安置。如空曠農田區，道路結合區等地。根據現場環境，考慮到當地茶葉地廣闊，村民外出采茶頻繁，最終確定在村民采茶回村道路的交匯處布設了1座防雷避險亭（圖2），供來往村民避雨防雷。

2.4 防雷避險亭的設計

防雷避險亭參考《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）中第三類防雷建筑物進行設計，以簡潔實用為主，外觀宜兼顧當地環境和建筑風格。基礎采用水平網格設計，接地體采用環形地網進行埋設，以防止二次雷害的發生。在迎風面砌設墻壁，一可遮風擋雨，二可安掛防雷科普宣傳資料，增加宣傳效果（圖4）。

2.5 部分建筑物防雷設施的完善

圖2中，建筑物B為新建的茶莊，處于區域防護范圍之外，由于其為鋼混結構，且基礎實測接地電阻值僅為8.9Ω，因此在其屋面敷設接閃帶并與2根接地柱筋做可靠連接即可達到良好的防直擊雷效果。

2.6 防雷電感應設計

由于項目資金有限，雷電感應的防護重點考慮村中電器設備放置集中、價值及重要程度較高的建筑。根據新林村情況，該建筑確定為村委會辦公樓，結合實際，設計在村委會的總電源進線端及各分配電源進線端處各安裝1組電源SPD，形成電源線路2級電涌防護。在其應急值班室通訊設備前端安裝1組信號SPD，以防止感應雷電波對應急通訊設備的侵入。后續還將在該村的總進線端和各個民居的進線端處安裝電源SPD，形成至少2級防護，以防止感應雷電波對各民居用電設備造成損壞。

3 其他民居分布方式的防雷實施方案

3.1 云南省村落民居分布方式

上述新林村防雷工程為“波濤型”地貌的典型案例，此類型包含處于丘陵，小、中起伏山地區域的農村民居，地勢高低起伏，形如波濤。受地形限制，很難找到面積較大的平地來建設居民點，農村民居大多延一條山坡、一條公路、一條河流來建造房屋。此類型在滇東、滇中、滇西南均比較常見，是云南省農村最常見、最廣泛的分布方式。除此之外，云南省的村落民居依據山勢地形，大致還存在以下3類分布方式：

——盆地型。在盆地、臺地等地勢較平坦區，大小居民點往往集中于一處，布局緊湊，用地節約，形成較大的人員聚集中心，這樣的村落相對較富裕，基礎設施較好，該類型在云南農村中占少數。

——大起伏型。在大起伏山地區域，農村民居受地形限制極大，所建民居大多延山谷、峽谷走向進行分布，此類型在滇西北地區較為常見。

——不規則型。有的村民為便于耕作，在自己的耕作田地附近來建造房屋，或高或低，呈現滿天星式不規則分布：

3.2 不同分布方式的設計思路

不同的地勢地形，也要針對其特點設計不同的方案。其區別主要在于閃電攔截方面。設計思路如下。

——盆地型。針對該類型民居集中的特點，應當查詢當地雷暴活動的路徑規律，在雷暴來向上（通常為當地夏季風盛行方向），村莊的上風方安裝一定數量的獨立接閃塔。對于基礎設施較好，樓層較高的民居建筑，可根據相關規范完善接閃帶等防直擊雷裝置。應當注意的是：村莊范圍內，應盡量避免使用接閃塔。

——大起伏型。該類型山勢過高，雷云往往從峽谷的進風口涌入，因此，應著重布置接閃塔在峽谷的進風口較高處。

——不規則型。該類型由于民居過于分散，且基礎設施通常較差，通過依靠建設接閃塔等方式來進行雷電防護，其“性價比”太低，考慮到該類型農田廣闊，因此資金的投入應著重放在防雷避險亭的布設上。

此外，若戶外農田分布較廣，周圍無安裝有效防雷裝置的建筑物，應考慮在適當位置布設一定數量的防雷避險亭供附近村民避雨防雷。

4 結語

（1）農村防雷設計應充分考慮當地雷災特性、氣象環境、地形地貌、民居分布、基礎設施強弱等特點，結合實際，因地制宜，方能設計出合理有效的方案，利用有限資源最大程度上減少雷電對農村的危害；

（2）部分防雷設施本身起著引雷的作用，若不根據實際情況而盲用和濫用，不僅耗財耗力，且達不到預期的效果，反而還會造成不必要的傷亡和損失；

（3）大部分農村建筑基礎設施薄弱，傳統的防雷措施可能并不適用，而“區域防雷”的理念為有效的解決途徑，且早有一定的實踐經驗，我們應加強研究，使其完善規范化；

（4）部分村民雷電知識缺乏，防雷避險意識淡薄，在完善相應防雷設施的同時，也應加大對村民雷電基礎知識及防災避險常識的宣傳教育，有效規避因避雷行為不當造成的人員傷亡和財產損失。

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