關于陳家祠建筑群現有接閃裝置的技術探討

何耀斌，麥金嬋，賀燦花

（廣州市氣象局，廣東 廣州 510150）

0 引言

位于廣州市荔灣區中山七路的陳氏書院（陳家祠堂），俗稱陳家祠，是全國重點文物保護單位，其籌建于清光緒十六年（1890年），落成于1894 年，占地面積13200m2，是廣東省各地陳氏宗族共同捐資興建的“合族祠”；陳家祠主體建筑平面呈正方形，為“三進三路九堂兩廂杪”院落式布局；陳家祠的建筑以裝飾精巧、堂皇富麗而著稱于世，其采用木雕、石雕、磚雕、泥塑、陶塑、鐵鑄、繪畫工藝的各種各樣裝飾，遍布在祠堂內外的頂檐、廳堂、院落、廊廡之間，圖案題材廣泛，造型生動逼真，雕刻技藝精湛，用筆簡煉粗放卻又精雕細琢，與雄偉的廳堂渾然一體，被譽為“嶺南建筑藝術明珠”[1]。

1 陳家祠防雷類別的劃分

由于陳家祠屬于全國重點文物保護單位，按照《古建筑防雷工程技術規范（GB 51017—2014）》規范要求，根據文物價值、發生雷電事故的可能性和后果等因素劃分，陳家祠屬于第一級防雷古建筑，其防雷裝置設計也應符合《建筑物防雷設計規范（GB 50057—2010）》中第二類防雷建筑物的相關規定[2]。

2 陳家祠現有接閃裝置情況

陳家祠建筑群長度和寬度都為80m，高度均在15m 及以下，其結構主要為磚木，在設計建造之初并未考慮雷電因素的影響，因此自身并沒有任何直擊雷防護裝置，但是在近30 年里，館方發現屋頂每年或多或少會遭遇幾次雷擊，造成屋頂或屋頂上的裝飾不同程度的損毀，雷電防護逐漸引起館方注意；而屋頂正脊、垂脊、屋檐上大量使用泥塑、陶塑工藝裝飾，因此常規的接閃帶、接閃桿、接閃網難以在屋頂正脊、垂脊、屋檐上架設安裝，而且還影響建筑本身的美觀和破壞文物本來的結構，后來經過多方討論，確定在陳家祠建筑群的西北、東北、東南、西南方位安裝4 支20m 高的ESE2500 提前放電針；經過幾年的使用觀察，陳家祠屋頂遭受雷擊的現象確實是減少了，但仍有一回雷電擊中了聚賢堂山墻的屋脊，隨后再經過專家論證，在中進西廳和東進西廳外側各安裝1 支20m 高的ESE5000 的提前放電針，從此之后，陳家祠屋頂遭受雷擊的現象便極少發生了。而正門廣場上有4支金屬旗桿，可以當做普通接閃桿使用。

3 提前放電針與普通接閃桿保護范圍的差異

單支ESE 提前放電針的保護半徑可以按下列公式估算：

其中：Rp-不同針尖高度上的保護半徑（m）；H-滾球半徑，根據防雷類別選取30m、45m、60m、100m；△L-提前放電針上行搶先擊距（根據提前放電針不同的型號，△L 選取25m、40m、50m、60m）；Hp-針尖高度，針尖相對于被保護物頂部的水平高度差。

多針保護范圍可以直接把各個單針的保護范圍進行疊加處理，我們按照第二類防雷建筑物分別計算出ESE2500 和ESE5000 在地上的保護半徑分別為65m 和92m，但是考慮到ESE 放電針在實際使用中對其使用效果有所保留，我們把理論上的保護半徑縮小到70%，縮小后的保護半徑分別取45.5m 和64.4m，通過AUTOCAD 建模得出如圖1 所示的保護范圍[3]。

僅靠4 支ESE2500 保護時，祖堂、中進東廳、首進正廳、首進東廳的上空以及正門廣場區域均不在ESE 放電針的保護范圍內，聚賢堂絕大部分屋頂也不在保護范圍內；當在中進西廳和東進西廳外側增加2 支ESE5000 保護后，6 支ESE 放電針的保護范圍變大，如圖2 所示，能把前面所述的祖堂、中進東廳、首進正廳、首進東廳、聚賢堂的上空全部被覆蓋了，也許這剛好也解釋了之前只安裝4 支ESE2500 作為保護時，聚賢堂山墻屋脊仍遭受到雷擊的原因。

圖1 4 支ESE2500 的保護范圍

圖2 4 支ESE2500 和2 支ESE5000 的保護范圍

按照我國現有的國家標準規范《建筑物防雷設計規范（GB 50057—2010）》要求，接閃桿的保護范圍依然采用滾球法[4]，按照不同防雷類別對應不同的保護半徑的球體，貼近地面和圍繞接閃桿頂端旋轉，球面接觸不到的地方便認為是受保護區域，而不同保護高度對應不同的保護半徑，其可以按下列公式估算：

其中：Rx-接閃桿在Hx高度上保護半徑（m）；Hr-滾球半徑（m）；H-接閃桿高度（m）；Hx被保護物的高度（m）。當兩支接閃桿間距靠得比較近時，會有共同保護范圍的產生，但這個保護范圍會隨著兩接閃桿間距的增大而逐漸減少甚至互不相關。

采用滾球法把6 支ESE 放電針和4 支旗桿當作普通接閃桿看待，可以得出如圖3 所示的保護范圍；通過計算，單支ESE 放電針利用滾球法在15m 高度時的保護半徑僅為3.9m，而在10m高度時的保護半徑也才9.1m，而且該保護半徑僅以接閃桿自身為圓心，難以覆蓋到陳家祠建筑物的上空。

陳家祠建筑群大部分的屋頂都暴露在非防護區，很有可能遭受到直接雷擊，分析其原因主要是：接閃桿之間的間距太大，從而使接閃桿兩兩之間的共同保護作用被嚴重弱化，不能形成有效的保護。

圖3 利用滾球法求出10 支接閃桿的保護范圍

4 ESE 放電針或接閃桿對周邊電氣設備的影響

ESE 放電針的桿體或普通接閃桿的桿體，均使用一整根的金屬鋼管，桿體從地面到離地3m 的部分都套上了PVC 套管，在一定程度上能起到防接觸電壓的作用。但桿體本身既是接閃桿（廣義）又是引下線（狹義），當接閃器被雷電擊中時，桿體因流過雷電流而向外產生巨大的電磁脈沖輻射，PVC 套管對電磁脈沖輻射無任何衰減作用，該電磁脈沖輻射會嚴重影響附近電氣設備的正常工作，一些屏蔽能力差或耐壓水平低下的電氣設備甚至會出現永久性損壞的情況。因此，布置在接閃桿周邊的電氣設備在架設之初就應做好電磁屏蔽和等電位連接措施，對于現在已投入使用的電氣設備建議做好等電位連接、綜合布線等措施，并電氣線路入戶端安裝相匹配的電涌保護器加以保護。

5 結論

陳家祠建筑群現有的ESE 放電針的確能起到的一定的雷電防護作用，但套用我國現有相關規范，其防護能力是有待提高的；館方在新增電氣設備時，應做好合理布線、電磁屏蔽和等電位連接措施；館方應密切關注天氣預報或采用專業氣象服務，雷雨天氣來臨前或過程中，應及時引導游客到磚木結構的建筑物內進行安全躲避，不應在ESE 放電針或接閃桿周邊停留。