瓜州地區地閃活動特征分析及雷電防御對策

王惟晨 張澄

（酒泉市氣象局 甘肅酒泉 735000）

雷電是出現于地球大氣中的聲、光、電等物理現象，閃電出現瞬間的最大釋放電流可達到數十千安培，甚至數百千安培，在放電瞬間，閃電流形成的巨大破壞力和電磁脈沖干擾對人類的生產活動造成了極大影響。據不完全統計，世界上每天出現的雷電超過百萬次，因此，閃電災害已被列為“十大自然災害”之一［1-6］。

瓜州縣隸屬于甘肅省酒泉市，地處河西走廊的最西端，東西長185km，南北寬約220km，地理位置在北緯39°53′～41°53′、東經94°45′～97°00′之間，海拔高度介于1060～2000m 之間。2012 年，瓜州縣委、縣政府為促進全縣的經濟發展，委托陜西省城鄉規劃設計研究院、陜西東西部經濟研究院，聯合編制完成了《酒泉現代資源綜合利用產業園總體規劃（2011-2030）》，并確定了“一區三園”的工業發展格局模型。“一區”即瓜州工業生產聚集區，“三園”包括北大橋裝備制造與農副產品加工產業園、柳園高載能產業園、柳溝綜合物流產業園。2020 年，瓜州縣對原有規劃中根據產業特性，以及依據國家、部委和甘肅省對化工園區建設認定標準的有關規定作出了優化、調整。目前，“一區三園”的工業布局模式已成為瓜州縣對外開放的重要平臺和經濟跨域發展重要載體。

瓜州縣屬典型的大陸性氣候區，其主要特征為降水少、蒸發大、光照時間長［7］。相對于我國同緯度的東部地區而言，雖然瓜州雷電發生次數較少、雷電災害相對較弱，但是，介于雷電災害對地方經濟發展造成的巨大危害而言，能夠準確把握瓜州地區地閃活動規律，規避雷擊風險，減少或避免人員傷亡及經濟損失，做到未雨綢繆是必要的，也是必需的。同時，通過科學分析瓜州地區地閃活動特征，可以更好地對瓜州地區雷電災害監測、預報和災害防御工作提供理論依據［8-9］。

1 資料來源

本文資料數據主要收集自酒泉市氣象局觀測站1981—2010 年歷史氣象整編資料，閃電定位數據來源于酒泉市各縣區2013—2020年的逐日地閃數據，閃電定位系統工作范圍大，探測范圍廣［10］。

2 地閃活動分析

2.1 概況

通過氣象資料分析，瓜州地區一年中地閃活動主要發生在4～10 月之間，其中，6、7、8 月份為雷電多發期。通過1981—2010年的氣象歷史資料發現，每年的冬季未出現地閃活動，即1、2、3、11、12 月份未有雷暴日記錄，這與瓜州地區冬季干旱的氣候特征相符。

2.2 時間特征

2.2.1 年變化

分析2013—2020年的年際變化，瓜州地區地閃活動大體呈如下趨勢。2019年地閃次數最多，達268次；2018 年地閃次數為126 次；2017 年地閃次數為52 次；2016 年地閃次數為21 次；2015 年地閃次數為53 次；2014 年地閃次數為136 次；2013 年地閃次數為26 次；而2020年地閃次數最少，達到近年來的最低值。從統計情況來看，2013—2019 年地閃次數呈明顯增長趨勢，限于數據統計年份有限，不排除以后年份地閃次數下降的變化（見圖1）。

圖1 瓜州地區地閃回擊年變化特征

2.2.2 月變化

由2013—2020 年地閃頻次月變化（見圖2）可知，上半年地閃活動從4 月開始逐月增加，7 月達到頂峰，9 月后地閃逐漸減少，4 月有零星地閃活動，1、2、3、10、11、12 月未有明確地閃記錄。瓜州地區的地閃活動主要出現在對流性天氣活躍的5～8 月，春秋季較少，冬季則幾乎不出現。8月以后，地閃活動雖然相對減少，雷暴天氣的概率降低，但仍有地閃發生的可能性。

圖2 瓜州地區地閃回擊月變化特征

2.2.3 日變化

經過對2013—2020年閃電數據分析可知，瓜州地區地閃日變化呈右偏態分布，第一波明顯的峰值出現在傍晚17～18時左右，第二波峰值出現在21時左右，其余時間地閃活動較少（見圖3）。因此，在具體的雷電防護工作中，應當密切關注兩個地閃峰值區域的閃電活動。

圖3 瓜州地區地閃回擊日變化特征

2.3 空間特征

2.3.1 地閃電流強度

分析2013—2020 年數據可知，瓜州地區7 月累計雷電回擊次數最多超過為235次；5月平均雷電流強度為37.5kA，為全年最高均值；5月出現最大雷電流強度為316.6kA，6月出現最小雷電流強度為5.7kA；1～3月、10～12月無地閃回擊記錄（見表1）。

表1 2013-2020 年瓜州地區地閃逐月雷電流統計表

2.3.2 地閃密度

參照閃電定位儀數據，將雷電流強度分為4 個等級，即0＜I≤30kA、30＜I≤50kA、50＜I≤100kA 及I＞100kA，利用云地閃回擊數據統計得到雷電流強度分布概率圖（見圖4）。瓜州地區所在地發生的云地閃回擊雷電流強度：0～30kA 占地閃數量的58%，30～50kA占地閃數量的25%，50～100kA 占地閃數量的14%，100kA以上的雷電流占3%。

圖4 瓜州地區雷電流強度分布概率

3 雷電防御對策

3.1 防直擊雷

（1）盡量使用建筑本身的結構鋼網制作防雷設備引下線，而對外露引下線宜通過穿絕緣管套（如厚度≥3mm的交聯聚乙烯管）等方法進行。

（2）使用建筑物的基礎或鋼筋大直徑網絡用作接地設備，在安裝人工接地設備時，盡可能設定為呈環形輻射的形式，并與其附近20m 以內的其他接地設備進行≥2處相同的等電位連接［11］。

（3）房屋周邊應選擇瀝青水泥地或其他高電阻材料。在雷雨天氣時，應防止地面積水。如附近因綠化設施或其他因素不可避免有裸露土地的，需配備相應的指示牌，提示行人雷雨天氣切勿在此避雨逗留。

（4）防直擊雷的人工接地體距房屋出入口及人行道間距不應小于3m，在小于3m時，宜采取一些防止跨步電壓的保護措施。水平接地體局部深埋不應小于1m，水平接地體局部應包絕緣層（可選用50～80mm 厚的瀝青層），使用水泥瀝青碎石地，或在接地體上部鋪設50～80mm 厚的瀝青面等，鋪設尺寸應超過接地體2m。

（5）在防雷設備引下線處設置帶有防雷標志的測試點，并在其周圍設置避免行人接近的警示牌。

（6）路燈燈桿總高在4.00m 之上時（含4.00m），應當選擇接閃，但不能使用道路照明玻璃罩當作接閃器，但其金屬燈罩可以用作接閃器。

（7）在使用金屬燈桿及照明燈塔時，可直接使用燈桿自身作為防雷引下線。在對燈柱和燈塔支柱使用鋼筋混凝土連電桿時，則可直接使用在其內的至少2 根管徑≥Φ12的結構鋼筋做引下線；在無法直接使用其結構鋼筋做引下線時，則須另行敷設引下線，并遵守《建筑物防雷設計規范》（GB 50057-2010）的相關規定［12］。

（8）道路燈具的鋼籠在-0.50m 以下，其鋼筋表面積大于0.37m2時，可用作防雷接地體，否則，需安裝人工接地極。人工的垂直接地極選用熱鍍鋅角鋼，垂直于接地極尺寸一般為∠50mm×50mm×5mm，長度為2.5m。要求人工的垂直接地極與基礎防雷接地體鋼筋籠牢固焊接，基礎防雷接地體鋼筋籠的鋼筋應互相焊接，并與路燈地腳的螺栓可靠焊接。路燈基礎防雷接地阻值不應大于10Ω，若大于10Ω的，可增加人工接地體至達到要求為止。

（9）當使用TN-S接地制式時，若PE線≥16mm2時，可以直接使用PE線當作同一線路路燈等電位連線，否則，應用一根Φ12 熱鍍鋅圓鋼當作相同線路路燈等電位連線。

（10）在使用TT供電的連接制式時，設備保護連接線宜就近連接在路燈的基礎接地裝置上，此時，單個路燈基礎接地裝置接地電阻值應≤4Ω，否則，要適當增設人工的垂直連接體。

3.2 防閃電電涌侵入

為了防止閃電電涌進入，在建筑的地面層處，建筑金屬主體、金屬設備、建筑內系統、出入建筑的金屬管道等應當與雷電防護裝置做防雷等電位連接，外墻里、外側豎直敷設的金屬管或金屬體的頂部和底部應與雷電防護裝置等電位連接。

除了以上的防護措施外，外部雷電防護裝置與建筑的金屬主體、金屬設備、建筑內系統間還應符合間距的規定。

3.2.1 屏蔽

為減少雷擊電磁脈沖干擾，本工程建筑物應采取如下屏蔽措施。

（1）建筑的空間屏蔽一般采用建筑的金屬材料構架、鋼筋混凝土中的鋼筋、金屬材料墻體、金屬材料房頂與雷電防護裝置結合，形成格柵的大空間屏障。

（2）任何與建筑物組合在一起的大規格金屬均應當以等電位方式連接在一起，并應當與雷電防護裝置相連接。

（3）在需要防護的空間里，當使用屏蔽電纜時，其遮蔽層應至少在兩頭，并宜在防雷區交匯處做等電位連接。當系統需要只在一頭做等電位連接時，宜使用內兩層遮蔽或穿管方式敷設，而外層遮蔽或管道則最少在兩頭，并宜在防雷區交匯處做等電位連接。

（4）分隔的構筑物間的聯系，如無遮蔽層，線路宜鋪設于管道、金屬格柵和鋼筋成格柵狀的混凝土管道內。金屬管、金屬格柵或鋼筋格柵等從一端到另一端都應由導電管貫穿，且應在兩端分別連接到建筑物的等電位連接帶上。如有屏蔽層，則屏蔽層的兩端都應接到建筑的等電位連接帶上。

（5）對以金屬物、金屬框架或鋼筋混凝土等自然結構所組成建筑或房間的格柵形大空間屏蔽，可使穿入大空間屏蔽的導電金屬體就近與其進行等電位連接。

3.2.2 等電位連接

（1）所有進入到建筑物的外部導電物體都須在LPZ0A 或LPZ0B 與LPZ1 區之間的界面部做等電位連接。當外部導電物體、電氣和電子系統的線路從不同地點進入到建筑物內部時，應設有多個等電位連接帶，并應使之就近連接到在環形接地體、內部環形導體或電氣上相通或相連在接地體或基本連接體的鋼筋上。環形接地體和內部環形導體宜直接連接在鋼筋或金屬立面等其他屏蔽構件上，應每隔5m連接一次。

（2）建筑內的所有設備外露可導電部位與設施外可導電部位均保證可靠接地，金屬電纜橋架、金屬線路、金屬支架、穿線鋼管、電梯鋼軌、水暖管線及各種金屬設備機殼等均應接地。

（3）各接地端子板均宜設置在易于安裝和檢查的地方，但嚴禁設置在受潮或有腐蝕氣體及容易被機器損壞的地方。等電位接地端子板的連接處應當符合機械設備強度和電氣設備工作連續性的規定。

（4）預留接線端子設置應符合以下規定：宜按照出入管道的具體安裝位置，留出管線接地端子。強電井、弱電井之間應每層預留出接地端子。電梯井在樓梯底坑內預留出接地端子，中間宜每隔30m 應進行等電位連接。主要裝置都應有設備的接地預留端子，并按照接地要求設有匯流排或環形接地母線。在用電設施比較集中的場所，都應該設置電氣接地預留端子，供設備、SPD 接地及等電位連接之用?？偱潆婇g和各層配電箱處也都應該設計接地預留端子。

3.2.3 合理布線

為防止在線路敷設中形成較大的環路，從而導致由于環路感應產生過高的過電壓（流）而損傷設備，選用合理的布線方法，才能盡量避免出現較大的感應環路。

（1）各種電力電纜、通信信號電纜、控制電纜等敷設時，宜避免防雷引下線等LEMP過強的地區，若無法完全避免時，宜采取屏蔽措施。

（2）出入建筑的電力線、通信線和傳輸線均應通過屏蔽電纜的埋地方式敷設。電纜屏蔽層應在兩端接地；長度小于15m的屏蔽電纜則只在室內接地；使用非屏蔽電纜的，應穿金屬管埋地敷設。

（3）豎向布線宜選擇電纜井的敷設方法；水平布線時，應采取線纜夾層鋪設方法。為減少干擾，應依據情況，分層分區設定電纜橋架或匯線槽，使電力電纜和通信、信號、控制等弱電線纜分開敷設［13］。

（4）電纜在同一個通道中或位于同側的多層支架上敷設時，應按電壓等級從高至低的電力電纜、強電至弱電的控制線纜的順序排列。在條件受限制時，1kV及以下的電力電纜也可與強電控制電纜敷設在同一層支架上。金屬電纜支架應有可靠的電氣連接并良好接地。

3.2.4 安裝電涌保護器（SPD）

（1）低壓配電系統電源線路應配置多級電涌防護器（SPD）。在選用電源SPD 時，要注意與SPD 的協調搭配，并選用低殘壓的SPD。SPD連接導線應當平直，其長度不應大于0.5m。當電壓開關型SPD 與限壓型SPD 中間的線路長度小于10m、與限壓型SPD 間的線路長度小于5m時，應在兩級SPD間安裝退耦設備。當SPD 具備能量自動配合功能時，SPD 間的線路長度將不受限制［14］。

（2）在弱電系統引入端，應由專業公司安裝適配的信號SPD，它將按照電路的實際工作頻率、傳輸介質、特性阻抗等參數，選擇電壓駐波比和插入損失小的適配SPD。

（3）設計安裝的SPD 產品應按有關法規規定辦理備案手續，SPD產品的安裝方必須具有相應的資質。

4 結語

通過對瓜州地區地閃活動特征分析，提出雷電防御對策，可為今后瓜州地區新、改、擴建項目的雷電災害預警工作提供科學的防護依據。對各類建設項目可能存在的雷電風險因素進行識別，防患于未然，既滿足了安全生產的要求，也體現了“預防為主，防治結合”的理念。