文物古建筑的智慧防雷應用技術研究*

李衣長 劉學奎 蔡河章 上官福明 曾繁其

(1.福建省三明市氣象局，福建 三明 365001;2.福建省文物保護中心，福建 福州 350001;3.福建省氣象災害防御技術中心，福建 福州 350008;4.廈門大恒科技有限公司，福建 廈門 3611021)

1 概述

文物古建筑是彌足珍貴的國家寶貴財富，因建成年代久遠，且大多是木結構或磚木結構,基本無防雷設施或防雷設施安裝不到位，一旦遭受雷擊，極易造成木質構件燃燒和古建筑損毀，甚至造成人員傷亡事故，存在嚴重的雷擊安全隱患。在科技飛速發展的今天，傳統防雷技術已無法滿足文物古建筑保護的新要求，為此，在遵守“不改變原狀”和“最小干預”的原則下，本文提出從雷電監測預警到雷電防護，推行新型防雷應用技術。

近年來，許多學者對文物古建筑物雷電防護進行了大量研究，提出了許多科學、有效的防雷措施。姜啟成等[1]根據紫金庵的具體情況和實際需要，采取避雷帶和短避雷針組合形式作為接閃器，安裝了引下線、接地裝置、防接觸電壓與防跨步電壓措施，并通過等電位連接、屏蔽、加裝電涌保護器、合理布線和良好接地等措施實現防雷保護；周乾[2]充分考慮其建造材料大部分為絕緣材料，在故宮博物院絕大部分古建筑上安裝避雷針、避雷帶、引下線、接地裝置和防跨步電壓設施。上述研究能夠針對文物古建筑的特點，從外部防雷裝置與內部防雷考慮采取綜合防雷措施，但對文物建筑本體及周圍環境影響較大，偏向于“被動式”防雷。本文從探索新型防雷應用技術出發，采用閃電監測、雷電災害、衛星遙感等資料和防雷應用試驗數據，運用統計學分析法、災情解析法和層次分析法等研究方法，在運用精細化雷電災害易損度區劃成果基礎上，采用多源融合的雷電預警技術，通過智能升降接閃、引下裝置、在線監測和控制防雷裝置等手段，實現文物古建筑防雷“多源監測、提前預警、及時防護、智能管理”目的。

2 基于GIS的精細化雷電災害易損度區劃

近年來，不少專家學者在雷電易損度評估與區劃方面進行了研究。賴輝煌等[3]建立基于GIS的精細化雷電易發程度綜合評價模型,在雷電易發區識別上具有一定的可行性,生成產品在精細度、合理性上基本滿足和符合現狀需求。本文以福建省三明市為例，利用GIS技術將易損性構成要素進行圖層疊置的方法[4〗，完成1km×1km格柵的精細化雷電災害易損度區劃，得到福建某文物古建筑所處區域的雷電災害易損度區劃結果(見圖1)。該文物古建筑所處區域為雷電災害易損度中值區，雷電活動比較活躍，有著較高的雷電災害風險。因此，在進行防雷工程設計時，要結合雷電災害易損度區劃結論，科學、合理設計防雷設施。

圖1 文物古建筑所處區域(3 km范圍)雷電災害易損度區劃

3 多源數據融合的雷電監測預警

目前，國內外主要通過閃電定位儀、大氣電場儀、氣象衛星、天氣雷達等監測手段開展雷電預警，早期主要依靠一兩種監測手段開展雷電預警。方標等[5]利用天氣雷達與閃電定位儀資料分析開展雷電預警研究；孟青等[6]利用大氣電場儀組網，自動、連續、實時監測雷暴中心的電場強度、極性等數據，監測雷暴的發生、發展和移動狀態，做出雷電預警。不少學者融合多種監測數據開展雷電預警研究。楊世剛等[7]根據山西省的地面氣象站資料，利用自動站、閃電定位儀和新一代多普勒雷達等新型探測資料，采用OSR方法、FORTRAN和VB6.0等語言，建立雷電預警系統；趙偉等[8]以基于雷達數據的雷電預警產品為基礎，融合閃電定位系統和大氣電場數據，對原始雷電預警等級進行修正，實現融合多源監測數據的雷電預警方法，結果表明，漏報率為31.89%，空報率為30.54%，臨界成功指數為60.53%，雷電預警效果有明顯提高。

4 智能防雷應用技術

文物古建筑對防雷工程有特殊的要求，必須遵守“不改變文物原狀”和“最小干預”的原則，做到對建筑本體和景觀環境原貌影響最小。傳統防雷技術是在建筑本體上敷設防雷裝置，并在建筑基礎周邊開挖埋設接地裝置，不可避免會對建筑本體和基礎構造帶來一定破壞。為此，借助物聯網、云計算、大數據等網絡化、信息化新技術，開發新型智能化防雷應用新技術、新手段，提升文物古建筑防雷裝置的先進性、可擴展性和易操作性，是新時期社會發展的需要。

4.1 提前預放電接閃桿

提前放電接閃桿主要通過激發器從大氣電場中吸收并貯存能量，接閃桿桿尖與大地有良好的電氣連接，處于等電位狀態。當雷閃發生前，大氣電場強度會迅猛增大，激發器與桿尖之間的電位差大致相當于雷云與大地之間的電位差，它們之間的電位差迅速增大會造成尖端打火，并使尖端周圍的空氣離子化，形成尖端放電現象，從而產生一個早期的上升先導去引導、改變雷云向下先導的走向，將閃擊精確引到自身并迅速、安全地將雷電流泄放到大地，減少了傳統接閃桿的“繞擊”和“側擊”現象。

本文引用某次普遍接閃桿與提前預放電接閃桿比對試驗數據(見圖2～圖3)，試驗時平板電極為鋁制，直徑3m，H=213 cm，h=100 cm，d=113 cm，鋁板上施加直流電壓-45 kV，分別連續施加沖擊電壓波50次，放電試驗的時間間隔2分鐘。

圖2 普通接閃桿試驗布置示意圖

圖3 提前放電接閃桿試驗布置示意圖

在同樣的試驗條件下，分析普通接閃桿和提前預放電接閃桿接閃放電試驗數據，見圖4。

圖4 普通接閃桿和提前預放電接閃桿接閃放電試驗數據分析圖

從圖4可見，普通接閃桿接閃放電時間的平均值( TSRAT) 為139.0 μs，提前預放電接閃桿接閃放電時間的平均值( TESEAT) 為121.6 μs。根據試驗波形及上升時間Tm=650 μs的參考波形，運用作圖法(見圖5)折算得到該次試驗條件下，提前預放電接閃桿的提前放電時間△T=50.5 μs。

圖5 提前放電時間折算圖

目前，國內對提前放電接閃桿的保護范圍未作明確規定，可參考NFC17-102-2011(法國)的提前放電接閃桿保護范圍(見圖6)，計算公式如下：

4.課中交流與總結。課堂模擬結束后，教師以提問的形式，請課堂模擬小組核心成員談一談自己在兩次不同“情景模擬扮演”當中的相關感受；接著教師結合課堂模擬進行客戶投訴處理技巧知識點的總結。經過前后兩次同一情境下的處理投訴經歷，小組成員的認識和體會應該最為深刻，通過小組成員的闡述，加深學生對于課堂模擬中投訴處理方案的理解，同時通過教師分析總結，使學生更直觀地了解和掌握教學的重點難點。

圖6 提前放電接閃桿保護范圍示意圖

(1)

式(1)中，h代表提前放電接閃桿頂端到被保護平面的垂直高度(單位：m)；

r代表滾球半徑(單位：m)；對于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類保護對象，r分別取30m、45m、60m。

△T代表提前放電時間(單位：μs)；

△L代表上行搶先距離(單位：m)，△L=V×△T，V為先導速度，通常情況V=106m/s ；

Rp(h)代表距提前放電接閃桿頂端垂直距離h平面上的保護半徑(單位：m)。

4.2 雷電預警智能升降接閃桿

在雷電發生前，根據多源數據融合的雷電監測預警系統發出的預警信息，觸發智能升降驅動裝置，促使其自動升到預設高度，截獲雷電流，再通過自身金屬升降桿引導雷電流瀉散入地，平時可安裝為隱藏、半隱蔽狀態，甚至可采用接閃器發射井，無雷電時接閃器收至發射井內，最大程度減少對文物古建筑和周圍景觀的影響，但對雷電預警的準確率、穩定性有所要求，并需加強發射井后期的防水、防老化等維護工作(圖7)。

雷電預警智能升降接閃系統具備一定的智能性、隱蔽性和主動防雷特征，可滿足文物古建筑防雷的特殊需求，適合于低矮民居古建筑物(高度在20 m以下)、集中成片古村落等文物古建筑。

圖7 雷電預警智能升降接閃桿系統示意圖

4.3 隱形引下線

4.4 雷電峰值記錄儀

根據GB 51017-2014第4.2.5條規定，全國重點文物保護單位的古建筑和被聯合國教科文組織列入世界文化遺產目錄的古建筑宜裝設雷擊計數器，為真實了解雷電活動規律和檢驗防雷裝置的防護效果，可在接閃桿或引下線上安裝雷電峰值記錄儀，用于實時監測記錄雷擊的強度、極性、時間和次數等數據，將采集到的數據通過網絡傳送至客戶端，使管理人員能及時獲知古建筑是否遭受雷擊以及雷擊的時間、強度、極性等相關數據。

4.5 電解離子接地極、新型降阻劑與深孔接地井技術

電解離子接地極通過銅管呼吸孔，將活性電解離子釋放到周圍土壤中，并不斷向周圍滲透，形成樹根狀的地網，有效增大地中的泄流面積，具有適用巖石沙土等惡劣地質條件、施工方便、對環境影響小等優點。深孔接地井中運用電解離子接地極，并在離子接地極四周回填新型降阻劑或高效土壤改良劑，使接地電阻值達到設計要求，因此在古建筑防雷工程中被廣泛應用，單套離子接地極接地電阻估算式：

(2)

式(2)中，R—單套離子接地極接地電阻(Ω)；ξ—系數,取0.1；ρ—土壤電阻率(Ω·m)；l—離子接地極長度(m)。

多支電解離子接地極連接在一起,可組成電解離子接地陣列，最大程度解決降阻性、耐腐性和使用壽命等問題，但必須保證兩套接地極之間的距離為其長度2倍以上，多套離子接地極的接地電阻計算公式：

(3)

式(3)中，R′—多套離子接地極接地電阻(Ω)；n—離子接地極套數；η—離子接地極相互屏蔽的利用系數，取0.8。

以某文物古建筑的某次接地裝置安裝為例，安裝32套離子接地極，要求接地電阻值不大于10 Ω，對安裝情況相關數據進行校驗，具體見表1。

表1 多套電解離子接地極接地電阻校驗值

4.6 在線監測電涌保護器(SPD)

在線SPD能及時發現老化或因其他原因導致的不能正常工作問題。包炳生等[9]提出一種在線監測、記錄、還原雷擊參數的“黑匣子”智能儀表，在線實時監測雷擊信息，記錄雷電流幅值、持續時間、極性與波形等數據，實時監測SPD運行狀況，判斷雷電流的入侵方式，并對SPD進行動態預警管理。

4.7 在線接地電阻檢測儀

在線接地電阻監測儀應采用三線法或四線法測試接地電阻值，對接地裝置進行不間斷的實時監測和數據保存，并可根據提供的通訊接口和通訊協議進行二次開發，通過電腦、手機等有線或無線傳輸方式獲取防雷接地裝置狀況，對所發現的接地故障提早報警，減少因接地故障導致的雷擊事故隱患。

4.8 智慧文物古建筑防雷安全管理平臺

通過創新文物古建筑防雷管理手段，綜合運用互聯網、云計算、物聯網、智能化技術，開發文物古建筑智慧防雷安全管理平臺，能夠實現多渠道收集和分析雷電監測資料，自動生成或接收、發布雷電預警信息，在線監測和控制防雷裝置(設備)動作，及時收集、處理和分析雷電災害、防雷裝置狀態數據等功能。構建以感知層、網關/微處理系統、網絡層和應用層為架構的管理系統(圖8)，針對不同文物古建筑的實際需求，滿足模塊化安裝需求，提升古建筑防雷工作的信息化、網絡化和智能化管理水平。

圖8 智慧文物建筑防雷安全管理系統層級架構

5 結論與討論

本文基于文物古建筑對防雷工作的特殊要求，從運用新型實用防雷新技術出發，分析雷電災害易損度區劃、雷電監測預警、智能升降接閃、隱形引下線、接地裝置和在線監測與控制防雷裝置等新技術，探索提升文物古建筑網絡化、信息化與智能化的實用防雷新技術，得出以下結論。

①運用GIS技術，采用圖層疊置法，使文物古建筑得到精細化的雷電災害易損度區劃結果，為其實施防雷工程設計、施工提供科學依據。

②運用多源數據融合技術，雷電預警的漏報率為31.89%，空報率為30.54%，臨界成功指數為60.53%，雷電預警效果有明顯提高。

③安裝智能升降接閃桿、隱形引下線，大大減小對建筑本體和周圍環境的影響；使用提前放電接閃桿可在同等高度的情況下增大保護范圍；安裝雷電峰值記錄儀，可實時監測雷擊的強度、極性等數據。

④采用電解離子接地極、新型降阻劑與深孔接地井技術，大大減少地網開挖面積，能快速降低接地電阻、縮短工期和節省投資。

⑤在線監測SPD能實時監測、記錄電涌保護器狀態和雷擊參數；在線接地電阻檢測儀能對接地裝置進行不間斷實時監測，及時發現接地故障。

⑥智慧防雷管理平臺能實現多渠道收集和分析雷電監測資料，自動生成或接收雷電預警信息，在線監測和控制防雷裝置(設備)動作，及時收集、處理和分析雷電災害、防雷裝置狀態等功能。

當前有些防雷應用新技術尚在試驗或試用階段，還存在一些不成熟、不完善的地方。比如，一些雷電監測資料存在混雜的噪聲信號影響，需采取一些技術手段進行去噪處理[10]；存在雷電預警提前量不足，有時還會出現漏報、錯報情況；智能升降接閃桿性能還不夠穩定、可靠；在線接地電阻測試儀測試方法的準確性和抗干擾能力不強等問題。為此，應通過加強應用研究與改進完善，不斷提升文物古建筑防雷工作的網絡化、信息化、智能化管理水平，切實保障文物古建筑安全。