关于陈家祠建筑群现有接闪装置的技术探讨

何耀斌，麦金婵，贺灿花

（广州市气象局，广东 广州 510150）

0 引言

位于广州市荔湾区中山七路的陈氏书院（陈家祠堂），俗称陈家祠，是全国重点文物保护单位，其筹建于清光绪十六年（1890年），落成于1894 年，占地面积13200m2，是广东省各地陈氏宗族共同捐资兴建的“合族祠”；陈家祠主体建筑平面呈正方形，为“三进三路九堂两厢杪”院落式布局；陈家祠的建筑以装饰精巧、堂皇富丽而著称于世，其采用木雕、石雕、砖雕、泥塑、陶塑、铁铸、绘画工艺的各种各样装饰，遍布在祠堂内外的顶檐、厅堂、院落、廊庑之间，图案题材广泛，造型生动逼真，雕刻技艺精湛，用笔简炼粗放却又精雕细琢，与雄伟的厅堂浑然一体，被誉为“岭南建筑艺术明珠”[1]。

1 陈家祠防雷类别的划分

由于陈家祠属于全国重点文物保护单位，按照《古建筑防雷工程技术规范（GB 51017—2014）》规范要求，根据文物价值、发生雷电事故的可能性和后果等因素划分，陈家祠属于第一级防雷古建筑，其防雷装置设计也应符合《建筑物防雷设计规范（GB 50057—2010）》中第二类防雷建筑物的相关规定[2]。

2 陈家祠现有接闪装置情况

陈家祠建筑群长度和宽度都为80m，高度均在15m 及以下，其结构主要为砖木，在设计建造之初并未考虑雷电因素的影响，因此自身并没有任何直击雷防护装置，但是在近30 年里，馆方发现屋顶每年或多或少会遭遇几次雷击，造成屋顶或屋顶上的装饰不同程度的损毁，雷电防护逐渐引起馆方注意；而屋顶正脊、垂脊、屋檐上大量使用泥塑、陶塑工艺装饰，因此常规的接闪带、接闪杆、接闪网难以在屋顶正脊、垂脊、屋檐上架设安装，而且还影响建筑本身的美观和破坏文物本来的结构，后来经过多方讨论，确定在陈家祠建筑群的西北、东北、东南、西南方位安装4 支20m 高的ESE2500 提前放电针；经过几年的使用观察，陈家祠屋顶遭受雷击的现象确实是减少了，但仍有一回雷电击中了聚贤堂山墙的屋脊，随后再经过专家论证，在中进西厅和东进西厅外侧各安装1 支20m 高的ESE5000 的提前放电针，从此之后，陈家祠屋顶遭受雷击的现象便极少发生了。而正门广场上有4支金属旗杆，可以当做普通接闪杆使用。

3 提前放电针与普通接闪杆保护范围的差异

单支ESE 提前放电针的保护半径可以按下列公式估算：

其中：Rp-不同针尖高度上的保护半径（m）；H-滚球半径，根据防雷类别选取30m、45m、60m、100m；△L-提前放电针上行抢先击距（根据提前放电针不同的型号，△L 选取25m、40m、50m、60m）；Hp-针尖高度，针尖相对于被保护物顶部的水平高度差。

多针保护范围可以直接把各个单针的保护范围进行叠加处理，我们按照第二类防雷建筑物分别计算出ESE2500 和ESE5000 在地上的保护半径分别为65m 和92m，但是考虑到ESE 放电针在实际使用中对其使用效果有所保留，我们把理论上的保护半径缩小到70%，缩小后的保护半径分别取45.5m 和64.4m，通过AUTOCAD 建模得出如图1 所示的保护范围[3]。

仅靠4 支ESE2500 保护时，祖堂、中进东厅、首进正厅、首进东厅的上空以及正门广场区域均不在ESE 放电针的保护范围内，聚贤堂绝大部分屋顶也不在保护范围内；当在中进西厅和东进西厅外侧增加2 支ESE5000 保护后，6 支ESE 放电针的保护范围变大，如图2 所示，能把前面所述的祖堂、中进东厅、首进正厅、首进东厅、聚贤堂的上空全部被覆盖了，也许这刚好也解释了之前只安装4 支ESE2500 作为保护时，聚贤堂山墙屋脊仍遭受到雷击的原因。

图1 4 支ESE2500 的保护范围

图2 4 支ESE2500 和2 支ESE5000 的保护范围

按照我国现有的国家标准规范《建筑物防雷设计规范（GB 50057—2010）》要求，接闪杆的保护范围依然采用滚球法[4]，按照不同防雷类别对应不同的保护半径的球体，贴近地面和围绕接闪杆顶端旋转，球面接触不到的地方便认为是受保护区域，而不同保护高度对应不同的保护半径，其可以按下列公式估算：

其中：Rx-接闪杆在Hx高度上保护半径（m）；Hr-滚球半径（m）；H-接闪杆高度（m）；Hx被保护物的高度（m）。当两支接闪杆间距靠得比较近时，会有共同保护范围的产生，但这个保护范围会随着两接闪杆间距的增大而逐渐减少甚至互不相关。

采用滚球法把6 支ESE 放电针和4 支旗杆当作普通接闪杆看待，可以得出如图3 所示的保护范围；通过计算，单支ESE 放电针利用滚球法在15m 高度时的保护半径仅为3.9m，而在10m高度时的保护半径也才9.1m，而且该保护半径仅以接闪杆自身为圆心，难以覆盖到陈家祠建筑物的上空。

陈家祠建筑群大部分的屋顶都暴露在非防护区，很有可能遭受到直接雷击，分析其原因主要是：接闪杆之间的间距太大，从而使接闪杆两两之间的共同保护作用被严重弱化，不能形成有效的保护。

图3 利用滚球法求出10 支接闪杆的保护范围

4 ESE 放电针或接闪杆对周边电气设备的影响

ESE 放电针的杆体或普通接闪杆的杆体，均使用一整根的金属钢管，杆体从地面到离地3m 的部分都套上了PVC 套管，在一定程度上能起到防接触电压的作用。但杆体本身既是接闪杆（广义）又是引下线（狭义），当接闪器被雷电击中时，杆体因流过雷电流而向外产生巨大的电磁脉冲辐射，PVC 套管对电磁脉冲辐射无任何衰减作用，该电磁脉冲辐射会严重影响附近电气设备的正常工作，一些屏蔽能力差或耐压水平低下的电气设备甚至会出现永久性损坏的情况。因此，布置在接闪杆周边的电气设备在架设之初就应做好电磁屏蔽和等电位连接措施，对于现在已投入使用的电气设备建议做好等电位连接、综合布线等措施，并电气线路入户端安装相匹配的电涌保护器加以保护。

5 结论

陈家祠建筑群现有的ESE 放电针的确能起到的一定的雷电防护作用，但套用我国现有相关规范，其防护能力是有待提高的；馆方在新增电气设备时，应做好合理布线、电磁屏蔽和等电位连接措施；馆方应密切关注天气预报或采用专业气象服务，雷雨天气来临前或过程中，应及时引导游客到砖木结构的建筑物内进行安全躲避，不应在ESE 放电针或接闪杆周边停留。