古树名木雷电灾害防御研究

杨 磊高级工程师 强玉华高级工程师

(丽水市气象局，浙江 丽水 323000)

0 引言

古树是指树龄在100年以上树木，名木是指稀有、珍贵和具有历史价值、重要纪念意义的树木。随着建设美丽中国、森林城市的推进，各地方政府对古树名木的保护也更加重视，多个省份相继出台古树名木保护办法。影响古树名木生长的因素比较多，其中自然现象对古树名木的影响主要包括大风、霜冻和雷电，其中雷电对树木的破坏最严重，直接造成树木劈裂、折断、起火甚至死亡。例如，2021年5月12日，福建福安市600多年树龄古树遭受雷击起火燃烧；2020年6月，湖北省浠水县汪岗镇潭庙冲村500年以上树龄的古树多次遭雷击。全国因雷击引起的古树损坏十分常见，为防止其再次遭受雷击，通常在古树名木上安装防雷装置。目前研究主要有：李万里浅析古树名木防雷与接地设计注意事项；王海芸探讨古树采用独立避雷针进行防护的必要性和避雷针安装的位置；李兆华等提出采用不同类型的接闪装置对单株、多株古树名木实施防雷保护的技术要求和方法。目前古树名木雷电防御研究大多集中在工程性的防御方法，很少对古树名木开展风险等级的划分，较少研究建筑物与古树间的相互影响。古树名木通常生长于村落、古刹、风景名胜区，建筑物与古树名木之间相互影响，在保护古树名木的同时需要统筹考虑建筑物和人员安全。本文通过分析雷电危害机理，计算雷电灾害风险数据，确定古树名木的防护等级，同时采取工程性的雷电防护方法，制定科学的雷电防护方案。

1 古树名木的雷电危害机理

2 古树名木雷电损害风险计算及防御

2.1 雷电损害风险计算

古树名木遭受雷击的次数和风险与古树名木的高度、形状、所处的地理位置、当地的雷暴强度及周边建筑物对古树的影响有关。古树名木和建筑物的年预计雷击次数

N

可表示为：

N

=

k

·

N

·

A

(1)

式中：

N

—古树或建筑物年预计雷击次数，次/a；

N

—年雷击大地密度，次/km/a；

A

—古树或建筑物雷击等效面积，km；

k

—古树或建筑物所处位置修正系数。

N

结合30年人工雷暴日观测和10年闪电定位仪探测记录综合分析来计算，可表示为：

N

=(0

.

1

T

×

T

+

N

1×

T

)

/

(

T

+

T

)

(2)

式中：

T

—人工观测雷暴日年限，a；

T

—年均雷暴日，当地为69.4天；

N

1—地闪探测数值，次/km/a；

T

—地闪数据探测年限，a。

根据古树和建筑物年预计雷击次数，以及《古树名木保护办法》中规定的分级保护办法，划分防雷保护等级。

2.2 古树名木的雷电防御

按防雷等级划分进行防雷保护，可从3方面进行考虑，其一是在古树上直接安装防雷装置；其二是在古树名木附近建筑物上安装防雷装置，使其保护范围能覆盖古树；其三是在古树名木附近地面安装独立接闪器。

(1)在古树名木直接安装防雷装置，防雷装置包括接闪器、引下线、接地装置。接闪器直接设置在树木的主干或粗壮树干的最顶部，要便于安装和固定。接闪器的高度应高于树冠最高点不小于1.0m。接闪器的材质应优先采用圆钢，圆钢的尺寸参照《建筑物防雷设计规范》中5.2条款相关规定。接闪器采用抱箍固定，应考虑树体的生长变化，抱箍宜采用柔性材料作为底衬，柔性材料的宽度应大于抱箍宽度，且抱箍长度应留有一定余量。

引下线的上端与接闪器连接，下端与接地装置连接。连接方式可以采用焊接或螺栓压接，连接点过渡电阻应不大于0.03Ω，根数不应少于2根，可选用多芯铜绞线或钢绞线等较好施工的材质，布设于树冠的稀疏一侧。引下线应以最短路径接地，尽量保持平直，转弯处应为钝角。古树名木周围有人员活动，引下线从地面至2.7m高度设置绝缘套管，防止接触电压和旁侧闪击。引下线距地0.3～1.8m间应设置断接卡，便于检修维护。为防止雷电引起的接触电压和跨步电压，还应在引下线距地面高度3m内设置防雷警示标识，并在距古树名木投影外设置非金属封闭围栏。

接地装置应布置在古树名木树冠的稀疏一侧，设置在树冠垂直投影3m以外，避免破坏古树名木的根系。水平接地体通常采用圆钢或扁钢，埋深不宜小于0.8m；垂直接地体通常采用角钢、钢管或圆钢，长度不小于2.5m，间距大于5m。条件容许情况，接地装置应围绕古树名木设置成环形接地体。冲击接地电阻值不大于30Ω。传统的圆钢、扁钢、角钢等材料在布设时可能伤害到古树根系，可采用复合材料组成的接地降阻模块或采用深井钻孔技术，通过减少对土壤的开挖，从而减少对根系破坏。当接地电阻值较高时，对开挖的人工接地槽，回填土壤电阻率更低的土壤来降低接地电阻。

(2)在古树名木周边建筑物上设置接闪器或在古树3m外布置独立接闪器，也可以对古树名木形成有效保护。设置的接闪器高度参照《建筑物防雷设计规范》中附录D中滚球法确定接闪器的保护范围相关条款规定。

3 风险等级划分及防御实例

3.1 风险等级划分

以位于东经119°56′2"北纬28°28′8"的一株古樟树和一幢建筑物为例，该古樟树高度为21.6m，树冠最宽为27.8m。周围15.7m处有一幢18.6m×11.5m×12.6m的民用建筑物。

将古树及建筑物3km范围内近10年的闪电定位数据、闪电强度数据等通过Sufer软件进行分析，所在地3km范围总闪电次数117次，探测平均地闪密度约为：

N

1=5.9次/km/a，如图1。平均雷击电流强度为30.9kA，如图2；最大正闪电强度为213.2kA，最大负闪电强度为-126.1kA。

图1 平均地闪密度分布图Fig.1 Average lightning density distribution

图2 平均雷击电流分布图Fig.2 Average lightning current distribution

古树的形状和建筑物常见的规则长宽高不同，

A

应根据树木形状进行计算，沿树木周边逐点计算出最大扩展宽度，可通过ATOUCAD绘制古树的雷击等效接收面积图来计算，古树雷击等效面积

A

1为0.018 13km。

建筑物的雷击等效接收面积按下式计算：

+

πH

(200-

H

)×10

(3)

式中：

L

、

W

、

H

—分别为建筑物的长、宽、高，m。根据式(3)计算，建筑物的

A

2为0.010 55km。

当古树和建筑物的距离较近时，古树和建筑物之间存在相互作用，计算雷击等效接收面积时应考虑其相互影响。

(4)

式中：

L

—建筑物与树木平行长度，m；

D

—古树雷击等效面积时的扩展宽度，m。

(5)

L

—古树与建筑物平行长度，m。

D

—建筑物雷击等效面积时的扩展宽度，m。

将以上分析的雷击等效面积

A

，通过式(2)计算的雷击大地密度

N

，修正系数

k

=1，带入式(1)计算结果，见下表。

表 年预计雷击次数Tab. Estimated annual number of lightning strikes

通过计算以上情况的年预计雷击次数

N

均大于0.05次/年，小于0.25次/年，如按照建筑物防雷等级来划分，古树和建筑物均应划为第三类，均须要安装防雷装置。

3.2 雷电防御措施

本文案例中的古树可以直接在古树上安装防雷装置，也可采用古树附近其他位置另设防雷装置，使古树名木在保护范围内，因此考虑3种方案，方案一为在周围建筑物上设置接闪器；方案二为在古树3m外布置独立接闪器；方案三在古树上直接安装防雷装置。

3.2.1 建筑物上设置防雷装置

在距离古树最高点水平距离为29.6m的民用建筑物上设置接闪器，希望能在保护民用建筑物的同时使古树也在保护范围内。

(6)

式中：

h

—避雷针的高度，m；

r

—避雷针在

h

高度的保护半径，m；

h

—滚球半径，三类防雷建筑物为60m；

h

—被保护物的高度，m。被保护物古树的高度

h

=21.6m，设置在民用建筑物上的避雷针距地高度暂按

h

=60m计算，代入式(6)，在保护高度为21.6m时，保护最大宽度仅为13.89m，远小于29.6m。

因此，由于建筑物距离古树较远，且建筑物高度较低，本文中案例不能采用在建筑物上设置接闪器来保护古树。

3.2.2 设置独立接闪器

在地面设置独立接闪器也是常用的保护方法，要保持独立接闪杆和古树名木之间的间隔距离达到安全距离，且不得小于3m。间隔距离

S

按式(7)、(8)计算。当

h

<5

R

时，

S

≥0

.

4(

R

+0

.

1

h

)

(7)

当

h

≥5

R

时，

S

≥0

.

1(

R

+

h

)

(8)

地网的冲击接地电阻按

R

=30Ω计算，

h

=21.6m，代入式(7)，计算得出

S

≥12.86m，距离太远，施工难度较大。通常将接地电阻控制在10Ω以内较为简单，当地网冲击接地电阻按

R

=10Ω，计算得出

S

≥4.86m。为保留余量可选取S=5m。那么独立避雷针距离古树最远处为18.9m。仍然大于针高为60m，保护高度为21.6m时的最大保护宽度13.89m。

因此，由于古树自身高度较高，树冠面积较大，本文中案例不能采用独立设置接闪器保护古树。

3.2.3 在古树上安装防雷装置

传统的接闪器和引下线的布置对树木的主干均有不同程度的影响，施工工艺不完善影响古树名木的生长，失去对古树名木保护的意义。本文提出给古树的顶部主干和主要分支部分套上金属外衣，类似于给人类穿上金属屏蔽服，金属外衣由“8”字形的基本单元组成，环环相扣，组成形状各异的金属外衣，便于施工安装且安装成本较低，不会对古树名木生长产生影响。该金属外衣形成的法拉第金属屏蔽网，能有效地保护古树名木的主要树干。金属外衣可延伸至树木的各个支杆，也可在主要部分布置，与接地体通过引下线连接也可以直接与接地装置连接。

4 结论

(1)雷击古树名木造成树干的爆裂并可能引发火灾，同时对附近的人员、建筑物、设备造成雷电次生危害，包括接触电压、跨步电压、旁侧闪击、电磁效应和高电位反击。

(2)雷击发生时，古树和周围建筑物之间存在相互影响。通过实例计算不同影响下的雷击等效接收面积和年预计雷击次数。根据古树和建筑物年预计雷击次数，划分出古树名木防雷保护等级为第三类。

(3)研究将防雷装置布置在古树名木主干顶部，并安装接闪器、引下线、接地装置的基本方法。为减少接闪器和引下线布置时对古树的机械损伤，降低安装难度，提出给古树安装金属屏蔽衣的设想。同时，在古树附近的建筑物上设置接闪器或者在地面设置独立接闪器来保护古树名木，是需要通过计算来确定方案的可行性。