瓜州地区地闪活动特征分析及雷电防御对策

王惟晨 张澄

（酒泉市气象局 甘肃酒泉 735000）

雷电是出现于地球大气中的声、光、电等物理现象，闪电出现瞬间的最大释放电流可达到数十千安培，甚至数百千安培，在放电瞬间，闪电流形成的巨大破坏力和电磁脉冲干扰对人类的生产活动造成了极大影响。据不完全统计，世界上每天出现的雷电超过百万次，因此，闪电灾害已被列为“十大自然灾害”之一［1-6］。

瓜州县隶属于甘肃省酒泉市，地处河西走廊的最西端，东西长185km，南北宽约220km，地理位置在北纬39°53′～41°53′、东经94°45′～97°00′之间，海拔高度介于1060～2000m 之间。2012 年，瓜州县委、县政府为促进全县的经济发展，委托陕西省城乡规划设计研究院、陕西东西部经济研究院，联合编制完成了《酒泉现代资源综合利用产业园总体规划（2011-2030）》，并确定了“一区三园”的工业发展格局模型。“一区”即瓜州工业生产聚集区，“三园”包括北大桥装备制造与农副产品加工产业园、柳园高载能产业园、柳沟综合物流产业园。2020 年，瓜州县对原有规划中根据产业特性，以及依据国家、部委和甘肃省对化工园区建设认定标准的有关规定作出了优化、调整。目前，“一区三园”的工业布局模式已成为瓜州县对外开放的重要平台和经济跨域发展重要载体。

瓜州县属典型的大陆性气候区，其主要特征为降水少、蒸发大、光照时间长［7］。相对于我国同纬度的东部地区而言，虽然瓜州雷电发生次数较少、雷电灾害相对较弱，但是，介于雷电灾害对地方经济发展造成的巨大危害而言，能够准确把握瓜州地区地闪活动规律，规避雷击风险，减少或避免人员伤亡及经济损失，做到未雨绸缪是必要的，也是必需的。同时，通过科学分析瓜州地区地闪活动特征，可以更好地对瓜州地区雷电灾害监测、预报和灾害防御工作提供理论依据［8-9］。

1 资料来源

本文资料数据主要收集自酒泉市气象局观测站1981—2010 年历史气象整编资料，闪电定位数据来源于酒泉市各县区2013—2020年的逐日地闪数据，闪电定位系统工作范围大，探测范围广［10］。

2 地闪活动分析

2.1 概况

通过气象资料分析，瓜州地区一年中地闪活动主要发生在4～10 月之间，其中，6、7、8 月份为雷电多发期。通过1981—2010年的气象历史资料发现，每年的冬季未出现地闪活动，即1、2、3、11、12 月份未有雷暴日记录，这与瓜州地区冬季干旱的气候特征相符。

2.2 时间特征

2.2.1 年变化

分析2013—2020年的年际变化，瓜州地区地闪活动大体呈如下趋势。2019年地闪次数最多，达268次；2018 年地闪次数为126 次；2017 年地闪次数为52 次；2016 年地闪次数为21 次；2015 年地闪次数为53 次；2014 年地闪次数为136 次；2013 年地闪次数为26 次；而2020年地闪次数最少，达到近年来的最低值。从统计情况来看，2013—2019 年地闪次数呈明显增长趋势，限于数据统计年份有限，不排除以后年份地闪次数下降的变化（见图1）。

图1 瓜州地区地闪回击年变化特征

2.2.2 月变化

由2013—2020 年地闪频次月变化（见图2）可知，上半年地闪活动从4 月开始逐月增加，7 月达到顶峰，9 月后地闪逐渐减少，4 月有零星地闪活动，1、2、3、10、11、12 月未有明确地闪记录。瓜州地区的地闪活动主要出现在对流性天气活跃的5～8 月，春秋季较少，冬季则几乎不出现。8月以后，地闪活动虽然相对减少，雷暴天气的概率降低，但仍有地闪发生的可能性。

图2 瓜州地区地闪回击月变化特征

2.2.3 日变化

经过对2013—2020年闪电数据分析可知，瓜州地区地闪日变化呈右偏态分布，第一波明显的峰值出现在傍晚17～18时左右，第二波峰值出现在21时左右，其余时间地闪活动较少（见图3）。因此，在具体的雷电防护工作中，应当密切关注两个地闪峰值区域的闪电活动。

图3 瓜州地区地闪回击日变化特征

2.3 空间特征

2.3.1 地闪电流强度

分析2013—2020 年数据可知，瓜州地区7 月累计雷电回击次数最多超过为235次；5月平均雷电流强度为37.5kA，为全年最高均值；5月出现最大雷电流强度为316.6kA，6月出现最小雷电流强度为5.7kA；1～3月、10～12月无地闪回击记录（见表1）。

表1 2013-2020 年瓜州地区地闪逐月雷电流统计表

2.3.2 地闪密度

参照闪电定位仪数据，将雷电流强度分为4 个等级，即0＜I≤30kA、30＜I≤50kA、50＜I≤100kA 及I＞100kA，利用云地闪回击数据统计得到雷电流强度分布概率图（见图4）。瓜州地区所在地发生的云地闪回击雷电流强度：0～30kA 占地闪数量的58%，30～50kA占地闪数量的25%，50～100kA 占地闪数量的14%，100kA以上的雷电流占3%。

图4 瓜州地区雷电流强度分布概率

3 雷电防御对策

3.1 防直击雷

（1）尽量使用建筑本身的结构钢网制作防雷设备引下线，而对外露引下线宜通过穿绝缘管套（如厚度≥3mm的交联聚乙烯管）等方法进行。

（2）使用建筑物的基础或钢筋大直径网络用作接地设备，在安装人工接地设备时，尽可能设定为呈环形辐射的形式，并与其附近20m 以内的其他接地设备进行≥2处相同的等电位连接［11］。

（3）房屋周边应选择沥青水泥地或其他高电阻材料。在雷雨天气时，应防止地面积水。如附近因绿化设施或其他因素不可避免有裸露土地的，需配备相应的指示牌，提示行人雷雨天气切勿在此避雨逗留。

（4）防直击雷的人工接地体距房屋出入口及人行道间距不应小于3m，在小于3m时，宜采取一些防止跨步电压的保护措施。水平接地体局部深埋不应小于1m，水平接地体局部应包绝缘层（可选用50～80mm 厚的沥青层），使用水泥沥青碎石地，或在接地体上部铺设50～80mm 厚的沥青面等，铺设尺寸应超过接地体2m。

（5）在防雷设备引下线处设置带有防雷标志的测试点，并在其周围设置避免行人接近的警示牌。

（6）路灯灯杆总高在4.00m 之上时（含4.00m），应当选择接闪，但不能使用道路照明玻璃罩当作接闪器，但其金属灯罩可以用作接闪器。

（7）在使用金属灯杆及照明灯塔时，可直接使用灯杆自身作为防雷引下线。在对灯柱和灯塔支柱使用钢筋混凝土连电杆时，则可直接使用在其内的至少2 根管径≥Φ12的结构钢筋做引下线；在无法直接使用其结构钢筋做引下线时，则须另行敷设引下线，并遵守《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）的相关规定［12］。

（8）道路灯具的钢笼在-0.50m 以下，其钢筋表面积大于0.37m2时，可用作防雷接地体，否则，需安装人工接地极。人工的垂直接地极选用热镀锌角钢，垂直于接地极尺寸一般为∠50mm×50mm×5mm，长度为2.5m。要求人工的垂直接地极与基础防雷接地体钢筋笼牢固焊接，基础防雷接地体钢筋笼的钢筋应互相焊接，并与路灯地脚的螺栓可靠焊接。路灯基础防雷接地阻值不应大于10Ω，若大于10Ω的，可增加人工接地体至达到要求为止。

（9）当使用TN-S接地制式时，若PE线≥16mm2时，可以直接使用PE线当作同一线路路灯等电位连线，否则，应用一根Φ12 热镀锌圆钢当作相同线路路灯等电位连线。

（10）在使用TT供电的连接制式时，设备保护连接线宜就近连接在路灯的基础接地装置上，此时，单个路灯基础接地装置接地电阻值应≤4Ω，否则，要适当增设人工的垂直连接体。

3.2 防闪电电涌侵入

为了防止闪电电涌进入，在建筑的地面层处，建筑金属主体、金属设备、建筑内系统、出入建筑的金属管道等应当与雷电防护装置做防雷等电位连接，外墙里、外侧竖直敷设的金属管或金属体的顶部和底部应与雷电防护装置等电位连接。

除了以上的防护措施外，外部雷电防护装置与建筑的金属主体、金属设备、建筑内系统间还应符合间距的规定。

3.2.1 屏蔽

为减少雷击电磁脉冲干扰，本工程建筑物应采取如下屏蔽措施。

（1）建筑的空间屏蔽一般采用建筑的金属材料构架、钢筋混凝土中的钢筋、金属材料墙体、金属材料房顶与雷电防护装置结合，形成格栅的大空间屏障。

（2）任何与建筑物组合在一起的大规格金属均应当以等电位方式连接在一起，并应当与雷电防护装置相连接。

（3）在需要防护的空间里，当使用屏蔽电缆时，其遮蔽层应至少在两头，并宜在防雷区交汇处做等电位连接。当系统需要只在一头做等电位连接时，宜使用内两层遮蔽或穿管方式敷设，而外层遮蔽或管道则最少在两头，并宜在防雷区交汇处做等电位连接。

（4）分隔的构筑物间的联系，如无遮蔽层，线路宜铺设于管道、金属格栅和钢筋成格栅状的混凝土管道内。金属管、金属格栅或钢筋格栅等从一端到另一端都应由导电管贯穿，且应在两端分别连接到建筑物的等电位连接带上。如有屏蔽层，则屏蔽层的两端都应接到建筑的等电位连接带上。

（5）对以金属物、金属框架或钢筋混凝土等自然结构所组成建筑或房间的格栅形大空间屏蔽，可使穿入大空间屏蔽的导电金属体就近与其进行等电位连接。

3.2.2 等电位连接

（1）所有进入到建筑物的外部导电物体都须在LPZ0A 或LPZ0B 与LPZ1 区之间的界面部做等电位连接。当外部导电物体、电气和电子系统的线路从不同地点进入到建筑物内部时，应设有多个等电位连接带，并应使之就近连接到在环形接地体、内部环形导体或电气上相通或相连在接地体或基本连接体的钢筋上。环形接地体和内部环形导体宜直接连接在钢筋或金属立面等其他屏蔽构件上，应每隔5m连接一次。

（2）建筑内的所有设备外露可导电部位与设施外可导电部位均保证可靠接地，金属电缆桥架、金属线路、金属支架、穿线钢管、电梯钢轨、水暖管线及各种金属设备机壳等均应接地。

（3）各接地端子板均宜设置在易于安装和检查的地方，但严禁设置在受潮或有腐蚀气体及容易被机器损坏的地方。等电位接地端子板的连接处应当符合机械设备强度和电气设备工作连续性的规定。

（4）预留接线端子设置应符合以下规定：宜按照出入管道的具体安装位置，留出管线接地端子。强电井、弱电井之间应每层预留出接地端子。电梯井在楼梯底坑内预留出接地端子，中间宜每隔30m 应进行等电位连接。主要装置都应有设备的接地预留端子，并按照接地要求设有汇流排或环形接地母线。在用电设施比较集中的场所，都应该设置电气接地预留端子，供设备、SPD 接地及等电位连接之用。总配电间和各层配电箱处也都应该设计接地预留端子。

3.2.3 合理布线

为防止在线路敷设中形成较大的环路，从而导致由于环路感应产生过高的过电压（流）而损伤设备，选用合理的布线方法，才能尽量避免出现较大的感应环路。

（1）各种电力电缆、通信信号电缆、控制电缆等敷设时，宜避免防雷引下线等LEMP过强的地区，若无法完全避免时，宜采取屏蔽措施。

（2）出入建筑的电力线、通信线和传输线均应通过屏蔽电缆的埋地方式敷设。电缆屏蔽层应在两端接地；长度小于15m的屏蔽电缆则只在室内接地；使用非屏蔽电缆的，应穿金属管埋地敷设。

（3）竖向布线宜选择电缆井的敷设方法；水平布线时，应采取线缆夹层铺设方法。为减少干扰，应依据情况，分层分区设定电缆桥架或汇线槽，使电力电缆和通信、信号、控制等弱电线缆分开敷设［13］。

（4）电缆在同一个通道中或位于同侧的多层支架上敷设时，应按电压等级从高至低的电力电缆、强电至弱电的控制线缆的顺序排列。在条件受限制时，1kV及以下的电力电缆也可与强电控制电缆敷设在同一层支架上。金属电缆支架应有可靠的电气连接并良好接地。

3.2.4 安装电涌保护器（SPD）

（1）低压配电系统电源线路应配置多级电涌防护器（SPD）。在选用电源SPD 时，要注意与SPD 的协调搭配，并选用低残压的SPD。SPD连接导线应当平直，其长度不应大于0.5m。当电压开关型SPD 与限压型SPD 中间的线路长度小于10m、与限压型SPD 间的线路长度小于5m时，应在两级SPD间安装退耦设备。当SPD 具备能量自动配合功能时，SPD 间的线路长度将不受限制［14］。

（2）在弱电系统引入端，应由专业公司安装适配的信号SPD，它将按照电路的实际工作频率、传输介质、特性阻抗等参数，选择电压驻波比和插入损失小的适配SPD。

（3）设计安装的SPD 产品应按有关法规规定办理备案手续，SPD产品的安装方必须具有相应的资质。

4 结语

通过对瓜州地区地闪活动特征分析，提出雷电防御对策，可为今后瓜州地区新、改、扩建项目的雷电灾害预警工作提供科学的防护依据。对各类建设项目可能存在的雷电风险因素进行识别，防患于未然，既满足了安全生产的要求，也体现了“预防为主，防治结合”的理念。