李衣長 劉學(xué)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(hù)中心，福建 福州 350001;3.福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)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(cái)富，因建成年代久遠(yuǎn)，且大多是木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu),基本無防雷設(shè)施或防雷設(shè)施安裝不到位，一旦遭受雷擊，極易造成木質(zhì)構(gòu)件燃燒和古建筑損毀，甚至造成人員傷亡事故，存在嚴(yán)重的雷擊安全隱患。在科技飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)防雷技術(shù)已無法滿足文物古建筑保護(hù)的新要求，為此，在遵守“不改變原狀”和“最小干預(yù)”的原則下，本文提出從雷電監(jiān)測預(yù)警到雷電防護(hù)，推行新型防雷應(yīng)用技術(shù)。

近年來，許多學(xué)者對文物古建筑物雷電防護(hù)進(jìn)行了大量研究，提出了許多科學(xué)、有效的防雷措施。姜啟成等[1]根據(jù)紫金庵的具體情況和實(shí)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(hù)器、合理布線和良好接地等措施實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)；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(shè)施。上述研究能夠針對文物古建筑的特點(diǎn)，從外部防雷裝置與內(nèi)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(huán)境影響較大，偏向于“被動式”防雷。本文從探索新型防雷應(yīng)用技術(shù)出發(fā)，采用閃電監(jiān)測、雷電災(zāi)害、衛(wèi)星遙感等資料和防雷應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法、災(zāi)情解析法和層次分析法等研究方法，在運(yùn)用精細(xì)化雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃成果基礎(chǔ)上，采用多源融合的雷電預(yù)警技術(shù)，通過智能升降接閃、引下裝置、在線監(jiān)測和控制防雷裝置等手段，實(shí)現(xiàn)文物古建筑防雷“多源監(jiān)測、提前預(yù)警、及時(shí)防護(hù)、智能管理”目的。

2 基于GIS的精細(xì)化雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃

近年來，不少專家學(xué)者在雷電易損度評估與區(qū)劃方面進(jìn)行了研究。賴輝煌等[3]建立基于GIS的精細(xì)化雷電易發(fā)程度綜合評價(jià)模型,在雷電易發(fā)區(qū)識別上具有一定的可行性,生成產(chǎn)品在精細(xì)度、合理性上基本滿足和符合現(xiàn)狀需求。本文以福建省三明市為例，利用GIS技術(shù)將易損性構(gòu)成要素進(jìn)行圖層疊置的方法[4〗，完成1km×1km格柵的精細(xì)化雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃，得到福建某文物古建筑所處區(qū)域的雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃結(jié)果(見圖1)。該文物古建筑所處區(qū)域?yàn)槔纂姙?zāi)害易損度中值區(qū)，雷電活動比較活躍，有著較高的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。因此，在進(jìn)行防雷工程設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃結(jié)論，科學(xué)、合理設(shè)計(jì)防雷設(shè)施。

圖1 文物古建筑所處區(qū)域(3 km范圍)雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃

3 多源數(shù)據(jù)融合的雷電監(jiān)測預(yù)警

目前，國內(nèi)外主要通過閃電定位儀、大氣電場儀、氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)等監(jiān)測手段開展雷電預(yù)警，早期主要依靠一兩種監(jiān)測手段開展雷電預(yù)警。方標(biāo)等[5]利用天氣雷達(dá)與閃電定位儀資料分析開展雷電預(yù)警研究；孟青等[6]利用大氣電場儀組網(wǎng)，自動、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測雷暴中心的電場強(qiáng)度、極性等數(shù)據(jù)，監(jiān)測雷暴的發(fā)生、發(fā)展和移動狀態(tài)，做出雷電預(yù)警。不少學(xué)者融合多種監(jiān)測數(shù)據(jù)開展雷電預(yù)警研究。楊世剛等[7]根據(jù)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(dá)等新型探測資料，采用OSR方法、FORTRAN和VB6.0等語言，建立雷電預(yù)警系統(tǒng)；趙偉等[8]以基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的雷電預(yù)警產(chǎn)品為基礎(chǔ)，融合閃電定位系統(tǒng)和大氣電場數(shù)據(jù)，對原始雷電預(yù)警等級進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)融合多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的雷電預(yù)警方法，結(jié)果表明，漏報(bào)率為31.89%，空報(bào)率為30.54%，臨界成功指數(shù)為60.53%，雷電預(yù)警效果有明顯提高。

4 智能防雷應(yīng)用技術(shù)

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(yù)”的原則，做到對建筑本體和景觀環(huán)境原貌影響最小。傳統(tǒng)防雷技術(shù)是在建筑本體上敷設(shè)防雷裝置，并在建筑基礎(chǔ)周邊開挖埋設(shè)接地裝置，不可避免會對建筑本體和基礎(chǔ)構(gòu)造帶來一定破壞。為此，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)化、信息化新技術(shù)，開發(fā)新型智能化防雷應(yīng)用新技術(shù)、新手段，提升文物古建筑防雷裝置的先進(jìn)性、可擴(kuò)展性和易操作性，是新時(shí)期社會發(fā)展的需要。

4.1 提前預(yù)放電接閃桿

提前放電接閃桿主要通過激發(fā)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(tài)。當(dāng)雷閃發(fā)生前，大氣電場強(qiáng)度會迅猛增大，激發(fā)器與桿尖之間的電位差大致相當(dāng)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(xiàn)象，從而產(chǎn)生一個(gè)早期的上升先導(dǎo)去引導(dǎo)、改變雷云向下先導(dǎo)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(tǒng)接閃桿的“繞擊”和“側(cè)擊”現(xiàn)象。

本文引用某次普遍接閃桿與提前預(yù)放電接閃桿比對試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖2～圖3)，試驗(yàn)時(shí)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(xù)施加沖擊電壓波50次，放電試驗(yàn)的時(shí)間間隔2分鐘。

圖2 普通接閃桿試驗(yàn)布置示意圖

圖3 提前放電接閃桿試驗(yàn)布置示意圖

在同樣的試驗(yàn)條件下，分析普通接閃桿和提前預(yù)放電接閃桿接閃放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4 普通接閃桿和提前預(yù)放電接閃桿接閃放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

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

圖5 提前放電時(shí)間折算圖

目前，國內(nèi)對提前放電接閃桿的保護(hù)范圍未作明確規(guī)定，可參考NFC17-102-2011(法國)的提前放電接閃桿保護(hù)范圍(見圖6)，計(jì)算公式如下：

4.課中交流與總結(jié)。課堂模擬結(jié)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(dāng)中的相關(guān)感受；接著教師結(jié)合課堂模擬進(jìn)行客戶投訴處理技巧知識點(diǎn)的總結(jié)。經(jīng)過前后兩次同一情境下的處理投訴經(jīng)歷，小組成員的認(rèn)識和體會應(yīng)該最為深刻，通過小組成員的闡述，加深學(xué)生對于課堂模擬中投訴處理方案的理解，同時(shí)通過教師分析總結(jié)，使學(xué)生更直觀地了解和掌握教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)。

圖6 提前放電接閃桿保護(hù)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(hù)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(hù)對象，r分別取30m、45m、60m。

△T代表提前放電時(shí)間(單位：μs)；

△L代表上行搶先距離(單位：m)，△L=V×△T，V為先導(dǎo)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(hù)半徑(單位：m)。

4.2 雷電預(yù)警智能升降接閃桿

在雷電發(fā)生前，根據(jù)多源數(shù)據(jù)融合的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警信息，觸發(fā)智能升降驅(qū)動裝置，促使其自動升到預(yù)設(shè)高度，截獲雷電流，再通過自身金屬升降桿引導(dǎo)雷電流瀉散入地，平時(shí)可安裝為隱藏、半隱蔽狀態(tài)，甚至可采用接閃器發(fā)射井，無雷電時(shí)接閃器收至發(fā)射井內(nèi)，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(yù)警的準(zhǔn)確率、穩(wěn)定性有所要求，并需加強(qiáng)發(fā)射井后期的防水、防老化等維護(hù)工作(圖7)。

雷電預(yù)警智能升降接閃系統(tǒng)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(yù)警智能升降接閃桿系統(tǒng)示意圖

4.3 隱形引下線

4.4 雷電峰值記錄儀

根據(jù)GB 51017-2014第4.2.5條規(guī)定，全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位的古建筑和被聯(lián)合國教科文組織列入世界文化遺產(chǎn)目錄的古建筑宜裝設(shè)雷擊計(jì)數(shù)器，為真實(shí)了解雷電活動規(guī)律和檢驗(yàn)防雷裝置的防護(hù)效果，可在接閃桿或引下線上安裝雷電峰值記錄儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄雷擊的強(qiáng)度、極性、時(shí)間和次數(shù)等數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送至客戶端，使管理人員能及時(shí)獲知古建筑是否遭受雷擊以及雷擊的時(shí)間、強(qiáng)度、極性等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.5 電解離子接地極、新型降阻劑與深孔接地井技術(shù)

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(wǎng)，有效增大地中的泄流面積，具有適用巖石沙土等惡劣地質(zhì)條件、施工方便、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。深孔接地井中運(yùn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此在古建筑防雷工程中被廣泛應(yīng)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(shù),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(jì)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(shù)；η—離子接地極相互屏蔽的利用系數(shù)，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(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，具體見表1。

表1 多套電解離子接地極接地電阻校驗(yàn)值

4.6 在線監(jiān)測電涌保護(hù)器(SPD)

在線SPD能及時(shí)發(fā)現(xiàn)老化或因其他原因?qū)е碌牟荒苷９ぷ鲉栴}。包炳生等[9]提出一種在線監(jiān)測、記錄、還原雷擊參數(shù)的“黑匣子”智能儀表，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測雷擊信息，記錄雷電流幅值、持續(xù)時(shí)間、極性與波形等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測SPD運(yùn)行狀況，判斷雷電流的入侵方式，并對SPD進(jìn)行動態(tài)預(yù)警管理。

4.7 在線接地電阻檢測儀

在線接地電阻監(jiān)測儀應(yīng)采用三線法或四線法測試接地電阻值，對接地裝置進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)保存，并可根據(jù)提供的通訊接口和通訊協(xié)議進(jìn)行二次開發(fā)，通過電腦、手機(jī)等有線或無線傳輸方式獲取防雷接地裝置狀況，對所發(fā)現(xiàn)的接地故障提早報(bào)警，減少因接地故障導(dǎo)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(chuàng)新文物古建筑防雷管理手段，綜合運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能化技術(shù)，開發(fā)文物古建筑智慧防雷安全管理平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)多渠道收集和分析雷電監(jiān)測資料，自動生成或接收、發(fā)布雷電預(yù)警信息，在線監(jiān)測和控制防雷裝置(設(shè)備)動作，及時(shí)收集、處理和分析雷電災(zāi)害、防雷裝置狀態(tài)數(shù)據(jù)等功能。構(gòu)建以感知層、網(wǎng)關(guān)/微處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層為架構(gòu)的管理系統(tǒng)(圖8)，針對不同文物古建筑的實(shí)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)層級架構(gòu)

5 結(jié)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(yùn)用新型實(shí)用防雷新技術(shù)出發(fā)，分析雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃、雷電監(jiān)測預(yù)警、智能升降接閃、隱形引下線、接地裝置和在線監(jiān)測與控制防雷裝置等新技術(shù)，探索提升文物古建筑網(wǎng)絡(luò)化、信息化與智能化的實(shí)用防雷新技術(shù)，得出以下結(jié)論。

①運(yùn)用GIS技術(shù)，采用圖層疊置法，使文物古建筑得到精細(xì)化的雷電災(zāi)害易損度區(qū)劃結(jié)果，為其實(shí)施防雷工程設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)依據(jù)。

②運(yùn)用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，雷電預(yù)警的漏報(bào)率為31.89%，空報(bào)率為30.54%，臨界成功指數(shù)為60.53%，雷電預(yù)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(huán)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(hù)范圍；安裝雷電峰值記錄儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測雷擊的強(qiáng)度、極性等數(shù)據(jù)。

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

⑤在線監(jiān)測SPD能實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄電涌保護(hù)器狀態(tài)和雷擊參數(shù)；在線接地電阻檢測儀能對接地裝置進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地故障。

⑥智慧防雷管理平臺能實(shí)現(xiàn)多渠道收集和分析雷電監(jiān)測資料，自動生成或接收雷電預(yù)警信息，在線監(jiān)測和控制防雷裝置(設(shè)備)動作，及時(shí)收集、處理和分析雷電災(zāi)害、防雷裝置狀態(tài)等功能。

當(dāng)前有些防雷應(yīng)用新技術(shù)尚在試驗(yàn)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(jiān)測資料存在混雜的噪聲信號影響，需采取一些技術(shù)手段進(jìn)行去噪處理[10]；存在雷電預(yù)警提前量不足，有時(shí)還會出現(xiàn)漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)情況；智能升降接閃桿性能還不夠穩(wěn)定、可靠；在線接地電阻測試儀測試方法的準(zhǔn)確性和抗干擾能力不強(qiáng)等問題。為此，應(yīng)通過加強(qiáng)應(yīng)用研究與改進(jìn)完善，不斷提升文物古建筑防雷工作的網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化管理水平，切實(shí)保障文物古建筑安全。