林场望火楼防雷设计探讨

杜康云++石先跃

摘 要：用于消防防火的林场望火楼，大多数处于林场山区的最高处。望火楼均设有通讯塔，光伏发电、音频报警、无线传输等弱电系统。办公房防雷设施均不完善。人员伤亡及设备损坏的雷击事故经常发生。林场望火楼的防雷必须从实际出发，从直接击雷的防护、雷电感应的防护、雷电波侵入的防护等各方面考虑，因地制宜的设计综合的防雷方案。

关键词：望火楼；防雷；方案

0 引言

河北省最北部的围场满族蒙古族自治县龙头山山顶，是阴山山脉与大兴安岭余脉交汇处，典型的山地地形，海拔1680米，年平均雷暴日50天，属于多雷暴地区。山顶上一座孤零零的二层小楼就是用于森林防火的吉字望火楼。2013年6月16日13时左右，望火楼遭受雷击，直击雷击中望火楼，楼内人员从床上被掀到地下，一人员受轻伤。太阳能转换控制器、逆变器等设备均被击坏，损失近百万元。由于望火楼都设在林场的制高点，到了防火期，瞭望员又必须24小时值守。望火楼内设有设备机房、太阳能板、扩音喇叭等电子设备。为防止或减少雷击所发生的人身伤亡、财产损失及雷击电磁脉冲引发的电气和电子系统损坏或错误运行，望火楼的雷电防护至关重要。因此本文就林场望火楼的防雷设计作一探讨。

1 雷击分析

围场吉字望火楼现有防雷设施如下：设备机房所在屋顶设有一防直接雷击的避雷针，针高7m.。避雷针引下线沿外墙就近入地。避雷针接地体的工频接地电阻实测8.3Ω。机房内设备有太阳能控制器、蓄电池组、逆变器、音频控制设备、无线通讯设备等。所有设备金属外壳均未接地。在逆变器前端安装了一组48v直流浪涌保护器。流浪涌保护器接地线长近5m，工频接地电阻实测10.4Ω。进出机房的线缆有电源线、信号线、控制线、音频线、网线等，均从墙体裸露敷设。离望火楼40m远有一铁塔。铁塔的高度15m。信号线、控制线、音频线、网线等均从铁塔引入设备机房。

雷击分析如下：由于雷击发生后未及时向当地气象部门报告灾情，没能第一时间勘察现场，受损设备大部分已经拆除，剩磁仪器等也无法检测。仅从遭受雷击的情况看，能将在屋内的人员雷击掀翻到地上而受伤，可见此次雷击的强度较大，因此遭受的雷击应为直接雷击。虽然屋顶安装了避雷针，但由于接地体离房间的间距不够，以及房间的金属窗户未做等电位连接，强大的雷电流击中避雷针或屋顶产生的旁侧闪络造成人员受伤。原因其二可能是机架、设备金属外等均未接地，在泄流过程中由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使机房内的金属导线、设备感应出很高的电动势，产生闪电电磁感应将设备击坏。在逆变器前端虽然安装了一组浪涌保护器，但可能是雷电瞬间电流超过SPD设计能力，以及SPD接地线过程，导致有效电压保护水平Up/f高于设备的耐冲击电压额定值Uw，从而未能起到有效的保护作用。

2 望火楼综合防雷

2.1 直接击雷的防护

望火楼本身处于制高点上，外部防雷措施必不可少。但就是否采用避雷针作为接闪器有待商榷。大家知道，建筑物如果安装了接闪器但是没有接地或者接地效果不好的话，在接闪时反倒会对建筑物或其中的人员造成更大的损害，相比没有安装接闪器的建筑物反倒更加不安全，避雷针也变为了“引雷针”。就上述望火楼，避雷针所设位置正好位于设备机房顶，避雷针引下线距机房设备较近，按滚球法计算此避雷针的保护范围不能完成覆盖办公用房，这样势必还需增加避雷针的高度。所以建议现做如下整改：将屋顶避雷针去掉，以减少引雷几率；沿屋顶周边增设避雷带且焊接成闭合环路；在房屋四角敷设4根专用防雷引下线；接地体改为环形共用接地体；通讯铁塔已是一个天然的独立避雷针，室外的太阳能板如在它的保护范围内，可以不再另行加设接闪器；如果不在它的保护范围内可在太阳能板四周加设避雷短针加以保护。

2.2 雷电感应的防护

防雷电感应的接地装置必须与外部防雷装置共地，共用接地阻值要求≤4Ω；机房设备尽量远离外墙引下线；用-4×40mm镀锌扁钢从雷电感应的接地装置引入机房等电位端子；用4平方多股铜线以最短距离将机房设备金属外壳、配电箱、机架等作等电位连接。两处太阳能板所有金属框架必须做好接地，接地电阻要求≤10Ω。屋顶烟囱等金属构件与屋顶避雷带焊接；房屋所有铝合金窗户及金属护栏等与接地装置连接。

2.3 雷电波侵入的防护

为防止雷击电磁脉冲产生的过电压及过电流经入户线路侵入损坏室内的光伏设备，对光伏发电系统的线缆应加装多级浪涌保护器（SPD）。两套太阳能电池方阵经汇流后各有一组直流48V和12V线路入户分别进入各自的光伏控制器，通过逆变后供负载用电的有4路输出线出户，分别是2路视频监控用电，1路无线网桥用电，1路扩音喇叭用电。分别在光伏板侧的汇流箱内安装1组直流电源SPD，在两路直流输入端光伏控制器侧直流柜内分别安装1组光伏直流专用SPD，在交流输出端分别安装1组交流SPD。

视频线、信号线、云台控制线、报警信号线传输距离长，耐压水平低，极易感应雷电流而损坏设备。为了将雷电流从信号传输线传导入地，信号过电压保护器须快速响应，在设计信号传输线的保护时必须考虑信号的传输速率、信号电平，启动电压以及雷电通量等参数。视频线前端和终端应加装阻抗75Ω的SPD；音频线、云台控制线、报警信号线前端和终端根据设备要求应加装工作电压12V或24V的SPD。用于无线网通讯的网线两端分别安装1组信号SPD，无线网桥供电线路输出终端安装1组直流SPD。所有SPD必须按规范要求安装，连接导线应短直，其长度不宜超过0.5m，并固定牢靠，接地端应以最短距离与等电位端子板连接。

3 结束语

本文虽然只对一处望火楼遭受雷击损害的事例作了初步的分析探讨，但它们都有很大的共性。望火楼处于一个特殊的场所，发生雷电灾害的频率较高。雷击不但使电子电器设备极易造成损坏，人员伤亡的事件也时有发生。防雷保护是一个系统工程，最好是在设计施工之前，就要考虑到所处的地理环境，综合考虑，全方位防护，设计合适的防雷方案，才能起到良好的防护效果。

参考文献：

[1]建筑物防雷设计规范[S].GB 50057-2010.

[2]建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].GB50343—2012.endprint