文物古建筑雷电防护关键技术研究

李衣长 刘学奎 陈 林

(1.福建省三明市气象局 福建三明 365000；2.福建省文物保护中心 福建福州 350000)

0 引言

我国文物古建筑数量庞大、风格各异，以其独特的历史、文化价值编织着中华民族璀璨的文明发展史，其承载的建筑思想、建筑美学和营造法式贯穿于秦汉至明清二千多年，是国家的宝贵财富。遗憾的是，这些古建筑多为土木结构、砖木结构或砖木石结构，近年来时常发生因雷击造成严重损毁或引发火灾事故，给文物古建筑保护工作带来难以挽回的损失。因此，文物古建筑的雷电防护安全工作非常重要。

雷电是自然界中一种极为壮观的声、光、电现象，在一系列复杂的大气运动中，最终形成在云层的下端带负电，云层的上端带正电的雷雨云。当雷雨云与大地之间的电场强度达到一定程度时，雷雨云就会对大地放电，产生强烈的雷击现象。文物古建筑大多位于郊区旷野，四周平坦空旷，雷电环境恶劣，自古以来，因雷击造成严重损毁或起火焚毁事件不胜枚举。如：明朝时期北京故宫前朝三大殿3次遭雷击被焚；1969年9月，承德避暑山庄普佑寺遭雷击起火，著名的法轮殿和周围裙楼、配殿 94间全部付之一炬；1987年 8月，北京故宫博物院景阳殿遭雷击引发火灾，大殿局部被烧毁；2010年7月24日，内蒙古兴安盟乌兰浩特市普惠寺大雄宝殿因雷击发生火灾，等等。为防止或减少雷击文物古建筑物所引发的人身伤亡、文物损伤和财产损失，亟需开展文物古建筑雷电防护的关键技术研究。

2002年4月，时任福建省省长的习近平为《福州古厝》一书作序时写道：“保护好古建筑、保护好文物就是保护历史，保存城市的文脉，保存历史文化名城无形的优良传统”，近几年来，随着我国对文物古建筑保护力度的不断加大，文物古建筑的雷电防护工作也成为了一个倍受关注的安全问题。因此，本文拟通过对泰宁县某全国重点文物古建筑所处区域雷电活动规律、文物古建筑防雷工程设计中普遍存在问题的分析，提出对文物古建筑雷电防护的一些关键技术措施，希望能对文物古建筑的雷电防护发挥技术指导作用[1]。

1 雷电活动规律及其影响分析

文物古建筑频繁遭受雷击的一个重要原因，就是文物古建筑所处地段的雷电活动活跃，雷击环境恶劣造成的，所以在对文物古建筑的防雷工程设计时，开展雷电活动规律及其影响分析非常必要。只有在认真勘察文物古建筑所处区域的地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律基础上，才能够设计出“安全可靠、技术先进、经济合理”的综合防雷工程方案。

基此，本文以泰宁县某全国重点文物保护单位的文物古建筑为例，采用福建省气象局2005～2012年期间的闪电定位监测数据、人工观测雷暴日数据，采取统计学分析法、灾情解析法等分析方法，分析其所处区域的雷电活动年变化、月变化与时变化、雷电流大小与落雷方位以及雷电灾害易损度区划等，得出其所处区域的雷电活动规律及其影响，为开展防雷工程设计提供技术支撑。

1.1 雷电活动年变化

通过对2005～2012年期间闪电定位监测资料分析，以泰宁县某全国重点文物古建筑中心点位置为圆心，统计出3km范围内监测到的雷闪总次数449次，以每年雷闪次数为基础，绘制出雷电活动年变化统计图(图1)。

图1 古建筑所处区域(3km范围)雷电活动年变化统计图

由图1可知：该古建筑物3km范围内年雷闪次数均值56.1次，但年际变化较大，2006年最大，达187次；2009 年最小，仅为 14次。通过对2005～2012年人工观测雷暴日数据分析，该县年平均雷暴日数56d，属多雷区；最大值68d，出现在2010年；最小值49d，分别出现在2005年、2008年。所以，在该古建筑防雷设计时，要考虑到年雷闪次数与年平均雷暴日数最大值的影响，并结合该县处于多雷区的实际，做出针对性的防护设计。

1.2 雷电活动月变化

通过对2005～2012年期间闪电定位监测数据分析，统计出泰宁县某全国重点文物古建筑3km范围内平均每月发生的雷闪次数，绘制出的雷电活动月变化统计图如图2所示。

图2 古建筑所处区域(3km范围)雷电活动月变化统计图

由图2可知：该古建筑所处区域的雷电活动主要集中在全年的4～9月。因此，在此期间，尤其需要加强对古建筑及建筑物内人员与电气电子设备的雷电防护，以保证人员、财产的安全。

1.3 雷电活动时变化

通过对2005～2012年期间闪电定位监测资料分析，统计出泰宁县某全国重点文物古建筑3km范围内平均每时次发生的雷闪次数，绘制出雷电活动时变化统计图如图 3所示。

图3 古建筑所处区域(3km范围)雷电活动时变化统计图

由图3可知：该古建筑所处区域雷电活动主要集中在每日午后至凌晨时段(13～20时)，0～12时时段，雷电活动相对较弱。因此，在雷电活动集中时段，应合理安排人员活动以保证安全，同时加强对古建筑内电气电子设备的雷电防护。

1.4 雷电流大小与落雷方位

通过对2005～2012年期间闪电定位监测资料分析，统计出泰宁县某全国重点文物古建筑3km 范围内的落雷情况，该区域雷电流大小分布情况如表1所示。

表1 古建筑所处区域(3km范围)雷电流大小统计表

由表1可知：该古建筑所处区域发生的落雷强度平均为10.87 kA，最大为107.40 kA，最小为3.90kA。因此，在防雷工程设计时，就要考虑到落雷强度最大值的情况，确保防护效果。

以项目中心为中心点，按16个方位均匀划分为16个区域，统计出古建筑3km 范围内2005-2012 年期间每个方位的落雷频数，绘制落雷分布玫瑰图如图4所示。

图4 古建筑所处区域(3km范围)落雷分布玫瑰图

由图4可知：项目雷电的主导方向为西南、偏北与东南方位。因此，在防雷工程设计时，应考虑避免在古建筑物群的西南、偏北与东南方位安装敏感的电气电子设备；如确实需安装敏感电气电子设备，应考虑增加“屏蔽”“等电位连接”“安装SPD”等防闪电感应与闪电电涌侵入措施。

1.5 雷电灾害易损度区划

笔者根据自然灾害风险评估理论，以气象探测资料和从中国科学院资源环境科学数据中心获取的地理信息数据、社会经济发展规模、人口密度、土地利用现状以及雷电灾情等数据作为区划要素，完成了三明市基于GIS图层叠置法的精细化雷电灾害易损度区划研究[2]。基此，本研究采用这一成果，截取了泰宁县某全国重点文物古建筑附近的雷电灾害易损度区划(图5)。

图5 古建筑所处区域(3km范围)雷电灾害易损度区划图

综上：泰宁县某全国重点文物古建筑所处区域为雷电灾害易损度中值区，雷电活动较活跃，具有引发雷电灾害的风险。所以，进行防雷工程设计时，应遵循其所处区域雷电活动规律，根据其性质、年预计雷击次数划分防雷类别，科学、合理设计雷电防护措施，并妥善安排游客活动，尽量避开雷电高发期和雷电主要发生时段，以趋利避害。

2 文物古建筑防雷工程设计普遍存在的问题

目前，在文物古建筑防雷工程中采用的技术依据主要有：国标《古建筑防雷工程技术规范》(GB 51017-2014)、《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343-2012)、《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》(GB50601-2012)和气象行业标准《文物建筑防雷技术规范》(QX 189-2013)等。本研究通过审查部分文物古建筑防雷工程设计方案，发现其中普遍存在以下几方面问题。

2.1 采用或引用防雷技术标准不正确

在防雷工程设计中，能否正确采用防雷技术标准，直接决定所设计防雷工程的建设内容与各项技术指标是否科学有效。但笔者在对部分文物古建筑防雷设计的审查中，发现不少存在采用或引用防雷技术标准不正确的问题，如：先前采用的相关防雷工程规范GB/T 21714.3-2008现今已作废，新修订GB/T 21714.3-2015规范已发布实施，却未进行标准更新；引用的技术标准未能检索到，如：“JGJ 16-2016”未能检索到，而“JGJ 16-2008”仍为现行有效之规范。

2.2 划分古建筑防雷分类与防雷分级混淆

在《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)中，根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷击事故的可能性和后果，划分为3类防雷建筑物，文物古建筑一般可划分为第二类或第三类防雷建筑物，并根据划分防雷类别结果作出具体的防雷工程(外部、内部)设计要求；而在《古建筑防雷工程技术规范》(GB 51017-2014)中，却根据文物价值、发生雷击事故的可能性和后果等划分为第一级、第二级两个级别，并规定不同级别的文物古建筑采取不同的外部防雷装置和防侧雷措施。其实，以上两部国家标准在防雷分类、分级规定上的差异，主要是由于针对确定防雷装置的形式及其布置要求不同，防雷分类结果提出了文物古建筑综合防雷设计的总要求，而防雷分级则主要是针对建筑物防直击雷设计部分提出了特殊要求。

但是，部分设计人员却将这两项标准弄混了，也混淆了防雷分类与分级，如：在福建省漳州市某全国重点文物古建筑防雷设计中，提出“按照GB50057-2010和GB 51017-2014相关条款要求，该古建筑属于国家重点文物保护单位，应按第一类防雷建筑物有关规定设计，将滚球半径取32m”，出现了明确错误。该项目按照GB 51017-2014规定应划分为第一级防雷古建筑；而按照GB50057-2010规定应划分为第二类防雷建筑物，滚球半径取45m，而不能按第一类防雷建筑物规定设计。也正由于建筑物防雷分类的错误，导致了后续防雷设计内容出现明显偏差。所以，正确划分古建筑防雷分类是防雷工程设计的前提。不少设计人员认为GB50057-2010与GB 51017-2014规定有矛盾，容易混淆，笔者认为二者并不存在矛盾。GB 51017-2014是在GB50057-2010基础上，针对文物古建筑物特点，对直击雷防护工程设计作出进一步细化规定和特殊的安装要求。

2.3 防直击雷装置设计不规范、不到位

在古建筑防雷工程设计中，发现“防雷接闪器、引下线、接地装置”的设计普遍存在一些共性的问题。主要表现在以下几个方面：

(1)接闪器设计不全面

部分古建筑接闪器设计不全面，如福建省泉州市某全国重点文物寺庙建筑防雷设计，该设计提出：“在建筑物本体上安装接闪带的方式进行外部防雷设计…”，而采取单一接闪带保护，对于其屋顶面积大的古建筑，很难使其完全处于接闪器保护范围内，如后殿(大雄宝殿)，通面阔 21.7m，通进深12.7m，仅安装接闪带，无法使其完全处于保护范围内(图6)。

图6 福建泉州市某全国重点文物寺庙建筑(后殿)屋面示意图

而对于一些安装有高耸屋脊等特殊造型的木结构古建筑，如以上提到的泉州市某全国重点文物古建筑中的鼓楼(图7)，确实难以安装接闪带保护，那么，可在设计接闪器时，安装一些接闪短杆进行保护[3]。

图7 福建泉州市某全国重点文物寺庙建筑(鼓楼)正立面图

(2)防侧击雷设计不规范

部分古建筑接闪器设计，将“防侧击雷”与“防球雷”等同起来，如在福建漳州市某全国重点文物古建筑防雷工程设计中，设计人员提出：“根据实际情况，确实需要防雷的可以每隔6m沿建筑物四周设置圈式防雷均压带，并使均压带和建筑物四周的所有金属物均与防雷接地可靠连接，防球雷的最好措施是安装金属屏蔽网，并可靠接地…”，该设计思路与GB50057-2010规范中第4.3.9条、第4.4.8条和GB 51017-2014第4.2.2条、第4.3.2条的要求出入较大。

(3)接地电阻值设计要求偏高

部分古建筑接闪器设计，接地电阻值设计要求偏高。如在福建省漳州市某全国重点文物古建筑防雷工程设计中，将“古建筑共用接地装置的接地电阻值要求为不大于1Ω”，而根据GB 51017-2014第4.2.4条、第4.3.4条的要求，冲击接地电阻不大于10Ω或30Ω即可满足要求；根据GB50057-2010规定：“共用接地装置的接地电阻应按50HZ电气装置的接地电阻确定，不应大于按人身安全所确定的接地电阻值”，防雷接地装置与电气设备共用接地要求不大于4Ω即可。

(4)防接触电压与防跨步电压措施设计不全面

部分古建筑防雷工程设计，无“防接触电压”与“防跨步电压”设计内容，或是“防接触电压”与“防跨步电压”措施设计不全面。如福建泉州市某全国重点文物寺庙建筑防雷工程仅提出：“在各引下线距地面1.8m处设断接卡，距地面2.7m以下引下线采用绝缘套管以防接触电压”，这与GB50057-2010第4.5.6条的要求相差较大。

2.4 防闪电感应、防闪电电涌侵入等内部防雷措施设计不到位

大部分文物古建筑内并无大量电气、电子设备，仅有少量的照明、监控等电气、电子设备，但在文物古建筑防雷工程设计方案中，部分项目仅提出安装防直击雷措施。如龙岩市某全国重点文物土楼建筑群防雷工程设计，内有简单的低压电气系统和照明系统，但未设计任何“防闪电感应”与“防闪电电涌侵入”措施，埋下土楼内人员与低压电气设备存在雷击安全隐患。

3 文物古建筑雷电防护关键技术要求

通过对部分文物古建筑防雷工程设计方案的审查和分析，按照文物古建筑雷电防护措施安装现状，以及人员流动大、建筑保护要求高等特点，结合文物古建筑防雷工程的特殊要求，提出做好“直击雷防护”“闪电电涌侵入防护”“闪电感应防护”“接触电压与跨步电压防护”等以下几项关键雷电防护技术措施。

3.1 直击雷防护

文物古建筑设计安装防直击雷措施是首要任务。文物古建筑应严格按照GB50057-2010规定的第二类或第三类防雷建筑物，以及GB 51017-2014规定的第一级或第二级文物古建筑设计要求，规范安装直击雷防护措施。

3.1.1接闪器设计要求

接闪带应安装在古建筑屋顶的正脊、垂脊、盝顶、围脊和戗脊上，或在古建筑物屋面突出部、屋檐或屋角部分随形敷设接闪带、接闪网或接闪杆混合组成的接闪器保护。对于石狮万寿塔、福州乌塔等石塔一类的高层古建筑或屋顶面积较大的古建筑，除了可以在屋面中央突出部位安装接闪杆外，尚应在屋檐和屋面突出部位上敷设接闪带，并在屋面形成接闪网；同时，宜将接闪网敷设在檩条上方，以减轻屋面的负重；接闪网格尺寸宜为步架的整倍数，并使接闪网格尺寸应符合规范要求。对于雷电环境恶劣、频频发生雷击现象的文物古建筑，可考虑参照第一类防雷建筑物要求采取独立的防直击雷装置，将防直击雷接地装置与防闪电感应接地装置分开设置，降低发生雷击的概率[4]。

在安装接闪器时，特别要注重对文物古建筑的保护和建筑美观，接闪带宜采用直径8mm 以上的铜棒进行布设，固定支架高度应距屋面(瓦面)100～150mm，支架宜采用固定卡式支架方式[5]，具体做法如图8所示。

图8 屋面接闪带安装示意图

3.1.2防雷引下线设计要求

文物古建筑防雷引下线主要采用明敷设置，也可采用明敷与暗敷结合的形式敷设，暗敷的部位必须有利安全和检测维护，引下线平均间距应符合该古建筑所对应防雷类别的规定。布设引下线时，应从接闪器焊接牢固后沿山墙、后檐墙、墙角、檐柱顺直引下。游人较多的建筑物正面，则应尽量避免明敷。当文物建筑通面阔长度大于引下线规定的间距时，引下线尽量不要设置在文物古建筑的正面，可仅在正面墙角各敷一根引下线，可增加山墙、后檐角及墙角引下线的根数，使防雷引下线间距距离符合规范要求；当明设防雷引下线处于人员经常经过或逗留的地方，一定要严格按照GB50057-2010第4.5.6条规定要求做好防接触电压措施。

3.1.3接地装置要求

考虑到文物古建筑保护的重要性，建议防雷接地与电气接地、保护接地采用共用接地系统。在布设人工接地网时，对土壤电阻率高的区域，可使用深井垂直接地系统，采用镀锌钢管将离子接地极与水平地网连接，并在垂直接地极孔洞四周灌注低电阻率填料，使接地体与土壤或岩石裂缝中的沉积物良好接触，获得“树枝效应”，以利于降低接地电阻值。文物古建筑根据GB 51017-2014的要求，其防雷接地装置冲击接地电阻不大于10Ω或30Ω即可满足要求；对于普遍采用的共用接地系统，其接地电阻不大于4Ω即可。当防雷接地装置处于人员经常经过或逗留的地方，一定要严格按照GB50057-2010第4.5.6条要求采取防跨步电压措施，如：在接地装置地表层敷设沥青层或砾石层、用网状接地体对地面做均衡电位处理、设置护栏或警告牌等措施，能有效防止跨步对人员的危害[6]。

3.2 闪电电涌侵入防护

直接雷击、闪电感应或闪电电磁脉冲引起的闪电电涌沿着入户管线侵入建筑物，会严重威胁文物古建筑内的人身安全与电气、电子设备的安全，而对入户的各种管线采取屏蔽和接地措施，对引入古建筑的各种电源线路、信号线路安装多级能量配合的电源电涌保护器(SPD)与适配的信号电涌保护器，能有效防范闪电电涌的侵入与危害。

3.2.1管线屏蔽与接地

由于文物古建筑内部安装有一些电子系统，如：监控、门禁、火灾报警、通信信息和管理网络系统，这些设备耐过电压能力弱，所以需采取防闪电感应与防闪电电涌侵入措施。对此，建议所有进出文物古建筑的金属给排水管、消防管或其它金属管道等均应在建筑入口处就近接地；引入文物古建筑的各种电源线、信号线应金属铠装电缆或穿金属管屏蔽埋地引入，埋地长度可按下式(1)计算，屏蔽管连接处应采用金属线跨接，并在两端将金属铠装电缆金属外皮或金属屏蔽管接地。

式中：

l——铠装电缆或金属屏蔽管埋地直接与土壤接触长度(m)；

ρ——埋电缆处的土壤电阻率(Ω·m)。

3.2.2安装电涌保护器(SPD)

(1)电源SPD:在电源引入总配电箱处，安装I级试验的电源SPD，以防止供电线路在传输途中受到直接雷击或闪电感应引起闪电电涌侵入后端设备；在各分配电箱内安装第二级电源SPD，以防止剩留雷电流威胁以及电力网的波动、人为操作等过电压沿电力线侵入设备；在重要电气、电子设备前端安装第三级电源SPD，进一步保护设备不受过电压的干扰，多级SPD之间应做好能量配合，SPD接地线以最短的距离接地，SPD连接线应平直，导线长度不宜大于0.5m。室外配电线路应全线采用电缆直接埋地敷设，在入户处应将电缆的金属外皮、屏蔽钢管接到等电位连接带或防闪电感应的接地装置上；对架空引入的电源线，在入户处应转换成一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入，其埋地长度应符合公式5.2的规定。

(2)信号SPD:在监控摄像头等电子设备前端安装信号SPD，能防护电子设备从信号线路侵入的闪电电涌，但信号SPD的造型与安装，应优先考虑不影响电子设备的正常运行。

3.3 闪电感应防护

等电位连接是为了减少因雷电流所引起的电位差，从而保护古建筑内电气、电子设备的安全运行，为防止因雷击引起的闪电感应暂态高电位反击，应将文物古建筑内的金属设施、电气、电子设备采取以下等电位连接措施：

(1)建筑内电源配电箱、金属设施外壳、电源PE线及金属屏蔽管道等均应就近接地。

(2)文物古建筑内的监控机房及其他机房，应根据设备工作频率，选择采用 S 型、M型或混合型等电位连接并采取接地措施。这些机房一般可采用S型等电位连接方式，将机房内的机柜、各类设备、光纤金属加强芯等金属装置就近连接至等电位连接端子板并接地，连接导线应采用截面积不小于6mm2的多股铜芯线，这种等电位连接方式接线简单方便、安全可靠；对于频率为MHz级的机房，则应采用M型等电位连接，通过两根接地线连接到等电位连接网络或接地体中去，等电位连接线的长度不宜大于0.5m，其长度相差宜为20%。

3.4 接触电压与跨步电压防护

文物古建筑长期有大量游客参观、游览，雷雨天气时，一旦防雷装置有接闪，在引下线、接地装置泻放雷电流过程中，接触电压与跨步电压对人身安全的危胁很大，所以，安装防接触电压与防跨步电压措施是一项非常重要的安全工作，必须做好以下几项防接触电压与跨步电压措施：

(1)引下线3m范围内土壤地表层的电阻率不小于50kΩ·m ,或敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层。

(2)外露引下线，其距地面2.7m以下的导体，建议采用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘层隔离，或用至少3mm 厚的交联聚乙烯层隔离。

(3)用网状接地装置对地面做均衡电位处理。

(4)用护栏、警告牌使接触引下线、接地装置的可能性降到最低限度。

3.5 雷电防护管理措施

各文物保护单位应充分认识到加强防雷安全工作的重要性，切实加大经费投入，建设和完善雷电防护硬件设施，制定防雷安全管理制度，编制雷电灾害应急预案，加强防雷科普宣传和培训工作，建立雷电灾害事故记录和报告制度，切实增强雷电灾害防御能力，减少雷击风险[7]。

4 结语

综上，为切实做好文物古建筑雷电防护工作，本研究提出做好防护“直击雷”“闪电电涌侵入”“闪电感应”与“接触电压与跨步电压”等关键雷电防护技术措施，简要归纳总结如下：

(1)准确划分防雷分类与分级，做好直击雷防护措施要求

认真按照《建筑物防雷设计规范》划分防雷类别，对文物古建筑综合防雷设计作出明确要求；并按照《古建筑防雷工程技术规范》(GB 51017-2014)规定划分防雷级别，对文物古建筑防直击雷设计提出细致要求。接闪器应在古建筑屋面突出部部分随形敷设接闪器保护；引下线尽量不要设置在文物古建筑正面，可仅在正面墙角各敷一根引下线，增加山墙、后檐角及墙角引下线的根数，使防雷引下线间距符合规范要求；防雷接地装置冲击接地电阻不大于10Ω或30Ω即可，采用共用接地系统的，其接地电阻不大于4Ω即可。

(2)做好闪电电涌侵入防护措施要求

对进入文物古建筑的各种管线采取屏蔽和接地措施，并对引入古建筑的各种电源线路、信号线路安装多级能量配合的电源电涌保护器(SPD)与适配的信号电涌保护器。

(3)做好闪电感应防护措施要求

应将文物古建筑内的金属设施、电气、电子设备采取等电位连接措施，减少因雷电流所引起的危险电位差。对监控机房及其他机房，应根据设备工作频率，选择采用 S 型、M型或混合型等电位连接并采取接地措施。采用M型等电位连接时，应通过两根接地线连接到等电位连接网络或接地体中去，等电位连接线的长度不宜大于0.5m，其长度相差宜为20%。

(4)做好接触电压与跨步电压防护措施要求

引下线3m范围内土壤地表层，应敷设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层；外露引下线在距地面2.7m以下的导体，应采用绝缘层隔离；采用网状接地装置，要对地面做均衡电位处理，并设置护栏、警告牌，使接触引下线、接地装置的可能性降到最低限度。

防雷安全是文物古建筑安全工作的一项重要内容，只有通过不断开展对文物古建筑防雷安全工作研究与应用，才能不断提升文物古建筑的防雷安全水平，最大程度保证文物古建筑的安全。