樹木及鄰近民居防雷電反擊相關問題探討
汝洪博馬金福 王海芳
(安吉縣氣象局，浙江省安吉縣313300)(湖州市氣象局，浙江省湖州市 313000)
摘 要：以樹木及其鄰近民居防雷措施的相互影響為研究對象，詳細分析安裝接閃裝置的樹木與鄰近民居防雷電反擊相關要求，得出：防雷電反擊相關要求可以看作是樹木接地體的沖擊接地電阻R i與安全距離Sa1二者的約束條件，R i和Sa1的設計要求值除了依照規(guī)范設計外，還應結合該約束條件綜合考慮：各自獨立設計防雷裝置的樹木與民居建筑尚應考慮地下接
地體間及與金屬管道的安全距離；當實際工程中R i和Sal無法滿足防反擊要求時，應采取其他防護措施。
關鍵詞：樹木；民居；防雷；接閃裝置：安全距離；防反擊；沖擊接地電阻
中圖分類號：TU895 doi: 10. 3969/issn. 1003 - 8493. 2016. 02. 009
0 引言
近年來，樹木遭雷擊并危及周邊人員的事故時有發(fā)生：2004年浙江臨海發(fā)生一起特大雷擊樹木事故，導致樹下塑料棚內17人死亡、13人受傷。樹木易遭雷擊主要是由樹木的生長環(huán)境和生長特性所決定的，一方面這些樹木較周圍環(huán)境相對孤立、高大：另一方面樹木所生長下墊面土壤電阻率一般較小，且與周圍差異較大，而雷電容易落在土壤電阻率較小或有較大變化的區(qū)域；同時樹葉的光合、呼吸作用使樹冠周圍的空氣濕度高于周圍環(huán)境，更易形成雷電通道。由于樹木本身導電性較差，不具備良好的接地系統(tǒng)泄放雷電流，一旦遭受雷擊，所產(chǎn)生的機械力、熱效應會使樹木遭受損壞，擊斷、擊飛的樹枝（桿）危害樹下建構筑物和人員安全。而雷電流在散流入地的過程中也會通過接觸電壓、旁側閃絡以及跨步電壓等形式危及樹下及附近人員的安全。
樹木遭雷擊并危及周邊建筑物和人員的情況一般發(fā)生于農村。農村民居低矮，周邊樹木較多、距離較近，且防雷措施基本缺失或不完善，一旦附近樹木引雷，民居內的人員和財產(chǎn)安全會受到不同程度的損害。隨著人們對防雷安全意識的提高，有村民主動咨詢其房屋附近高大古樹對防雷安全的影響，并希望得到有效的解決。美國NFPA 780《Standard for theInstallation of Lightning Protection Systems》(2014版)標準規(guī)定，樹干距離建筑物在3m之內的所有樹木，或枝干的高度超過了建筑物高度的樹木都應該采取防雷措施。其原因不僅是為了保護樹木免受雷電損害，更重要的是有助于減小處于樹木附近的人、畜及建筑物遭受旁側閃絡、接觸和跨步電壓侵害的風險。
我國現(xiàn)行的防雷標準中與樹木相關的設計要求非常有限，GB 50057 - 2010《建筑物防雷設計規(guī)范》（以下簡稱《雷規(guī)》）中僅規(guī)定了建筑物與樹木凈距離要求，云南省出臺的地方標準DB 53314 - 2010《古樹名木防雷技術規(guī)范》與氣象行業(yè)標準QX／T231-2014《古樹名木防雷技術規(guī)范》雖對古樹的防雷措施作了規(guī)范和要求，但僅將樹木孤立地看待。實際上，當樹木距離民居較近時，防雷設計必須要考慮到樹木與建筑物的相互影響，相關措施也需要完善，這其中一個必須解決的問題是防雷電反擊。
未安裝接閃裝置的樹木，《雷規(guī)》第4.2.5條規(guī)定：“當樹木鄰近建筑物且不在接閃器保護范圍之內時，樹木與建筑物之間的凈距不應小于5m。但當樹上安裝接閃裝置后，其不再僅作為樹木考慮，防雷設計應參照獨立接閃桿的相關要求。因此，本文將著重分析樹木及鄰近民居這兩個獨立的防雷系統(tǒng)間為防反擊所需要滿足的相關要求。
1 安裝接閃裝置的樹木與鄰近民居的防反擊要求分析
以農村常見的高大樹木與其鄰近的民居為研究對象，當樹木與民居均安裝接閃器時，樹木與鄰近民居的安全距離不再僅受限于《雷規(guī)》第4.2.5條的規(guī)定，而可以將樹木當作獨立接閃桿來考慮，將獨立接閃桿與被保護建筑物及其地下管道之間的安全距離應用到樹木與鄰近民居的防雷設計中，此時，不僅是地上部分的安全距離增加了要求，對于樹木的接地體的
位置與建筑物管道之間的安全距離也應考慮在內。
1.1 安全距離公式分析
《雷規(guī)》第4.2.1條第5款規(guī)定，為防止反擊，獨立接閃桿與被保護建筑物及其管道、電纜等金屬物之間的間隔距離應滿足以下要求，且不得小于3m，如圖1所示。
上述公式是以第一類防雷建筑物相關參數(shù)計算得出，而本文根據(jù)樹木及其鄰近民居防雷的實例，將第三類防雷建筑物的參數(shù)帶入公式(4)，并計算得出公式(5)~(7)。
此時S aI可以看作樹木與鄰近民居的地上安全距離，Sa1是樹木的接地體與民居的地下管道間的距離。
公式(5)、 (6)的推導是基于雷電流產(chǎn)生的電場強度超過空氣的擊穿場強時會擊穿空氣對附近物體放電這一原理，為了防止雷電流流過防雷裝置時產(chǎn)生的高電壓對被保護建筑物及與其關聯(lián)的金屬物發(fā)生反擊，使防雷裝置與這些物體之間保持一定的間隔距離。由此分析可知，該公式可以看作是滿足防反擊要求中Sal和R i的約束條件，其中民居建筑高度h x為定值，因此公式中僅有Sal、R i兩個變量，Sa1與R i的取值應使得公式(5)、 (6)成立，以滿足防反擊要求。
為了直觀地看出Sa1、R i二者的約束關系，固定h x的取值并進一步分析。以農村一般聯(lián)建房屋4~6層建筑物為例，為方便計算，其高度取值定為15 m，根據(jù)公式(5)、 (6)可得：
因此，當h x= 15 m時，R i和Sal二者的關系可以用圖2表示。
由圖2可得，被當作獨立接閃桿的樹木與其鄰近的建筑物理論上的最小安全距離為0. 75 m，但5。1最終要受R i的影響，為滿足防反擊要求，R i和Sa1應符合如圖2的線性約束關系。因此，對于本文討論的改造項目，在樹木和附近民居的位置確定的情況下．確定的距離Sa1會使得樹木接地體的沖擊接地電阻值有相應的要求，以滿足防反擊的需要。
1.2 由安全距離反推沖擊接地電阻的要求
在樹木及鄰近建筑物防雷改造時，設計方往往僅根據(jù)規(guī)范的規(guī)定確定其沖擊接地電阻的要求，而并未考慮到由于安全距離確定的情況下對沖擊接地電阻的要求。根據(jù)上述分析可知，當樹木與建筑物距離較近時，要求其沖擊接地電阻值應更低。
1. 2.1相關規(guī)范對R i的要求
參考《雷規(guī)》對一般建筑物的接地電阻值的要求：一類、二類防雷建筑物的沖擊接地電阻要求取10Ω ，三類防雷建筑物取30 Ω；云南省地方標準DB 53314 - 2010《古樹名木防雷技術規(guī)范》中，對一類古樹的沖擊接地電阻值要求為10 Ω，二類古樹的要求為20 Ω，其他古樹（位于多雷區(qū)、樹齡在80年以上）的要求為30Ω ;而氣象行業(yè)標準QX／T231 - 2014《古樹名木防雷技術規(guī)范》規(guī)定古樹設置防雷裝置時，其接地裝置的沖擊接地電阻值不應大于30 Ω。非古樹名木的一般樹木參考以上3本規(guī)范要求，設計其沖擊接地電阻不大于30 Ω即可滿足要求。但此時，根據(jù)公式(8)計算可知，樹木與建筑物間的距離Sa1應至少6.3 m以上。由此公式的驗證可知，在該整改項目的防雷設計時僅考慮《雷規(guī)》對沖擊接地電阻值的要求是不夠的。
1.2.2R的設計要求應綜合考慮
通常當樹木設計直擊雷防護裝置時，其沖擊接地電阻值的設計并未考慮到與安全距離的這層約束關系，將樹木與建筑物的安全距離設計為S m，沖擊接地電阻值30Ω，而此時就會出現(xiàn)上述討論的矛盾狀況，安全距離5m不夠。若設計時能夠發(fā)現(xiàn)二者存在的隱含關系，當安全距離Sa1達不到要求時，即可通過適當?shù)慕档徒拥仉娮柚祦頋M足防反擊要求。
1.3地下安全距離的確定
根據(jù)上述方法確定好R i的設計要求值后，由公式(7)即可計算得到樹木的接地體與建筑物的地下管道間的安全距離S e1，由于在改造工程中建筑物的接地體和地下管道位置已經(jīng)確定，因此根據(jù)計算出的安全距離可以得到樹木接地體的布置位置。實際設計中往往僅考慮接地體的布置避開樹木的主要根系，避免對樹木的破壞，但卻未考慮到樹木作為獨
立接閃裝置的要求，其接地體的布置應與鄰近房屋 的地下管道保持安全距離，以免當樹木接閃后，其接地體在散流時對地下管道發(fā)生反擊，將危險的過電壓引入室內。
2 防反擊要求無法滿足時的防雷措施分析
當樹木接地體的沖擊接地電阻R i與安全距離Sa1二者不能滿足防反擊的約束條件時，一般情況應將兩個無法保證間隔距離的防雷系統(tǒng)的接地裝置連接，但對于本文所討論的案例筆者并不建議連接共用，原因如下：若二者接地裝置連接，一旦樹木遭雷擊時，散流 過程中使得民居建筑的地電位與樹木接地體具有了相同的高電位，地電位的升高會使得民居內未做好接地的電器造成損害，而一般農村民居的內部防雷措施缺失，甚至難以整改到位，地電位升高會成為較大的安全隱患。此外，散流過程的高電位甚至可以通過地下管道傳導至室內。為避免此類高電位的引入，樹木的接地體應與建筑物的接地裝置及地下管道保持一定距離。
考慮到樹木與民居的地上距離無法滿足防反擊的需要，為確保安全，民居建筑需增加防護措施：靠近樹木一側的金屬窗需要做好接地措施，防止散流效果不佳時對金屬窗發(fā)生旁側閃絡危及室內人員安全；在靠近樹木一側增設一組引下線，幫助快速釋放旁側閃絡的雷電流。
3 結論
對樹木與鄰近民居進行綜合防雷設計，當樹木與建筑物的距離不滿足《雷規(guī)》第4.2.5條規(guī)定時，尤其是樹木為高大古樹時，建議為樹木安裝防雷裝置，樹木與房屋的綜合防雷設計需注意如下問題：
a． 沖擊接地電阻R i和樹木與民居的地上安全距離Sa1的設計要求值不應僅依照規(guī)范分別設計，應結合防反擊的約束條件綜合考慮。
b．防反擊的要求包含了安全距離和樹木沖擊接地電阻兩方面，由于二者存在約束關系，當安全距離無法滿足時可通過適當降低沖擊接地電阻值以滿足要求。
c．樹木與民居的防雷設計尚應考慮到樹木的接地體與民居建筑的接地裝置和地下金屬管道的安全距離。對于相對位置確定的民居和樹木，可根據(jù)地下安全距離確定樹木的接地體的敷設位置。
d． 當R i和Sa1的設計值無法滿足防反擊要求時，不建議將兩接地體連接共用，可以增加其他防護措施來彌補安全距離不足留下的隱患。
樹木與鄰近民居的防雷設計暫無統(tǒng)一的行業(yè)標準，筆者從防反擊的角度分析了此類設計時的部分要求，可為相關設計提供參考。此外，筆者建議在出臺古樹名木防雷技術規(guī)范或農村民居防雷技術規(guī)范時應將樹木的影響考慮進去，特別是對安全距離、防反擊措施的考慮，以減小樹木對農村民居防雷安全造成的隱患。
