備份鐵塔下雷擊事故的分析項目

1、鐵塔下雷電災(zāi)害的分析厲從明 意義：阜陽市近期雷電災(zāi)害發(fā)生頻繁，作為高大接閃針的鐵塔下，發(fā)生雷電災(zāi)害的概率更大，鐵塔主要用途是發(fā)射或接收信號，主要有電視廣播發(fā)射塔、雷達發(fā)射塔、通信基站等。由于鐵塔的高度高，一般在45米以上，又是金屬構(gòu)件，極易受到雷電的青睞，容易對周圍的強、弱電設(shè)施造成雷電災(zāi)害。我們對阜陽市近期發(fā)生在鐵塔下的雷電災(zāi)害進行調(diào)查、分析和計算，找出應(yīng)對措施，以減少雷電災(zāi)害產(chǎn)生的危害，提高防雷的技術(shù)水平。需求分析：鐵塔屬于高度較高的接閃針，使用范圍廣泛，具有代表意義。1、有利于防雷常規(guī)檢測的開展。2、提高防雷工程的設(shè)計、審核與驗收水平。3、增強雷災(zāi)的調(diào)查能力。4、有助于雷評和氣候可行性論

2、證的開展。一、雷災(zāi)調(diào)查和分析雷電的雷電災(zāi)害危害方式：鐵塔遭受雷擊時，強大的雷電流在下行過程中會產(chǎn)生磁場感應(yīng)、電場感應(yīng)和電磁輻射等危害方式。磁場感應(yīng)：鐵塔接閃后雷電流產(chǎn)生的磁場，對附近的設(shè)備感應(yīng)過電流和過電壓，損壞設(shè)備。電場感應(yīng)：鐵塔接閃后雷電流產(chǎn)生的強大的電場，通過分布的電容會在周圍的導(dǎo)體中感應(yīng)過電流。下面對阜陽市的幾處鐵塔在不同防護條件下引發(fā)的雷災(zāi)進行調(diào)查分析，通過計算磁場感應(yīng)和電場感應(yīng)等數(shù)據(jù)，定性和定量的分析危害方式和危害程度。1、阜陽市水文局2006年6月30日下午17時40分左右，阜陽市水文局附近發(fā)生較強的雷電，雷電引發(fā)斷電1小時左右，通電后發(fā)現(xiàn)4樓機房上位機不能與遙測終端(FIU)正

3、常通訊，與省水情中心網(wǎng)絡(luò)連接中斷，無線對講機電源損壞，上位機通訊串口、網(wǎng)絡(luò)交換機損壞。這次雷擊也造成機房內(nèi)信號接收設(shè)備、空調(diào)、電腦被燒壞，附近家屬樓的部分空調(diào)、冰箱、電視、電話被損壞。圖1為水文局鐵塔。圖1 水文局鐵塔水文局處在水利局院內(nèi)，辦公樓為5層建筑，水文局機房處在建筑的4樓，鐵塔位于辦公樓的北部，塔高55米，鐵塔距離水文局辦公樓的直線距離30米。辦公室沒有磁場屏蔽措施，對鐵塔的接地電阻進行測量，為3.0歐。計算雷擊點的危險半徑，根據(jù)公式計算電磁波的波長：= c/ f （公式 1 ） -（電磁波的波長）c-傳播速度m/sf-頻率（HZ）首次雷擊f 為25k HZ= c/ f=3*108/

4、25*103=12000（m）危險半徑為：/2 （公式 2 ）=1200/2*3.142000（m）鐵塔危險半徑為2公里，雷擊時，位于鐵塔周圍2公里內(nèi)，都能受以鐵塔為中心點，由強到弱的電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)強度的計算：機房在閃電擊于格柵形大空間屏蔽以外附近的情況下，當(dāng)無屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強度，相當(dāng)于處于LPZ0A 和LPZ0B區(qū)內(nèi)的磁場強度（圖2 ），應(yīng)按下式計算。H 0 =i0 /( 2sa ) （公式 3 ）式中： H 0 屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強度( A / m ) ；i 0 最大雷電流( A)s a 雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離( m ) 圖2 附近雷擊時的環(huán)境情況sa 雷擊點至

5、屏蔽空間的平均距離H 0 =i0 /( 2sa )其中：H 0-首次雷擊無屏蔽時，辦公室的磁場強度，A/m；i 0-首次雷擊時，雷電流的強度，按（表-1），取值為150KA;防雷建筑物類別最大雷電流i 0（ k A）對應(yīng)的滾球半徑R ( m )正極性首次雷擊負極性首次雷擊負極性后續(xù)雷擊正極性首次雷擊負極性首次雷擊負極性后續(xù)雷擊第一類20010050313200127第二類1507537.5260165105第三類100502520012781表1 最大雷電流( k A )取值對應(yīng)表s a雷擊點與辦公室之間的距離，取值為30m；雷擊時：H 0 =i0 /( 2sa )=150000/2*3.14

6、*30=796 A/m 根據(jù)GB/T21431-2008（建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范）當(dāng)磁場強度大于2.4Gs（約191 A/m）時，電子設(shè)備發(fā)生永久性損壞。機房計算出的數(shù)值796 A/m遠大于磁場強度191 A/m的規(guī)范要求，鐵塔雷電容易對辦公室的設(shè)備造成損害。電場感應(yīng)強度的計算：鐵塔釋放雷電電波，強大的雷電流流入大地的過程中，使其附近的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電壓： U=0.2（ln1000/a-0.5）di/dt（kv/m） a-雷電流與感應(yīng)導(dǎo)體的平行距離（m） di/dt雷電流陡度（Ka/s） 以平均雷電流di=37.5Ka,波頭時間為26s，經(jīng)計算的周圍導(dǎo)體上的耦合電壓值（表2）： a（m）U（

7、kv/m）1012.31005.42002.53002.14001.25000.6表2 平行距離與導(dǎo)體的感應(yīng)電壓值鐵塔避雷針500m的范圍內(nèi)電子設(shè)備都能感應(yīng)到0.6 kv/m電壓，由表2看出，距離鐵塔越近，雷電波的強度越大，電子設(shè)備遭受過電壓的危害越大。根據(jù)以上幾個公式計算，雷擊點的危險半徑約為2公里，磁場強度和電場過電壓都遠遠大于規(guī)范要求的數(shù)值，機房距離鐵塔只有30m，極易受到雷電的危害。2、阜陽市京九醫(yī)院：京九醫(yī)院位于潁東區(qū)，火車站的北側(cè)，北部400米為昊源化工廠，周圍無高大建筑物。2010年3月6日下午4點左右，京九醫(yī)院遭受雷擊，3臺有線電視，4臺電腦網(wǎng)卡，一臺路由器擊壞，網(wǎng)絡(luò)光纖引入，

8、碎石機、CT、B超電源拔掉，機器關(guān)閉，沒有損失。醫(yī)院為6層22.0米，鐵塔高度25米（圖2），為2008年才安裝的移動信號塔，鐵塔采用一根4*40的扁鋼接地，引下線距離變壓器3米，電話線經(jīng)過樓后面的引下線附近。圖2 京九醫(yī)院樓頂避雷針對當(dāng)天的天氣進行分析，從500-850天氣圖、雷達圖和當(dāng)天的閃電定位資料分析，當(dāng)天有低壓系統(tǒng)影響，在阜陽的上空有閃電發(fā)生。雷達圖：圖3 雷達圖T500：圖4 T500圖T700：圖5 T700圖T850：圖6 T850圖閃電定位資料：圖7 閃電定位資料在閃電直接擊在位于L P Z 0 A 區(qū)的格柵形大空間屏蔽或 與其連接的接閃器上的情況下，其內(nèi)部LPZ1 區(qū)內(nèi)安全

9、空間內(nèi)某點的磁場強度應(yīng)按下式計算。圖8 閃電直接擊于屋頂接閃器時L P Z 1 區(qū)內(nèi)的磁場強度H 1 = kH·i 0·w/( d w . ) ( 公式 4 )式中： H 1 安全空間內(nèi)某點的磁場強度( A / m ) ；d r 所考慮的點距LPZ1 區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x( m ) ；d w 所考慮的點距LPZ1 區(qū)屏蔽壁的最短距離( m ) ；k H 形狀系數(shù)（1/m ）， 取k H = 0.01 （1/m ）；w LPZ1 區(qū)格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬( m ) 。計算6層的室內(nèi)設(shè)備磁場強度：H 2 = kH·i 0·w/( d w . ) 其中：i 0根據(jù)表

10、-1，取值150kA；W-樓頂屏蔽層的寬度，取值為1（m）；d w設(shè)備距離外墻的寬度，取值為0.8（m）；d r 設(shè)備距離頂板的距離，取值為2.2（m）H 2 = kH·i 0·w/( d w . ) =0.01*150000*1/0.8*=1500/0.8*1.48=1266.89（A/m）計算5層的室內(nèi)設(shè)備磁場強度：H 3 = kH·i 0·w/( d w . ) 其中：i 0根據(jù)表-1，取值150kA；W-樓頂屏蔽層的寬度，取值為1（m）；d w設(shè)備距離外墻的寬度，取值為0.8（m）；d r 設(shè)備距離頂板的距離，取值為5.5（m）H 3 = kH&

11、#183;i 0·w/( d w . ) =0.01*150000*1/0.8*=1500/0.8*2.345=799.5（A/m）根據(jù)計算，5層的室內(nèi)設(shè)備在樓頂避雷針接閃時，磁場環(huán)境的磁場強度為799.5（A/m），是磁場強度191 A/m的規(guī)范要求的4.18倍，容易遭受雷電的磁場損害。計算1層的室內(nèi)設(shè)備磁場強度：H 4 = kH·i 0·w/( d w . ) 其中：i 0根據(jù)表-1，取值150kA；W-樓頂屏蔽層的寬度，取值為1（m）；d w設(shè)備距離外墻的寬度，取值為0.8（m）；d r 設(shè)備距離頂板的距離，取值為18.0（m）H 4 = kH·i

12、 0·w/( d w . )=0.01*150000*1/0.8*=1500/0.8*4.2=446.42（A/m）根據(jù)計算，1層的室內(nèi)設(shè)備在樓頂避雷針接閃時，磁場環(huán)境的磁場強度為446.42（A/m），仍然高于磁場強度191 A/m的規(guī)范要求，仍遭受雷電的磁場損害。通過以上計算，樓頂有移動信號塔的京九醫(yī)院，整個建筑在鐵塔遭受雷擊時，處于磁場環(huán)境高于規(guī)范要求。3、阜陽廣播電臺中波站：2002-2005年，阜陽廣播電臺中波站連續(xù)幾年遭受雷災(zāi)，造成信號發(fā)射設(shè)備受損，有時一年內(nèi)遭受幾次雷災(zāi)。電視塔124米高，距離設(shè)備室12米，東部距離居民樓5米，北部距離居民樓30米。圖9 阜陽廣播電臺中波

13、站鐵塔圖10 二層發(fā)射機房當(dāng)有屏蔽時， 在格柵形大空間屏蔽內(nèi)，即在LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場強度應(yīng)按下式計算。H 1 = H 0 /10SF/20 ( 公式 5 )式中： H 1 格柵形大空間屏蔽內(nèi)的磁場強度( A / m ) ；SF 屏蔽系數(shù)( d B ) ， 按表 3 的公式計算。表3 格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數(shù)1 適用于首次雷擊的磁場；2 適用于后續(xù)雷擊的磁場；3 相對磁導(dǎo)系數(shù)r200；4 w 格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬(m)；r 格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑(m) ；先計算H 0的數(shù)值：H0 =i0 /( 2sa )其中：其中：i 0根據(jù)表-1，取值150kA； Sa-鐵塔距離設(shè)備的距離，取值為12mH0

14、 =i0 /( 2sa )=150000/2*3.14*12=1990.44( A / m )再計算H 1的數(shù)值：H 1 = H 0 /10SF/20 ( 公式 6 )SF=20log（8.5/w）W-屏蔽網(wǎng)格的寬度，支柱之間的距離，取值2.0（m）SF=20log（8.5/w）( 公式7 )=20*0.39=7.8將SF=38.4 帶入下式H 1 = H 0 /10SF/20=1990.44/100.39=1990.44/2.489=799.69( A / m )雖然有屏蔽層，由于鐵塔距離發(fā)射機房只有12米，發(fā)射機房的磁場感應(yīng)強度799.69( A / m )，遠大于規(guī)范要求的數(shù)值。圖11

15、鐵塔東部的居民樓圖12 鐵塔北部的居民樓東部和北部的居民樓也受到雷電強磁場的感應(yīng)，容易遭受雷電災(zāi)害。另外阜陽市其它地方鐵塔引起的雷災(zāi)：2004年太和縣電視臺遭受一次雷擊，造成電視信號發(fā)射設(shè)備和信號塔周圍幾百米居民家中的部分用電設(shè)備被燒壞，2005年又遭受雷災(zāi)，3樓的信號設(shè)備受損，致使電視發(fā)射信號中斷1天左右。2006年阜南縣電視信號發(fā)射設(shè)備遭受雷擊，損失嚴重。2008年界首市電視發(fā)射設(shè)備因雷擊受損。對以上遭受雷災(zāi)損失的建筑物、構(gòu)筑物進行防雷檢查和測量，信號塔本身沒有受到損壞，機房建筑頂部有完整接閃帶或接閃網(wǎng)，信號塔和建筑接閃器的接地電阻值都小于10歐，符合防直擊雷設(shè)施的規(guī)范要求。機房建筑都沒有

16、按照智能建筑的要求設(shè)計和施工，沒有完善防電磁屏蔽措施。根據(jù)調(diào)查結(jié)果分析，信號塔附近受直擊雷損害的概率很小，鐵塔高度原因，極易受到雷電光顧，產(chǎn)生的強大磁場和電場感應(yīng)是雷災(zāi)主要原因。另外還有電磁脈沖、閃電電涌侵入、地電位反擊侵入等途徑，對機房設(shè)備和周圍居民用電設(shè)備造成的危害。閃電電涌侵入：信號塔接閃后，雷電流通過連接到信號塔上的電源線、信號線和天饋線路侵入機房室內(nèi)，危及人身安全或損壞設(shè)備。地電位反擊侵入：雷擊時強大的雷電流經(jīng)過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近呈放射型的電位分布，對靠近它的強、弱電線路產(chǎn)生高電位侵入，侵入的高電壓可高達數(shù)萬伏。感應(yīng)到的閃電電涌經(jīng)強、弱電線路流向機房設(shè)備或居民室內(nèi)，

17、造成危害。二、防護措施針對上述雷電危害方式，應(yīng)采用屏蔽、分流、均壓、等電位連接、接地等措施，層層設(shè)防。1、 防雷電電磁感應(yīng)新建建筑物，要求機房室按照智能建筑的要求設(shè)計，無屏蔽層的，應(yīng)在四周外墻和頂部加裝金屬格柵，網(wǎng)格的寬度不應(yīng)大于10mm，有屏蔽層的，屏蔽層的兩端應(yīng)接到建筑物的等電位連接帶上。金屬門及做成金屬格柵形得金屬窗應(yīng)就近接地。2、防閃電電涌侵入各種線路應(yīng)使用屏蔽電纜，入戶前，屏蔽電纜應(yīng)就近接地。天饋線的兩端應(yīng)接地，固定架、橋架應(yīng)多次接地，橋架中間不連續(xù)處，應(yīng)跨接。3、信號發(fā)射設(shè)備及附近居民的強、弱電線路應(yīng)采用鎧裝電纜埋地敷設(shè)引入，埋地長度L應(yīng)符合下列（1.1）表達式,但不應(yīng)小于15米，

18、埋地電纜的金屬保護層應(yīng)兩端接地。 L （1.1）式中: L-金屬鎧裝電纜的埋地長度（m）-敷設(shè)接地體處的土壤電阻率(·m)4、將機房內(nèi)電子系統(tǒng)的各種箱體、殼體、機架等金屬組件與建筑物接地系統(tǒng)做功能性等電位連接，應(yīng)采用S型星形結(jié)構(gòu)或M型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖13）。圖13 S型星形結(jié)構(gòu)或M型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)5、安裝相應(yīng)的電涌保護器，電源及信號系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)匹配、位置合理、能量配合的電涌保護器，信號發(fā)射設(shè)備低壓配電系統(tǒng)應(yīng)安裝不少于3級電涌保護器進行保護。在LPZ0 區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，從室外引來的線路,在總配電處安裝標稱電流不小于100KA（8/20s）的電涌保護器為第一級電源防護。從分配處安裝標稱電流不小于40KA（8/20s）的電涌保護器為第二級電源防護，在設(shè)備前端安裝標