鉆塔避雷針的設(shè)計及安裝

鉆塔避雷針的設(shè)計及安裝張西坤

（河北建設(shè)勘察研究院有限公司鉆探機械廠，河北石家莊050031）摘要：概述了鉆塔避雷針防雷原理，分析了鉆塔避雷針保護范圍和引雷區(qū)域的計算和確定原則，對常見的鉆塔避雷針進行了設(shè)計，給出了詳細的結(jié)構(gòu)方案，指出了鉆塔避雷針安裝注意事項。關(guān)鍵詞：鉆塔；避雷針；保護范圍；引雷區(qū)域；0引言在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地?zé)崾┕?、地質(zhì)找礦、石油天然氣開發(fā)等領(lǐng)域，由于是露天野外作業(yè)，雨季鉆探施工，在空曠的野外，高聳的鉆塔、矗立的井架直插云端，如何防止雷擊傷害事故的發(fā)生顯得尤為重要，設(shè)計安裝避雷針是行之有效的防雷措施之一。避雷針能起到防護作用的原因，是因為位置較高，且接地良好，當(dāng)雷電接近避雷針附近，向避雷針主放電，其放電電流由避雷針及其接地裝置傳入地下，從而保護了一定空間范圍內(nèi)的物體免遭直接雷擊。避雷針組成及工作原理1.1避雷針的組成避雷針由接閃器、接地引下線和接地極三部分串聯(lián)組成。接閃器的位置高于鉆塔頂部；接地引下線的截面積不但應(yīng)根據(jù)雷電流通過時的發(fā)熱情況計算，使其不會因過熱而熔化，而且還要有足夠的機械強度。接地體不僅要安全地把雷電流由此導(dǎo)入地中，而且還要使雷電流在流入大地時均勻地分散開去。1.2避雷針的工作原理就其工作原理本質(zhì)而言，避雷針不是避雷，而是利用其高聳空中的有利地位，把雷電引向自身，承受雷擊。同時把雷電流導(dǎo)入地下，起著保護其附近比它矮的構(gòu)件或設(shè)備免受雷擊的作用。鉆塔避雷針的保護范圍2.1折線法確定保護范圍鉆塔為金屬構(gòu)架，而且高度一般在70米以內(nèi)，防雷適用于采用折線法確定避雷針的保護范圍（折線法在高度120米以內(nèi)適用），折線法設(shè)計直觀，計算簡便，節(jié)省投資，它具有工程合理性的優(yōu)勢，并經(jīng)過長期豐富的運行實踐，保護可靠性高。鉆塔避雷針保護范圍如圖1所示。圖1折線法確定的鉆塔避雷針保護范圍避雷針在地面上的保護半徑為r二1.5h式中r——保護半徑h——避雷針高度在鉆塔高度hx水平面上的保護半徑為h當(dāng)h>時r=(h-h)p=hpx2xxah當(dāng)h<時r二(1.5h-2h)px2xx式中h——鉆塔高度范圍內(nèi)任一水平面高度xr——避雷針在h水平面上的保護半徑xxh——避雷針的有效高度ap——避雷針的高度影響系數(shù)(考慮避雷針太高時，保護半徑不按正比例增大的系數(shù)當(dāng)h<30米時，p=1當(dāng)30米<h<120米時，p二5.5：vh當(dāng)h>120米時，取其等于120米p二5.5/近20沁0.52.2舉例我們用具體例子來計算鉆塔避雷針的保護范圍。一座A27m鉆塔，鉆塔從地面到塔頂?shù)目偢邽閔=28m，避雷針尖端高出鉆塔2m。那么避雷針高度h=30m,x避雷針在地面上的保護半徑r=1.5h=1.5x30=45m避雷針對鉆塔頂部水平面的保護半徑r=(h—h)p二(30—28)x1二2mxx避雷針在二層臺18m的位置的保護半徑為(二層臺高度h=18m>h2=282=14m)xr二(h—h)p二(30—18)x1二12mxx圖2A27m鉆塔避雷針保護范圍實例由A27m鉆塔的塔頂、二層臺和底盤結(jié)構(gòu)可知，所有結(jié)構(gòu)沒有接近或超出其保護半徑的范圍，也就是說都在避雷針的保護范圍內(nèi)，所以絕對是安全的。鉆塔避雷針的引雷區(qū)域圖3雷擊針地分界面的理論分析圖

我們要重點研究一下如何讓避雷針有效地把附近的雷電引到自身并傳至地下，這樣就要認真分析雷擊針地分界問題，即確定避雷針的引雷區(qū)域，圖3為雷擊針地分界面的理論分析圖，據(jù)此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線。圖中L為避雷針尖，其高度為h,P（x,y）為雷電極頭部，其對地高度為H，E為雷電極正下方的投影點，L、P之間的距離為R。當(dāng)P點維持k二R/H等于某一常數(shù)（約等于1）在圖面上運動時，其運動軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線。分界線以y軸為中心旋轉(zhuǎn)就是立體的分界面。分界面內(nèi)為雷擊避雷針的空域，分界面以外為雷擊大地的空域。分界面附近引下的雷擊地面為散擊區(qū)。鉆塔避雷針的引雷能力強，當(dāng)側(cè)方襲擊來的下行雷電被避雷針引近而未能在針端接閃時，會出現(xiàn)閃電擊中避雷針附近地面的情況，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大，該地面稱為散擊區(qū)。遠離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區(qū)。高聳的鉆塔和高架避雷針引雷招致雷擊率增高并存在散擊區(qū)，所以防雷專家歷來不主張用高架避雷針保護鉆塔，主張用短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發(fā)揮它的引雷作用，又避免增加散雷區(qū)。由以上分析避雷針保護原理可以看出，避雷針的引雷空域和保護范圍是兩個不同的概念，引雷區(qū)域是閃電弧道可能分布的空間，它在高空，研究引雷區(qū)域可以充分認識設(shè)置避雷針的必要性就是消除隱患；后者是避雷針能有效地屏蔽被保護物免于遭受雷擊的空間，它是避雷針?biāo)闹芤欢ǜ叨群桶霃絻?nèi)的低空，研究保護范圍可以指導(dǎo)對避雷針進行正確的設(shè)計安裝，避免因設(shè)計安裝不當(dāng)造成避雷針的“有形無用”，從而避免事故的發(fā)生；引雷區(qū)域和保護范圍的空間位置不同，大小不同，作用不同。對避雷針的保護范圍、引雷區(qū)域和散擊區(qū)進行深入、全面、細致的分析，能確保避雷針對鉆塔、鉆機和人員的可靠保護。按照以上概念可以計算和確定出不同鉆塔避雷針高度、地面保護半徑和散擊區(qū)半徑。表1不同鉆塔的避雷針高度、地面保護區(qū)半徑和散擊區(qū)半徑（單位：m）鉆塔有效高度H131518242731414555鉆塔總高HZ141619252834465370避雷針高度h151720273036.548.85673.5避雷針有效高度ha塔頂水平面保護半徑rdd2.24地面保護區(qū)半徑r22.525.53040.5453338.141.247鉆塔有效高度H131518242731414555鉆塔總高HZ141619252834465370避雷針高度h151720273036.548.85673.5避雷針有效高度ha塔頂水平面保護半徑rdd2.24地面保護區(qū)半徑r22.525.53040.5453338.141.247地面散擊區(qū)半徑rS108116127147155170195211241鉆塔避雷針的設(shè)計及安裝圖4一種鉆塔避雷針設(shè)計圖我們設(shè)計的鉆塔避雷針基本型式如圖所示，有以下特點：（1）避雷針支撐桿部位必須鍍鋅，操作時注意保護鍍鋅層；（2） 采用①10mm銅棒制作接收器，堅固耐震動，導(dǎo)電性好；（3） 用高壓瓷瓶（擊穿電壓大于10kV以上）或酚醛樹脂電木（擊穿電壓大于10kV以上）將避雷針和支撐桿隔開；（4） 避雷針引下線用截面積不小于25mm2的銅質(zhì)電纜或30mm?的鋁質(zhì)電纜；4.2鉆塔避雷針安裝注意事項.接閃器瓷瓶或木鉆塔引線繃繩圖5鉆塔避雷針安裝示意圖5）接地極用封底鋼管內(nèi)裝滿大鹽制成，保證接地電阻在4.2鉆塔避雷針安裝注意事項.接閃器瓷瓶或木鉆塔引線繃繩圖5鉆塔避雷針安裝示意圖（1）避雷針應(yīng)垂直安裝牢固，垂直度允許偏差為3/1000；（2）避雷針接地極與鉆塔本身、鉆塔繃繩、電機接地和孔口處的保護距離應(yīng)大于3m；（3）避雷針應(yīng)安裝在鉆塔頂部，高出塔頂1-3米（見表1）；（4）在避雷針接地裝置附近，由于跨步電壓甚高，人員接近時有觸電的危險，一般在避雷針接地裝置附近10米的范圍內(nèi)是比較危險的；（5）避雷針引下線與鉆塔繃繩距離不小于1米。結(jié)語一定要注意科學(xué)設(shè)計和安裝鉆探避雷針，不要輕視避雷技術(shù)各種環(huán)節(jié)的科學(xué)原理，更不可輕易自行設(shè)計安裝避雷針。要確保避雷裝置發(fā)揮效能，不但要正確設(shè)計、正確安裝，還要經(jīng)常保養(yǎng)，使它經(jīng)常處于良好狀態(tài)，這樣一般就可使鉆塔、鉆機尤其是施工人員免受雷擊傷害了。參考文獻：蘆洪偉?避雷針保護范圍計算方法之比較[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008（1）:36-37.馬宏達.避雷針保護范圍的模擬試驗理論與爭議.工科物理,1998S1:柳玲,黃忠儉.常規(guī)避雷針與提前放電避雷針的比較[J].黑龍江氣象,2008（2）:45-46.呂步麟.山區(qū)避雷針保護范圍的簡化計