(备份)铁塔下雷击事故的分析(项目).doc

铁塔下雷电灾害的分析厉从明 意义：阜阳市近期雷电灾害发生频繁，作为高大接闪针的铁塔下，发生雷电灾害的概率更大，铁塔主要用途是发射或接收信号，主要有电视广播发射塔、雷达发射塔、通信基站等。由于铁塔的高度高，一般在45米以上，又是金属构件，极易受到雷电的青睐，容易对周围的强、弱电设施造成雷电灾害。我们对阜阳市近期发生在铁塔下的雷电灾害进行调查、分析和计算，找出应对措施，以减少雷电灾害产生的危害，提高防雷的技术水平。需求分析：铁塔属于高度较高的接闪针，使用范围广泛，具有代表意义。1、有利于防雷常规检测的开展。2、提高防雷工程的设计、审核与验收水平。3、增强雷灾的调查能力。4、有助于雷评和气候可行性论证的开展。一、雷灾调查和分析雷电的雷电灾害危害方式：铁塔遭受雷击时，强大的雷电流在下行过程中会产生磁场感应、电场感应和电磁辐射等危害方式。磁场感应：铁塔接闪后雷电流产生的磁场，对附近的设备感应过电流和过电压，损坏设备。电场感应：铁塔接闪后雷电流产生的强大的电场，通过分布的电容会在周围的导体中感应过电流。下面对阜阳市的几处铁塔在不同防护条件下引发的雷灾进行调查分析，通过计算磁场感应和电场感应等数据，定性和定量的分析危害方式和危害程度。1、阜阳市水文局2006年6月30日下午17时40分左右，阜阳市水文局附近发生较强的雷电，雷电引发断电1小时左右，通电后发现4楼机房上位机不能与遥测终端(FIU)正常通讯，与省水情中心网络连接中断，无线对讲机电源损坏，上位机通讯串口、网络交换机损坏。这次雷击也造成机房内信号接收设备、空调、电脑被烧坏，附近家属楼的部分空调、冰箱、电视、电话被损坏。图1为水文局铁塔。图1 水文局铁塔水文局处在水利局院内，办公楼为5层建筑，水文局机房处在建筑的4楼，铁塔位于办公楼的北部，塔高55米，铁塔距离水文局办公楼的直线距离30米。办公室没有磁场屏蔽措施，对铁塔的接地电阻进行测量，为3.0欧。计算雷击点的危险半径，根据公式计算电磁波的波长：= c/ f （公式 1 ） -（电磁波的波长）c-传播速度m/sf-频率（HZ）首次雷击f 为25k HZ= c/ f=3*108/25*103=12000（m）危险半径为：/2 （公式 2 ）=1200/2*3.142000（m）铁塔危险半径为2公里，雷击时，位于铁塔周围2公里内，都能受以铁塔为中心点，由强到弱的电磁感应。电磁感应强度的计算：机房在闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度，相当于处于LPZ0A 和LPZ0B区内的磁场强度（图2 ），应按下式计算。H 0 =i0 /( 2sa ) （公式 3 ）式中： H 0 屏蔽时所产生的无衰减磁场强度( A / m ) ；i 0 最大雷电流( A)s a 雷击点与屏蔽空间之间的平均距离( m ) 图2 附近雷击时的环境情况sa 雷击点至屏蔽空间的平均距离H 0 =i0 /( 2sa )其中：H 0-首次雷击无屏蔽时，办公室的磁场强度，A/m；i 0-首次雷击时，雷电流的强度，按（表-1），取值为150KA;防雷建筑物类别最大雷电流i 0（ k A）对应的滚球半径R ( m )正极性首次雷击负极性首次雷击负极性后续雷击正极性首次雷击负极性首次雷击负极性后续雷击第一类20010050313200127第二类1507537.5260165105第三类100502520012781表1 最大雷电流( k A )取值对应表s a雷击点与办公室之间的距离，取值为30m；雷击时：H 0 =i0 /( 2sa )=150000/2*3.14*30=796 A/m 根据GB/T21431-2008（建筑物防雷装置检测技术规范）当磁场强度大于2.4Gs（约191 A/m）时，电子设备发生永久性损坏。机房计算出的数值796 A/m远大于磁场强度191 A/m的规范要求，铁塔雷电容易对办公室的设备造成损害。电场感应强度的计算：铁塔释放雷电电波，强大的雷电流流入大地的过程中，使其附近的导体产生感应电压： U=0.2（ln1000/a-0.5）di/dt（kv/m） a-雷电流与感应导体的平行距离（m） di/dt雷电流陡度（Ka/s） 以平均雷电流di=37.5Ka,波头时间为26s，经计算的周围导体上的耦合电压值（表2）： a（m）U（kv/m）1012.31005.42002.53002.14001.25000.6表2 平行距离与导体的感应电压值铁塔避雷针500m的范围内电子设备都能感应到0.6 kv/m电压，由表2看出，距离铁塔越近，雷电波的强度越大，电子设备遭受过电压的危害越大。根据以上几个公式计算，雷击点的危险半径约为2公里，磁场强度和电场过电压都远远大于规范要求的数值，机房距离铁塔只有30m，极易受到雷电的危害。2、阜阳市京九医院：京九医院位于颍东区，火车站的北侧，北部400米为昊源化工厂，周围无高大建筑物。2010年3月6日下午4点左右，京九医院遭受雷击，3台有线电视，4台电脑网卡，一台路由器击坏，网络光纤引入，碎石机、CT、B超电源拔掉，机器关闭，没有损失。医院为6层22.0米，铁塔高度25米（图2），为2008年才安装的移动信号塔，铁塔采用一根4*40的扁钢接地，引下线距离变压器3米，电话线经过楼后面的引下线附近。图2 京九医院楼顶避雷针对当天的天气进行分析，从500-850天气图、雷达图和当天的闪电定位资料分析，当天有低压系统影响，在阜阳的上空有闪电发生。雷达图：图3 雷达图T500：图4 T500图T700：图5 T700图T850：图6 T850图闪电定位资料：图7 闪电定位资料在闪电直接击在位于L P Z 0 A 区的格栅形大空间屏蔽或 与其连接的接闪器上的情况下，其内部LPZ1 区内安全空间内某点的磁场强度应按下式计算。图8 闪电直接击于屋顶接闪器时L P Z 1 区内的磁场强度H 1 = kHi 0w/( d w . ) ( 公式 4 )式中： H 1 安全空间内某点的磁场强度( A / m ) ；d r 所考虑的点距LPZ1 区屏蔽顶的最短距离( m ) ；d w 所考虑的点距LPZ1 区屏蔽壁的最短距离( m ) ；k H 形状系数（1/m ）， 取k H = 0.01 （1/m ）；w LPZ1 区格栅形屏蔽的网格宽( m ) 。计算6层的室内设备磁场强度：H 2 = kHi 0w/( d w . ) 其中：i 0根据表-1，取值150kA；W-楼顶屏蔽层的宽度，取值为1（m）；d w设备距离外墙的宽度，取值为0.8（m）；d r 设备距离顶板的距离，取值为2.2（m）H 2 = kHi 0w/( d w . ) =0.01*150000*1/0.8*=1500/0.8*1.48=1266.89（A/m）计算5层的室内设备磁场强度：H 3 = kHi 0w/( d w . ) 其中：i 0根据表-1，取值150kA；W-楼顶屏蔽层的宽度，取值为1（m）；d w设备距离外墙的宽度，取值为0.8（m）；d r 设备距离顶板的距离，取值为5.5（m）H 3 = kHi 0w/( d w . ) =0.01*150000*1/0.8*=1500/0.8*2.345=799.5（A/m）根据计算，5层的室内设备在楼顶避雷针接闪时，磁场环境的磁场强度为799.5（A/m），是磁场强度191 A/m的规范要求的4.18倍，容易遭受雷电的磁场损害。计算1层的室内设备磁场强度：H 4 = kHi 0w/( d w . ) 其中：i 0根据表-1，取值150kA；W-楼顶屏蔽层的宽度，取值为1（m）；d w设备距离外墙的宽度，取值为0.8（m）；d r 设备距离顶板的距离，取值为18.0（m）H 4 = kHi 0w/( d w . )=0.01*150000*1/0.8*=1500/0.8*4.2=446.42（A/m）根据计算，1层的室内设备在楼顶避雷针接闪时，磁场环境的磁场强度为446.42（A/m），仍然高于磁场强度191 A/m的规范要求，仍遭受雷电的磁场损害。通过以上计算，楼顶有移动信号塔的京九医院，整个建筑在铁塔遭受雷击时，处于磁场环境高于规范要求。3、阜阳广播电台中波站：2002-2005年，阜阳广播电台中波站连续几年遭受雷灾，造成信号发射设备受损，有时一年内遭受几次雷灾。电视塔124米高，距离设备室12米，东部距离居民楼5米，北部距离居民楼30米。图9 阜阳广播电台中波站铁塔图10 二层发射机房当有屏蔽时， 在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ1区内的磁场强度应按下式计算。H 1 = H 0 /10SF/20 ( 公式 5 )式中： H 1 格栅形大空间屏蔽内的磁场强度( A / m ) ；SF 屏蔽系数( d B ) ， 按表 3 的公式计算。表3 格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数1 适用于首次雷击的磁场；2 适用于后续雷击的磁场；3 相对磁导系数r200；4 w 格栅形屏蔽的网格宽(m)；r 格栅形屏蔽网格导体的半径(m) ；先计算H 0的数值：H0 =i0 /( 2sa )其中：其中：i 0根据表-1，取值150kA； Sa-铁塔距离设备的距离，取值为12mH0 =i0 /( 2sa )=150000/2*3.14*12=1990.44( A / m )再计算H 1的数值：H 1 = H 0 /10SF/20 ( 公式 6 )SF=20log（8.5/w）W-屏蔽网格的宽度，支柱之间的距离，取值2.0（m）SF=20log（8.5/w）( 公式7 )=20*0.39=7.8将SF=38.4 带入下式H 1 = H 0 /10SF/20=1990.44/100.39=1990.44/2.489=799.69( A / m )虽然有屏蔽层，由于铁塔距离发射机房只有12米，发射机房的磁场感应强度799.69( A / m )，远大于规范要求的数值。图11 铁塔东部的居民楼图12 铁塔北部的居民楼东部和北部的居民楼也受到雷电强磁场的感应，容易遭受雷电灾害。另外阜阳市其它地方铁塔引起的雷灾：2004年太和县电视台遭受一次雷击，造成电视信号发射设备和信号塔周围几百米居民家中的部分用电设备被烧坏，2005年又遭受雷灾，3楼的信号设备受损，致使电视发射信号中断1天左右。2006年阜南县电视信号发射设备遭受雷击，损失严重。2008年界首市电视发射设备因雷击受损。对以上遭受雷灾损失的建筑物、构筑物进行防雷检查和测量，信号塔本身没有受到损坏，机房建筑顶部有完整接闪带或接闪网，信号塔和建筑接闪器的接地电阻值都小于10欧，符合防直击雷设施的规范要求。机房建筑都没有按照智能建筑的要求设计和施工，没有完善防电磁屏蔽措施。根据调查结果分析，信号塔附近受直击雷损害的概率很小，铁塔高度原因，极易受到雷电光顾，产生的强大磁场和电场感应是雷灾主要原因。另外还有电磁脉冲、闪电电涌侵入、地电位反击侵入等途径，对机房设备和周围居民用电设备造成的危害。闪电电涌侵入：信号塔接闪后，雷电流通过连接到信号塔上的电源线、信号线和天馈线路侵入机房室内，危及人身安全或损坏设备。地电位反击侵入：雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近呈放射型的电位分布，对靠近它的强、弱电线路产生高电位侵入，侵入的高电压可高达数万伏。感应到的闪电电涌经强、弱电线路流向机房设备或居民室内，造成危害。二、防护措施针对上述雷电危害方式，应采用屏蔽、分流、均压、等电位连接、接地等措施，层层设防。1、 防雷电电磁感应新建建筑物，要求机房室按照智能建筑的要求设计，无屏蔽层的，应在四周外墙和顶部加装金属格栅，网格的宽度不应大于10mm，有屏蔽层的，屏蔽层的两端应接到建筑物的等电位连接带上。金属门及做成金属格栅形得金属窗应就近接地。2、防闪电电涌侵入各种线路应使用屏蔽电缆，入户前，屏蔽电缆应就近接地。天馈线的两端应接地，固定架、桥架应多次接地，桥架中间不连续处，应跨接。3、信号发射设备及附近居民的强、弱电线路应采用铠装电缆埋地敷设引入，埋地长度L应符合下列（1.1）表达式,但不应小于15米，埋地电缆的金属保护层应两端接地。 L （1.1）式中: L-金属铠装电缆的埋地长度（m）-敷设接地体处的土壤电阻率(m)4、将机房内电子系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件与建筑物接地系统做功能性等电位连接，应采用S型星形结构或M型网状结构（图13）。图13 S型星形结构或M型网状结构5、安装相应的电涌保护器，电源及信号系统设置参数匹配、位置合理、能量配合的电涌保护器，信号发射设备低压配电系统应安装不少于3级电涌保护器进行保护。在LPZ0 区与LPZ1区交界处，从室外引来的线路,在总配电处安装标称电流不小于100KA（8/20s）的电涌保护器为第一级电源防护。从分配处安装标称电流不小于40KA（8/20s）的电涌保护器为第二级电源防护，在设备前端安装标称