底南村屢遭雷擊原因探究

張賽忠　鐘萬強　鄭　鴿　項欣樂

摘要:對當地易遭雷擊的地理環境和氣候條件、高壓電力線路增加雷擊概率及其引發的后果、相關的電力、通信、廣播電視等基礎設施的防雷缺陷、村民缺乏科學防雷意識等方面進行分析研究,提出了底南村屢遭雷擊的應對措施和建議。

關鍵詞:防雷減災;農村雷災;對策

中圖分類號:X928.2文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)08-0071-02

浙江省文成縣周壤鄉底南自然村的200多村民,一遇雷電天氣,就“聞雷色變”,2000年高壓線路經過村里后,雷擊就很頻繁,電器被擊壞、人畜被擊傷等事故近20起。如2008年8月13日,有8戶家庭受雷擊,造成冰箱3臺、電視機12臺、電風扇3臺、電話機12臺損壞,3人在室內受雷擊,導致全身麻木2分鐘左右后才恢復。底南村的雷電災害引起了文成縣和溫州市兩級黨委政府的特別關注,曾組織相關單位、專家四五次到該村調查研究。這里就對該村屢遭雷擊成因進行分析研究,并提出應對措施和建議。

1環境概況

周壤鄉底南村坐東(圖1)朝西(圖2),左右是山坡,山坡上居70多戶人家,中間是梯田,整個地形呈馬蹄。110kV輸電線路穿村中央而過,低壓電源線、電話線、有線電視線架空經過高壓線路下面,與高壓線的距離約5m至8m,并且布局交錯無章。距離民房最近的高壓桿塔(圖2)實測接地電阻13.0Ω,與民房的水平距離約為4米。高壓桿塔距最近電話電視線路約0.3m。高壓線路與人員主要經過通道附近山坡路最短的垂直距離約為8m,與房屋的垂直最短距離約10m,與兩側樹木的距離約為3m。東面山頂高壓桿塔(圖1)與西面桿塔距離約600m,西面桿塔再與其下游山頂桿塔距離約400m,只有村子西面(圖2)這支塔處水田邊,并在水田里做了地網,成了3支桿塔的雷電流集中對地泄放點。村民房屋及家用電器均沒有采取任何防雷裝置。

2特殊的地理位置是雷暴多發的背景

2.1水田引發雷擊

底南村村中央是成片的梯田,傍山而建的農房傍也是水田或離水田很近,由于水也是一種導體,土壤中的水分含量較大時,也很容易吸引雷電。而且水田與陸地交界處正是最易遭雷擊的地方。

2.2馬蹄形地形招徠雷暴

底南村地形呈馬蹄形,開口朝西,村西口就是落差很大的山谷懸崖,這種地形就是非常典型的強對流多發地形,沿山谷上來的氣流受地形抬升,再加在此堆積的水氣條件和能量條件一具備就形成雷雨云,而且云底離地面近,有水田和高壓線路的吸引,雷電就很容易與高壓線路接觸,釋放強大的雷電流,產生雷擊事故。

2.3是全縣雷暴的主要通道

文成縣主要有3條雷暴路徑:一條是東北路徑,文成縣的東北與青田接壤地區經文成瑞安交界到瑞安境內;一條是西北路徑,從文成西北經底南村附近再進入瑞安境內;另一條是西南路徑,從文成西南經底南村附近進入文成瑞安青田交界。而且西北路徑和西南路徑是文成縣80%以上的雷暴走向,因此,底南村是文成縣主要的雷暴通道。

3高壓線路加劇雷電災害發生

3.1高壓線路的設置增加雷擊幾率

高聳建(構)筑物易使地表的電場分布發生了嚴重的畸變,容易構成雷電發展條件,加上離放電云層近,易遭受雷擊,通常年雷擊次數和當地年均雷暴日成正比,和建(構)筑物高度的平方成正比。根據美國學者統計得出的經驗公式,年平均雷擊次數 N 可用下面公式算出:

N=0.015(IKZ)10^-4-4k₁k₁H²

式中:IKZ——年平均雷暴日,文成縣70天; k₁——落雷不均系數,對發電廠變電所 k₁=8～12,一般易受雷擊的建筑物,k₁=1.5～2.0,這里取2.0 ;k₂——建筑材料影響系數,金屬材料k₂=1.5,高壓線路取1.5,非金屬材料 k₂=0.15,農房取0.15; H——建(構)筑物高度(m),高壓避雷線及桿塔高相對農房取20m,農房取10m。

經過計算高壓線路和農房的年平均雷擊次數為:0.126次和0.00315次。

由此可以看出,高壓線路的設置,該村受雷擊的概率大大增加,而且是雷擊機會增加了39倍。

下面再按照GB50057-94(2000年)《建筑物防雷設計規范》的年預計雷擊次數計算公式對圖2民房進行計算:N=kNgAe

其中,k=1.5,Ng=6.01[次/(km2?a)],年雷暴日70天,民房的長、寬、高均取10m,代入公式計算出民房的年預計雷擊次數為0.07次/年。

根據DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》:雷暴日為40天的地區避雷線或導線平均高度為h的線路每100km 每年的雷擊次數為NL= 0.28(b+4h),b為兩根避雷線之間的距離,這里b取6m;h取20m,則

NL=0.28(b+4h)=0.28(6+4*20)=24.08(次/年)

那么,在底南村的110kV高壓線路(考慮擊在2000m的線路上對該村均有較大影響)的年預計雷擊次數是0.48次/年, 與該民房的年預計雷擊次數為0.07次/年相比,高壓線路的設置使得民房遭受雷擊的概率增加了5.86倍,高壓線路計算還是用雷暴日40天的。

因此,根據理論計算還是高壓線路設置后的實際情況,高壓線路的設置在很大程度上增加了該村莊的雷擊概率。

3.2雷擊瞬間產生危險的地電位和跨步電壓

當一個100KA的雷電擊中電力線或桿塔時,桿塔腳產生的瞬間電位計算:

U2= I * Ri =100000*13=1300 kV

1300KV的高電位,將會對周圍造成嚴重的地電位反擊。

在大地表面兩點之間的電位差:一點位于x處,另外一點位于x + aS處,其中假設aS等于1m,則為跨步電壓ΔVS,即當一個人站在大地表面這個位置,在兩腿之間存在的大地表面電位:

Us=UE *[1/X-1/(x + aS)]

式中UE是等于接地電位的接地電壓(假設基準地的電位等于零)。接地電位可以采取以下公式描述:UE = I * Ri =ρI/2πx

在此求離接地點30 m、75 m處的跨步電壓:

30m處:Us=UE *[1/X-1/(x + aS)]=1300000*[1/30-1/31]=1398V75m處:Us=UE *[1/X-1/(x + aS)]=1300000*[1/75-1/76]=228V

利用變電所設備安全跨步電壓公式計算西面桿塔附近的安全跨步電壓:

Ek=50+0.2ρ=50+0.2 *1000=250V

由此可見,當100 kA的雷電擊中線路的避雷線或桿塔時,桿塔附近是很危險的,村民反映雷雨天經過桿塔下面受電擊麻木是當然的,離開桿塔75m遠的地方對人員才相對安全。

3.3雷電磁感應危害頗大

桿塔和電力線受雷擊,在其周圍將產生強大的磁場,這種電磁場在周圍導體還會感應出較大電位。該村受到雷擊的民房離高壓線路均不到100m,桿塔離最近的民房4m。這里計算100KA雷電擊中高壓線路高壓桿塔4m處的磁場:

H0=i0/ (2πSa)=100000/2*3.14*4=3981(A/m)。

其中i0是雷電流(A),Sa是雷擊點與屏蔽空間的平均距離(m)。

根據GB50174-93《電子計算機機房設計規范》電子計算機環境電磁場不應大于800A/m,由此可見,雷電磁場對近處民房內的電子產品,已構成極大的危害。

強大的雷電流擊中電力線路電波在入地的過程中,由于雷電流陡度di/dt的作用,在其周圍不閉合的導體內會產生感應脈沖電壓,即感應雷。其電壓值為:

Em=2*10-7*L*ln(L+X)/X*di/dt

公式中:Em-感應電壓(KV);L-金屬開口環長度;X-金屬開口環距雷擊點距離。

根據現場低壓電原線、電話線、有線電視線交錯著,可看成一個個開口環。在100m處的民房中,假設有10m的開口環,波頭時間t=2.5us 的100KA雷擊高壓線路時的感應電壓為:Em=2*10-7*10*ln[(10+100)/100]*105/2.5*10-6=1.91KV

這樣大的感應電壓勢必給電子設備造成破壞,造成線路跳火,引起燃燒爆炸事故。

3.4架空線路的雷電感應過電壓特高

雷云在起電、移動和先導放電的過程中,對架空線會產生靜電感應,使之產生異號靜電位,一旦雷云對地放電,導線中的束縛電荷成為自由電荷,以沖擊波的形式對稱地向線路兩端移動,低壓電源、電話線等架空線路的雷電感應過電壓,可用下列公式計算:

Ug =25*(I*hc/S)=25*(100000*12/8)= 300KV

式中:Ug—感應過電壓幅值(kV);I—雷電流幅值(kA),取100kV; hc—導線距地高度(m),取12m; S—雷擊點與導線垂直距離(m),取100m。

300kV的過電壓,足以摧毀家用電器,并可以發生線路燃燒,引發火災爆炸事故。

4電子產品的普及使用增加雷擊事故

隨著社會的進步,電子產品發展迅速,在農村也迅速普及開來。電話、有線電視都要布線,這些線路如不注意防雷措施,恰好是“引雷入室”的通道。還有科學的進步,家用電器微電子集成程度越來越高,同時,它們抵御過電壓的能力卻越來越低,即很容易受雷擊而損壞。這也是雷擊事故逐年增加的一個因素。

5采取的應對措施和建議

①通過防雷宣傳,使村民掌握基本的雷電防護知識,特別是野外防雷知識。

②加裝防雷裝置,提高全村的防雷水平。這主要包括直擊雷防護和雷電電磁脈沖防護等方面:各民房安裝防直擊雷措施;改善低壓線路的布局,并宜將低壓線路埋地做屏蔽處理后再引入民房內,并在入戶處安裝電涌保護器,以降低強雷電流從各線路上侵入;增加有線電視、電話線路及低壓線路和高壓鐵塔和高壓線的安全距離,并規范布線,信號線路宜埋地做屏蔽敷設,并加裝信號電涌保護器;對貴重的家用設備做等電位連接技術處理。

③對110KV高壓線路進行改向,不要跨過村莊,遠離村莊,否則對110KV高壓線路進行技術改造。這主要包括以下幾個方面:將高壓線路和桿塔在適當的位置進行加高處理,從而增大安全距離;使高壓避雷線上的雷電流能進行多支路分流,限制避雷線上產生的雷電從距離民房最近的村西口高壓桿塔處對地泄放;改變各高壓桿塔的的地網結構,增補人工地網,使其符合技術要求,而且盡量爭取有很低阻值;正確鋪設人工地網,各接地體距行人道處不應小于3m,當小于3m時,接地體局部埋深應大于1m,或鋪設瀝青碎石地面,來防止接地體泄雷電流時,路上行人產生跨步電壓危險。

參考文獻:

[1] 張賽忠,董賽麗.文成縣雷暴及其災害特征分析[A].第二屆浙江省防雷減災科技論壇[C],2008.

[2] 機械工業部.GB50057-94(2000年)建筑物防雷設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2000.

[3] 電力工業部.DL/T620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].北京:中國電力出版社,1997.

[4] 李家啟.索塔大橋雷電防護必要性探討[J].中國雷電防護,2005.