修文縣兩起雷電災害分析及雷電防護措施

李 軍，趙 波，鄭 川，易 丁

(1.貴州省防雷減災中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省修文縣氣象局，貴州 修文 550200;3.貴州省氣象局職工教育培訓中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

我國現有一系列建筑防雷技術規范，根據國家標準的規定［1］，在城市所有三類以上的防雷建筑物都必須安裝防雷設施。防雷設施包括針、網、帶、接地體、引下線、屏蔽、等電位和SPD(避雷器)8個組成部分，所有的建筑在設計階段、施工階段、驗收階段都必須經過有關部門審查、驗收，確保防雷技術措施落實到每一座建筑物，可以說城市里的防雷措施是比較完善的。而貴州省是一個雷電災害頻繁的省份，年平均雷暴日數在40～80 d/a之間，年平均地閃密度10.4次屬于典型強雷暴地區。由于貴州典型的高原喀斯特地貌及山地氣候特點，造成貴州各地雷雨天氣云層低、云地閃電多于平原地區，發生雷擊災害事故機率高于平原地區。據貴州省防雷辦不完全統計，自2000年以來因雷擊傷亡達527人，直接經濟損失總計達3億多元人民幣。盡管我省開展防雷減災工作十多年，但在一些偏遠的郊區，人們的防雷意識仍還欠缺，對防雷減災的重要性仍認識不足，本文介紹的即是兩例典型案例分析及防護措施。

2 雷擊事故回放

2.1 雷擊事故1

2011年5月1日18時16分—21時57分，修文縣六廣鎮龍窩煤礦遭受雷擊，造成1臺傳真機、3臺電腦顯卡、1臺瓦斯監控主機、3個路由器、3臺電視機和瓦絲監控攝像頭損壞。

2.2 雷擊事故2

2011年5月10日晚上00:00時左右，武警馬家橋部隊辦公樓遭受雷擊，造成辦公樓4根柱子被擊壞，辦公樓內的所有電源線路包括開關、燈頭被擊壞。

3 事故分析

3.1 現場基本情況

修文縣六廣鎮龍窩煤礦建于六廣鎮山區里，2009年以來每年均有雷擊事故發生，煤礦區內有一棟辦公樓、三棟宿舍樓、舊配電室兩間、新建配電房一棟、小型炸藥庫一個(圖1)。這些建筑物均有直擊雷防護措施，但無防雷電感應及防雷電波入侵裝置，磅房和卷揚機房沒有任何防雷裝置保護，各種線路雜亂交錯。該煤礦四面環山，其中山上均為灌木林，礦井處于低洼處，地面較為潮濕，北面山上有高壓線環繞;煤礦的朝向是南北方向，所在區域屬于礦物質豐富的酸性土壤，煤礦的電源線路是架空進入生產區的，只采取一級保護。

武警馬家橋部隊辦公樓長45 m，寬15 m，高9 m，四面均為灌木林，其中離辦公樓4 m處有一棵高于屋頂且樹徑為70 cm的梧桐樹，辦公樓柱內結構均為直徑φ18 mm鋼筋，但鋼筋未接地。辦公樓所在地里位置很潮濕，總電源線路離辦公樓約為20 m處，并且是架空引入辦公樓內。該辦公樓建于解放前，國民黨統治時期，就曾有一位站在辦公樓旁的哨兵被雷擊身亡。現辦公樓前面有1棵大梧桐樹，正在改造裝修階段，剛剛鋪設好電源線路，未安裝任何電涌保護器。

3.2 資料分析

3.2.1 雷達資料分析 分析TWR01B天氣雷達2011年5月1日17時47分49秒的回波圖以及2011年5月10日23時24分40秒的回波情況(圖略)。可知雷擊事故發生地當時的雷達回波都較強，均在40～50 dBz之間，有利于雷暴過程的發生發展。

3.2.2 閃電定位資料 貴州省閃電定位網監測資料顯示，2011年5月1日18時16分修文縣開始出現地閃，至21時57分結束，共監測到事故發生地半徑2 km范圍內共發生云地閃電24次，均為負地閃。最大雷電流強度:－46.21 kA，平均閃電強度:－24.95 kA。

2011年5月10日23時34分修文縣出現云地閃電至次日0時14分結束。共監測到事故發生地半徑2 km范圍內發生地閃26次，均為負地閃回擊。最大閃電強度:－47.23 kA，平均閃電強度:－25.05 kA。

通過上述閃電定位資料可以看出，兩起雷擊事故發生時，事發地點閃電活動較為頻繁。雖然雷電流強度都不是很高，均沒有超過50 kA，但由于直擊雷擊和線路雷電感應耦合原因，使雷電過電壓進入系統中，進而造成設備的損壞。

3.2.3 歷史雷災情況 修文縣位于26°51'N、106°29'E，地形特點是東高西低，四周群山綿延起伏，屬于亞熱帶區，雷電活動比較頻繁。在這4個區域39 a就有18 a發生雷電災害。

4 事故原因分析

通過現場調查發現，兩起事故的共同點就是沒有完善的防雷措施。龍窩煤礦，雖有直擊雷防護裝置，但無防雷電感應及防雷電波入侵措施，這是該事故的主要原因;馬家橋部隊辦公樓建筑物無防直擊雷裝置，造成建筑物基礎部分損壞，加之未采取防雷電感應及防雷電波入侵措施、地網接地電阻亦不合格，出現雷擊事故在所難免。

①雖然受損單位龍窩煤礦和馬家橋部隊辦公樓的技術人員聲稱配電是從變壓器引入，變壓器對高電位引入具有一定的抑制作用，但在這次事故中變壓器的低壓側到室內的線路長達60 m，并以架空的方式引入。高聳的發射鐵塔使低壓側線路上因靜電感應、電磁感應原因而對后續設備端造成損壞的概率大大增加。而該單位在電源系統上并沒有安裝合適的電涌保護裝置。

②經現場檢測，龍窩煤礦的防直擊雷接地工頻接地電阻值4.2Ω，該值臨介于規范標準值。同時檢測發現，兩個單位所有用電設備的零地電壓為9 V(一般情況之下，零地電壓值不能超過2 V)，交流工作地接地電阻值為8Ω，其值偏大，所以要建立良好的接地系統，盡量降低接地電阻。接地電阻一高，很小的電流就會產生比較高的零地電壓，所以一定要降低接地電阻值。

③架空線進入室內時未按GB50057－2010第4.3.6條的要求采取相應的防雷電波侵入的措施，也未按照SDJ4－79《架空配電線路設計技術規程》第58條規定(為防止雷電波沿低壓配電線路侵入建筑物，接護線上的絕緣子鐵腳直接接地，其接地電阻不宜＞30Ω)的要求將固定瓷瓶的鐵橫擔進行有效接地，零線也未進行重復接地。

5 雷電防護的主要措施

雷電防護的主要措施分為外部防雷和內部防雷兩部分，其中外部防雷主要是防直擊雷，其措施有接閃器、引下線、接地裝置和外部屏蔽。內部防雷主要是等電位連接、SPD設置、屏蔽和綜合布線(見圖3)。

圖3 雷電防護系統

5.1 外部防雷

每一類防雷建筑的接閃器、引下線和接地裝置都有不同的要求。通過對兩個案例的分析，龍窩煤礦直擊雷防護裝置不完善，馬家橋部隊辦公樓無防直擊雷裝置，尤其注意盡可能利用建筑物的結構鋼筋和金屬構件作為大網格屏蔽。而在設計接閃器保護范圍的計算時主要采用滾球法來算，注意計算方法，特別是對屋頂避雷針保護范圍的計算，要根據現場的實際數據來進行。接地裝置的設置要考慮土壤電阻率，對高土壤電阻率環境，可采取降低土壤電阻率的方法或者采用環形地網，此時包圍面積達到要求即可不考慮接地電阻值。

5.2 內部防雷

SPD的設置:內部防雷措施主要是等電位連接、SPD設置、屏蔽和綜合布線，重點是SPD的設置。電源SPD的作用是當電網由于雷擊出現瞬時脈沖電壓時，SPD在納秒內導通，將脈沖電壓短路于地泄放，后又恢復為高阻狀態，從而不影響用戶設備的供電。電源SPD參數的選擇最好通過計算取得，參數選擇可參考各類標準。龍窩煤礦的電源線路SPD必須安裝在各個位置，最好分為三級以上保護;馬家橋部隊辦公樓的電源系統應采用兩級以上分級保護。SPD的連接導線應短直，其總長度不宜＞0.5 m，連接導線的線直徑要根據級別標準要求選擇。有效保護水平UP/f(連接導線的感應電壓降△U與SPD的UP之和)應小于或等于設備耐沖擊電壓額定值UW。當電壓開關型SPD至限壓型SPD之間的電源線路長度＜10 m、限壓型SPD之間的線路長度＜5 m時，在兩級浪涌保護器之間加裝退耦裝置或者選擇復合型SPD。也就是說電源SPD應有過電壓保護裝置和劣化顯示功能。

龍窩煤礦應安裝信號SPD保護，信號SPD的設置:信號線路SPD應根據線路的工作頻率、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式和特性阻抗等參數選擇插入損耗小，分布電容小和縱向平衡、近端串擾指標適配的浪涌保護器。Uc應大于線路上的最大工作電壓1.2倍。Up應低于被保護設備的耐沖擊電壓額定值UW。

6 結論

現代防雷是個綜合性的技術，綜合布線是最容易被忽略的一點。很多工程人員在進行施工時，往往不注意線路的敷設。各種線路的雜亂無序布設容易感應和傳導雷電過電壓，也是造成弱電設備容易遭受雷擊的事故原因之一。由于雷電的巨大破壞力，從這兩次雷擊事故的調查和原因分析可知，當今時代的防雷工作的重要性、迫切性，雷電的防御已從直擊雷防護到整個系統防護，必須站到歷史時代的新高度來認識和研究現代防雷技術，科學的安裝防雷裝置，普及宣傳防雷知識，不斷加深對自然界的認知，有所發現，有所發明，有所前進，使人類對自然界的認識提高到一個更高的水平，提高人類對雷電災害防御的綜合能力，把雷電災害的損失降低到最低限度，期望有一天化雷電災害為雷利，造福全人類。

［1］GB50057—2010.建筑物防雷設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［2］郭建興，史泉，王楊.長河化工廠雷擊事故調查及原因分析［J］.科協論壇，2011(03).

［3］黃仁升.欽州市某次雷擊事故成因分析及防御措施［J］.氣象研究與應用，2008(S1).

［4］李家寧.加油站雷擊事故調查分析［J］.科技資訊，2007(19).