可移動孤立構筑物防雷必要性分析

張穎杰， 敬金華

（深圳中廣核工程設計有限公司， 廣東 深圳518000）

0 引言

對于安全要求的日益提高， 對于自然界不可避免的雷電的防護永遠是一個熱門話題，它與人們的人身、財產安全息息相關。 工業構筑物是否需要防雷，也是一個在工程實踐中經常遇到的問題。 隨著人們對安全越來越加重視，對于某些特殊臨時構筑物的防雷必要性的分析也日趨重要，現就結合某項目實例闡述采取防雷措施的必要性。

在實際工程項目中， 偶爾會遇到某些處于空曠區域的孤立構筑物。這些構筑物與其他建筑距離較遠，而且其又是突出周圍地表的高點，而且需要人員控制操作，出于人員安全考慮，明顯需要考慮是否采取防雷措施。但這種孤立構筑物又不是固定不動的建筑物，而是可以移動的，在某一時段在某地架設后運行一段時間， 之后會移到其他地方繼續運行。 這就讓是否采取防雷保護措施成為了一個問題，如果采取防雷保護措施架設避雷線并接地，那么在構筑物移動到其他地方時防雷接地設施需要重新施工。這就給該構筑物的移動造成了一定的影響。那么如何確定該可移動孤立構筑物是否需要防雷接地措施就成為了一個需要解決的問題。

1 工程實例概況

在某海外采礦項目就有這樣一個案例， 該項目采購了一臺可移動的破碎機， 而且該移動破碎機布置在露天采礦礦區附近， 露天采礦礦區為地勢平坦植物稀少的荒漠。 具體位置為位于露天礦的一號礦坑和二號礦坑之間的空曠區域，距離主廠區直線距離約為3.6km。 其實際包絡尺寸為200m×150m×8m（長L×寬W×高H）。并且該移動破碎機展開固定后，全年不間斷運行，運行人員數最多為5 人。圖1 為移動破碎機實景圖。

圖1 移動破碎機實景圖

該移動破碎機布置在混凝土硬化地面上，工作時需展開，展開后距地面最高高度近8m，明顯高出周圍其他實體， 其動力來源33kV 架空線，且33kV 架空線經電纜與移動破碎機相連，其相對位置如圖2 所示。

圖2 移動破碎機位置圖

33kV 架空線路則與132kV 礦坑移動變壓器相連接，132kV 礦坑移動變壓器位于132kV 礦坑環網下方， 如圖3 所示。

圖3 132kV 移動變壓器位置圖

2 工程實例的初步分析

根據IEC 62305-2：2010《雷電防護 第2 部分：風險管理》[1]，首先要評估該建筑物防雷保護需求，這就需要明確該移動破碎機針對于雷電防護有哪些風險。 在IEC 62305-2：2010 中，風險如下：①R1：致人死亡的風險；②R2：為大眾服務的公共設施損失的風險；③R3：文化遺產損失的風險；④R4：經濟損失的風險。

而且在評估物體的雷電防護措施的需求時， 僅考慮如下風險：

（1）對于建筑物，考慮風險R1、R2和R3。

（2）對于公共設施，考慮風險R2。

由于移動破碎機并非公共建筑或文化遺產， 可以將其視為一般建筑物。 所以對于該移動破碎機應考慮的風險僅為R1，致人死亡的風險。

根據IEC 62305-2：2010 表1，致人死亡的風險R1應考慮如下風險：①雷擊中建筑物S1；②雷擊建筑物鄰近區域S2；③雷擊入戶線路S3；④雷擊入戶線路鄰近區域S4。

2.1 雷擊中建筑物S1 包含RA，RB 和RC

（1)在建筑物外圍3m 區域內，由觸摸和跨步電壓導致的對活體的傷害與RA有關。 在此情況下，建筑物內的風險是可以忽略不計的。對于農業財產情況，L1型損失和夾帶動物損失的L4型損失可能會發生。

（3）在建筑內由危險火花所引發的火災或爆炸，對整個環境可能造成威脅， 此情況下導致的實體損害與RB有關。 所有的損失類型（L1， L2，L3，L4）可能都會出現。

（4）RC 與雷電電磁脈沖防護引起的內部系統失效有關。在任何情況下，L2和L4型損失都會涉及。對于有爆炸危險的建筑物和醫院或是內部系統失效直接危及生命的建筑物，L1型損失也要加以考慮。

2.2 雷擊建筑物鄰近區域S2 包含RM 和RU

（1）RM 與雷電電磁脈沖防護引起的內部系統失效有關。在任何情況下，L2和L4型損失都會涉及。對于有爆炸危險的建筑物和醫院或是內部系統失效直接危及生命的建筑物，L1型損失也要加以考慮。

（2）RU 與建筑物內由于觸摸和跨步電壓導致的對活體的傷害相關，這是由于雷電流注入入戶線路引起的。 L1型損失可能會出現。

2.3 雷擊入戶線路S3 包含RV 和RW

（1）RV 與雷電流通過或沿著入戶公共設施導入所致的實體損害有關。 （火災或爆炸，通常是在入戶線路的入口處，外部裝置和金屬部件之間產生的火花導致的。 ）所有的損失類型（L1，L2，L3，L4）都可能會出現。

（2）RW與入戶線路中存在并導入建筑物的感應過電壓引起的內部系統失效有關。 在任何情況下， L2和L4型損失都會涉及。 對于有爆炸危險的建筑物和醫院或是內部系統失效直接危及生命的建筑物，L1型損失也要加以考慮。

2.4 雷擊入戶線路鄰近區域S4 包含RZ

（1）RZ與入戶線路中存在并導入建筑物的感應過電壓引起的內部系統失效有關。 在任何情況下，L2和L4型損失都會涉及。對于有爆炸危險的建筑物和醫院或是內部系統失效直接危及生命的建筑物，L1型損失也要加以考慮。

對于移動破碎機而言， 由于其并不是僅對于有爆炸風險和擁有挽救生命的電氣設備的醫院及內部系統失效直接危及生命的建筑物， 所以該雷擊中建筑物的風險應考慮RA，RB，RU和RV，也就是R1=RA+RB+RU+RV。

3 工程實例的具體計算

通過以上初步分析， 我們知道了該工程實例應考慮的雷擊風險，那么下面就可以依據標準具體計算風險值如下：

3.1 RA 值的計算

ND為雷擊建筑物的年度平均次數，計算公式如下：

NG為 雷 擊 大 地 密 度 [次/（km2·a）]， 依 據 標 準SANS 10313：2005《The protection of structures against lightning》表4，距離移動破碎機現場最近城市）NG 為0.5 次/（km2·a）[2]。

AD為孤立建筑物的截收面積，移動破碎機為不規則建筑物，包絡尺寸為200m×150m×8m（長L×寬W×高H）其計算公式如下：

CD為建筑物位置校正系數， 由于移動破碎機為孤立構筑物， 周圍沒有其他設施， 根據表A.1 位置影響系數CD，其建筑物位置校正系數為1。

PA為雷擊建筑物導致的對活體傷害的概率， 其計算公式如下：PA=PTA×PB=1×1=1

依據表B.1 和表B.2，由于該移動碎石機沒有采取防護措施，其PTA值選取為1，PB值選取也為1。

LA為對活體傷害導致的損失，其計算公式如下：

rt為下降系數，依據表C.3，由于該移動碎石機布置在混凝土硬化地面上，rt 值選取為10-2。

LT為觸摸和跨步電壓傷害引起的損失， 依據表C.1，LT值選取為10-2。

nz為分區中的人數。

nt為建筑物中的總人數。

tz為人員每年在分區中停留的小時數。

基于保守考慮以及移動破碎機布置在露天的情況，nz，nt和tz值均選取最大值，即nz=nt=5 人，tz為8760h。

3.2 RB 值的計算

ND為雷擊建筑物的年度平均次數，如前所述。

PB為雷擊建筑物導致實體損害的概率， 依據表B.2，由于該移動破碎機無雷電防護系統，所以PB值為1。

LB為實體損害導致的損失，其計算公式如下：

其中，rp為采用措施減小火災后果影響下降系數，依據表C.3，由于該移動破碎機配置有滅火器，故rp值選取為0.5。 hz為增大相對損失量的系數，由于該移動破碎機為5 名操作人員的機械設備，可以認為其為無特殊風險，故hz 值選為1。 rf為火災風險下降系數，依據表C.5，由于該移動破碎機僅包含可燃物， 電纜和輸送皮帶等非金屬物品，且布置在露天，故rf值選為10-3。 LF為實體損害引起的損失，依據表C.1，由于該移動破碎機屬于工業用途，故LF值選為2×10-2。

3.3 RU 值的計算

NL為雷擊進入建筑物的線路的年度平均次數， 其計算公式如下：

其中NG為0.5 次/（km2·a），如前所述。

AL為雷擊線路的截收面積，AL=40×LL，LL為線路區段的長度。 該移動破碎機動力電源來自3km 長的33kV 架空線，所以LL為3×103m。

依據表A.2，線路安裝因子CI值為1。

依據表A.3，該線路與變壓器相連，所以線路類型因子CT值為0.2。

依據表A.4，只有農村與實例相接近，故線路環境因子CE值為1。

NDJ為雷擊鄰近建筑物的年度平均次數，其計算公式如下：

其中ADJ=L×W+2×（3×H）×（L+W）+π×（3×H）2=13×2.44+6×3.2×（13+2.44）+ 9π×72≈1713.61m2， 移動變電站的尺寸為13m×2.44m×3.2m（長L×寬W×高H）。 依據表A.2， 該移動變電站位于132kV 正下方， 所以CDJ值選為0.25。 依據表A.4，該線路與變壓器相連，所以CT值選為0.2。

PU為雷擊線路導致的對活體傷害的概率， 其計算公式如下：

其中PTU為雷擊入戶線路因接觸電壓導致人和動物傷害的概率，依據表B.6，該移動破碎機具有電氣絕緣，故PTU值為10-2。

PEB取決于放雷等點位鏈接以及浪涌保護器所依據的雷電防護等級，依據表B.7，該移動破碎機布置在室外的設備，所以安裝了三級浪涌保護器，故PEB值為0.05。

PLD為雷擊線路導致內部系統失效的概率，依據表B.8，為移動破碎機提供電源的非屏蔽架空線與設備不在同一等電位連接排連接，故PLD值為1。

CLD取決于線路的屏蔽、接地和隔離條件，與PLD選擇時原因一致，故CLD值為1。

LU為對活體傷害導致的損失，其計算公式如下：

在本案例中LU與LA的取值一致，詳見LA計算過程。

3.4 RV 值的計算

NL為雷擊進入建筑物的線路的年度平均次數， 如前所述。

NDJ為雷擊鄰近建筑物的年度平均次數，如前所述。

PV為雷擊線路導致實體損害的概率，其計算公式如下：

PEB、PLD和CLD的取值，詳見PU計算過程。

LV為實體損害導致的損失，其計算公式如下：

綜上所訴，可以得到如下R1值：

根據IEC 62305-2：2010 表5， 可承受風險的典型值RT對于人員死亡為1×10-5， 可見經過計算對于該移動破碎機遭雷擊致人死亡的風險R1小于可承受風險的典型值RT，所以該移動破碎機可以不采取防雷保護措施。

4 結束語

通過以上分析及計算我們發現，主要影響工業建筑物的雷擊風險主要是致人死亡的風險，而在此風險中，主要影響其風險值高低的主要是雷擊中建筑物時，由觸摸和跨步電壓導致的對活體的傷害的風險RA與在建筑內由危險火花所引發的火災或爆炸，對整個環境可能造成威脅的風險RB，進而可以看出，影響以上兩個風險的主要參數為雷擊建筑物的年度平均次數ND和建筑物損失率L。 對于一般的沒有爆炸風險的混凝土工業建筑， 在沒有雷擊防護措施情況下，其PA值和LA值基本固定，分別為1 和1×10-4，雷擊建筑物的年度平均次數ND對于風險值大小的影響較大， 即雷擊大地密度和孤立建筑物的截收面積為主要影響風險值計算結果的參數。 如果這兩個參數的乘積大于1×10-1，那么風險值RA計算結果將會超過可承受風險的典型值RT，1×10-5，總的風險值R1也會超過RT值，即，

RA=ND×PA×LA＞1×10-1×1×1×10-4＞1×10-5，RB值亦然。

這時防雷接地措施就必須予以考慮以保證總的風險值R1小于可承受風險的典型值RT。 所以在實際工作中，為了節省時間，可以通過快速計算ND值來評估采取防雷接地措施的必要性。

可見在實際工程中并不是所有的建筑物或構筑物均需要采取雷電防護措施， 其可以通過IEC 62305-2：2010《雷電防護 第2 部分：風險管理》進行計算相關風險以評估確定。這不但為工程建設提供了依據，而且也節省了一部分工程投資避免了浪費。