修文县两起雷电灾害分析及雷电防护措施

李 军，赵 波，郑 川，易 丁

(1.贵州省防雷减灾中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省修文县气象局，贵州 修文 550200;3.贵州省气象局职工教育培训中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

我国现有一系列建筑防雷技术规范，根据国家标准的规定［1］，在城市所有三类以上的防雷建筑物都必须安装防雷设施。防雷设施包括针、网、带、接地体、引下线、屏蔽、等电位和SPD(避雷器)8个组成部分，所有的建筑在设计阶段、施工阶段、验收阶段都必须经过有关部门审查、验收，确保防雷技术措施落实到每一座建筑物，可以说城市里的防雷措施是比较完善的。而贵州省是一个雷电灾害频繁的省份，年平均雷暴日数在40～80 d/a之间，年平均地闪密度10.4次属于典型强雷暴地区。由于贵州典型的高原喀斯特地貌及山地气候特点，造成贵州各地雷雨天气云层低、云地闪电多于平原地区，发生雷击灾害事故机率高于平原地区。据贵州省防雷办不完全统计，自2000年以来因雷击伤亡达527人，直接经济损失总计达3亿多元人民币。尽管我省开展防雷减灾工作十多年，但在一些偏远的郊区，人们的防雷意识仍还欠缺，对防雷减灾的重要性仍认识不足，本文介绍的即是两例典型案例分析及防护措施。

2 雷击事故回放

2.1 雷击事故1

2011年5月1日18时16分—21时57分，修文县六广镇龙窝煤矿遭受雷击，造成1台传真机、3台电脑显卡、1台瓦斯监控主机、3个路由器、3台电视机和瓦丝监控摄像头损坏。

2.2 雷击事故2

2011年5月10日晚上00:00时左右，武警马家桥部队办公楼遭受雷击，造成办公楼4根柱子被击坏，办公楼内的所有电源线路包括开关、灯头被击坏。

3 事故分析

3.1 现场基本情况

修文县六广镇龙窝煤矿建于六广镇山区里，2009年以来每年均有雷击事故发生，煤矿区内有一栋办公楼、三栋宿舍楼、旧配电室两间、新建配电房一栋、小型炸药库一个(图1)。这些建筑物均有直击雷防护措施，但无防雷电感应及防雷电波入侵装置，磅房和卷扬机房没有任何防雷装置保护，各种线路杂乱交错。该煤矿四面环山，其中山上均为灌木林，矿井处于低洼处，地面较为潮湿，北面山上有高压线环绕;煤矿的朝向是南北方向，所在区域属于矿物质丰富的酸性土壤，煤矿的电源线路是架空进入生产区的，只采取一级保护。

武警马家桥部队办公楼长45 m，宽15 m，高9 m，四面均为灌木林，其中离办公楼4 m处有一棵高于屋顶且树径为70 cm的梧桐树，办公楼柱内结构均为直径φ18 mm钢筋，但钢筋未接地。办公楼所在地里位置很潮湿，总电源线路离办公楼约为20 m处，并且是架空引入办公楼内。该办公楼建于解放前，国民党统治时期，就曾有一位站在办公楼旁的哨兵被雷击身亡。现办公楼前面有1棵大梧桐树，正在改造装修阶段，刚刚铺设好电源线路，未安装任何电涌保护器。

3.2 资料分析

3.2.1 雷达资料分析 分析TWR01B天气雷达2011年5月1日17时47分49秒的回波图以及2011年5月10日23时24分40秒的回波情况(图略)。可知雷击事故发生地当时的雷达回波都较强，均在40～50 dBz之间，有利于雷暴过程的发生发展。

3.2.2 闪电定位资料 贵州省闪电定位网监测资料显示，2011年5月1日18时16分修文县开始出现地闪，至21时57分结束，共监测到事故发生地半径2 km范围内共发生云地闪电24次，均为负地闪。最大雷电流强度:－46.21 kA，平均闪电强度:－24.95 kA。

2011年5月10日23时34分修文县出现云地闪电至次日0时14分结束。共监测到事故发生地半径2 km范围内发生地闪26次，均为负地闪回击。最大闪电强度:－47.23 kA，平均闪电强度:－25.05 kA。

通过上述闪电定位资料可以看出，两起雷击事故发生时，事发地点闪电活动较为频繁。虽然雷电流强度都不是很高，均没有超过50 kA，但由于直击雷击和线路雷电感应耦合原因，使雷电过电压进入系统中，进而造成设备的损坏。

3.2.3 历史雷灾情况 修文县位于26°51'N、106°29'E，地形特点是东高西低，四周群山绵延起伏，属于亚热带区，雷电活动比较频繁。在这4个区域39 a就有18 a发生雷电灾害。

4 事故原因分析

通过现场调查发现，两起事故的共同点就是没有完善的防雷措施。龙窝煤矿，虽有直击雷防护装置，但无防雷电感应及防雷电波入侵措施，这是该事故的主要原因;马家桥部队办公楼建筑物无防直击雷装置，造成建筑物基础部分损坏，加之未采取防雷电感应及防雷电波入侵措施、地网接地电阻亦不合格，出现雷击事故在所难免。

①虽然受损单位龙窝煤矿和马家桥部队办公楼的技术人员声称配电是从变压器引入，变压器对高电位引入具有一定的抑制作用，但在这次事故中变压器的低压侧到室内的线路长达60 m，并以架空的方式引入。高耸的发射铁塔使低压侧线路上因静电感应、电磁感应原因而对后续设备端造成损坏的概率大大增加。而该单位在电源系统上并没有安装合适的电涌保护装置。

②经现场检测，龙窝煤矿的防直击雷接地工频接地电阻值4.2Ω，该值临介于规范标准值。同时检测发现，两个单位所有用电设备的零地电压为9 V(一般情况之下，零地电压值不能超过2 V)，交流工作地接地电阻值为8Ω，其值偏大，所以要建立良好的接地系统，尽量降低接地电阻。接地电阻一高，很小的电流就会产生比较高的零地电压，所以一定要降低接地电阻值。

③架空线进入室内时未按GB50057－2010第4.3.6条的要求采取相应的防雷电波侵入的措施，也未按照SDJ4－79《架空配电线路设计技术规程》第58条规定(为防止雷电波沿低压配电线路侵入建筑物，接护线上的绝缘子铁脚直接接地，其接地电阻不宜＞30Ω)的要求将固定瓷瓶的铁横担进行有效接地，零线也未进行重复接地。

5 雷电防护的主要措施

雷电防护的主要措施分为外部防雷和内部防雷两部分，其中外部防雷主要是防直击雷，其措施有接闪器、引下线、接地装置和外部屏蔽。内部防雷主要是等电位连接、SPD设置、屏蔽和综合布线(见图3)。

图3 雷电防护系统

5.1 外部防雷

每一类防雷建筑的接闪器、引下线和接地装置都有不同的要求。通过对两个案例的分析，龙窝煤矿直击雷防护装置不完善，马家桥部队办公楼无防直击雷装置，尤其注意尽可能利用建筑物的结构钢筋和金属构件作为大网格屏蔽。而在设计接闪器保护范围的计算时主要采用滚球法来算，注意计算方法，特别是对屋顶避雷针保护范围的计算，要根据现场的实际数据来进行。接地装置的设置要考虑土壤电阻率，对高土壤电阻率环境，可采取降低土壤电阻率的方法或者采用环形地网，此时包围面积达到要求即可不考虑接地电阻值。

5.2 内部防雷

SPD的设置:内部防雷措施主要是等电位连接、SPD设置、屏蔽和综合布线，重点是SPD的设置。电源SPD的作用是当电网由于雷击出现瞬时脉冲电压时，SPD在纳秒内导通，将脉冲电压短路于地泄放，后又恢复为高阻状态，从而不影响用户设备的供电。电源SPD参数的选择最好通过计算取得，参数选择可参考各类标准。龙窝煤矿的电源线路SPD必须安装在各个位置，最好分为三级以上保护;马家桥部队办公楼的电源系统应采用两级以上分级保护。SPD的连接导线应短直，其总长度不宜＞0.5 m，连接导线的线直径要根据级别标准要求选择。有效保护水平UP/f(连接导线的感应电压降△U与SPD的UP之和)应小于或等于设备耐冲击电压额定值UW。当电压开关型SPD至限压型SPD之间的电源线路长度＜10 m、限压型SPD之间的线路长度＜5 m时，在两级浪涌保护器之间加装退耦装置或者选择复合型SPD。也就是说电源SPD应有过电压保护装置和劣化显示功能。

龙窝煤矿应安装信号SPD保护，信号SPD的设置:信号线路SPD应根据线路的工作频率、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式和特性阻抗等参数选择插入损耗小，分布电容小和纵向平衡、近端串扰指标适配的浪涌保护器。Uc应大于线路上的最大工作电压1.2倍。Up应低于被保护设备的耐冲击电压额定值UW。

6 结论

现代防雷是个综合性的技术，综合布线是最容易被忽略的一点。很多工程人员在进行施工时，往往不注意线路的敷设。各种线路的杂乱无序布设容易感应和传导雷电过电压，也是造成弱电设备容易遭受雷击的事故原因之一。由于雷电的巨大破坏力，从这两次雷击事故的调查和原因分析可知，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性，雷电的防御已从直击雷防护到整个系统防护，必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，科学的安装防雷装置，普及宣传防雷知识，不断加深对自然界的认知，有所发现，有所发明，有所前进，使人类对自然界的认识提高到一个更高的水平，提高人类对雷电灾害防御的综合能力，把雷电灾害的损失降低到最低限度，期望有一天化雷电灾害为雷利，造福全人类。

［1］GB50057—2010.建筑物防雷设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［2］郭建兴，史泉，王杨.长河化工厂雷击事故调查及原因分析［J］.科协论坛，2011(03).

［3］黄仁升.钦州市某次雷击事故成因分析及防御措施［J］.气象研究与应用，2008(S1).

［4］李家宁.加油站雷击事故调查分析［J］.科技资讯，2007(19).