喀斯特地貌农村学校防雷技术*

黄显吞

(百色学院物理与电信工程系，广西百色 533000)

0 引言

桂西属于典型喀斯特地貌的雷电高发区，平均每年的雷暴天气在80天左右，每年因雷击造成人员伤亡和财产损失逐年上升并呈多样性的发展趋势。随着教育事业的快速发展，桂西农村学校大都建在四周地势开阔的较高处，极易遭受雷电袭击。另外，农村学校防雷基础设施落后，雷灾事故频繁发生，严重威胁生命、财产的安全。

本文结合气候、地形、环境、电网等多种因素，介绍了桂西喀斯特地貌农村学校的防雷技术。

1 防雷

1.1 从防直击雷到防感应雷

目前，建筑、设施大多使用传统的避雷针，可有效防止直接雷击。随着通信技术、计算机技术、信息技术的快速发展，避雷针对精密电子设备的保护显得无能为力，即避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压等。

长期以来，对防雷的研究主要集中在防直击雷上，对防感应雷的研究相对较少，而感应雷过电压导致的故障比例超过90%，同时对防侧击雷、球雷等研究就更少。随着以计算机为代表的微电子技术的普遍应用，雷灾变得频繁、广泛且严重，人们终于意识到感应雷(雷击二次效应)的危害，开始对雷电电磁脉冲导致的故障进行防护。

1.2 从建筑物内外部防雷到综合防雷

防雷装置分为外部防雷装置和内部防雷装置。防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。传统的建筑物外部防雷(接闪器、引下线、接地装置、接地电阻等的装设和敷设等)及内部防雷装置(等电位联结、线路屏蔽接地、线路布设等)都能减少建筑物内的雷电流和由其所产生的电磁效应，减小了雷电反击、接触电压等二次危害，但对防止感应电压入侵、跨步电压等危害还存在欠缺。

本文针对桂西喀斯特地貌特点，具体分析各校区的地质结构，寻找最佳接地方式，包括降低土壤电阻率、接地体敷设等。

1.3 从共模保护到差模保护

大多数农村学校在电源工作接地、布线等方面也存在隐患:① 电源进线发生雷击时，线缆存在寄存电压，因此各设备对地的绝缘保护水平远高于总配接地，容易造成设备损坏;② 布线不合理，使各线缆相互二次感应。市售防雷保护器普遍存在保护模式单一的问题，特别是弱电系统，只有共模保护，缺乏差模保护。这样一旦出现差模电涌(如错相位雷击)，相间高电压不能受到防雷钳制，易造成相间绝缘崩溃，从而危及各种教学设备的安全。

从防雷和电气安全角度考虑，只有合理布线才能保证在防雷装置接闪时建筑物的照明、动力、电视和计算机等设备的管线互不影响，避免各线缆相互二次感应。这要求充分考虑防雷系统与管线的关系，并合理布线，在设计室内管线时与防雷系统统一部署:①改善教学建筑物内的地电位分布，减小雷电跨步电压;②减小教室被雷击时由于地面电位梯度大而产生的反击高压危害;③改进防雷保护器(既能共模保护，又能差模保护)，使保护没有盲区。

1.4 从接地装置布设到防反击高压

在喀斯特地貌高土壤电阻率地区，需采用各种措施降低接地电阻。目前，主要采用措施有增大接地网的面积、引外接地、增设垂直接地极、换土以及使用化学元素降阻剂等。每种措施都有一定的适用范围和条件，但在实际工程中往往不考虑电力系统外部环境、地理位置、地质等条件，这样达不到降阻效果，且会给系统的安全运行带来隐患。

对于防御雷电波保护装置，通常是增设短垂直接地极，但对散流有抑制作用，不利于降低电阻。使用接地极较多时，接地装置布设要有利于改善建筑物内的地电位分布，减小跨步电压。因此，每个方案都要综合考虑接地方式。很多农村学校对学生经常集中活动的建筑物场所内部没有做均压措施，接地网界面以内的电场分布不均匀，就不能减小跨步电压的危害，也不能减小室内在被雷击时由于地面电位梯度大而易产生的反击高压危害。

2 技术措施

2.1 系统综合技术

防雷工作是一个系统工程，必须将建筑物外部防雷措施和内部防雷措施作为整体考虑，其中就包括防直击雷、防侧击雷、防球雷、防止和抑制雷电电磁脉冲干扰的各种传输形式造成的危害等，并根据雷电通道从电源线到数据通信线路设置多级分类保护装置。

针对桂西农村学校建筑物特点，为预防雷电电磁脉冲干扰，建筑物内外防雷保护分区和防雷器的分级保护如图1所示。

图1 建筑物内外防雷保护分区和防雷器的分级保护

LPZ0A区是直击雷作用区，处于建筑物避雷针系统保护区以外，所有物体均有可能遭受直接雷击，对雷电的感应最强。LPZ0B区是感应雷主作用区，处于建筑物避雷针系统保护区内，但未经空间电磁屏蔽，所以处于该空间的可导电物体均可感应较强的雷电流。LPZ1区是建筑物屏蔽区，使流往各导体的雷电流进一步减小。LPZ2区是房间屏蔽区，进一步减小空间电磁场的干扰。LPZ3区是各种电气设备的屏蔽区，更进一步保护设备的安全。

2.2 电解接地极及等电位技术

依据雷电防护的理论和防雷设计安装经验，确定大地模型和土壤参数，采取相应的技术防护措施。在高土壤电阻率地区，采用电解接地极的方法，并采用等电位联结设施(物)。

针对桂西喀斯特地貌(高土壤电阻率)地区，采用人工改善土壤而降低接地电阻的方法，即用电阻率较低的土壤(粘土、黑土及砂质黏土等)替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5 m以内和接地体的1/3处。人工改善土壤措施如图2所示。

图2 人工改善土壤措施

这种人工改善土壤的方法在接地极附近有电阻率较低的土壤时非常有效，而且通过灵活应用各种不同降阻措施，寻找最佳降低接地电阻方案，获得适合喀斯特地貌的接地网。研究结果表明，长、短垂直接地极的接地特性对散流有抑制作用，可采用不等长接地极和多种降电阻剂并用的方法。应注意的是，采取电源线全程屏蔽并在布线时线间分开走线，避免平行铺设，以减少感应。

2.3 多级多维保护技术

有针对性地在建筑物上装设避雷针和避雷带，以防止直击雷。建筑物内金属设备和管道均应保持良好接地，并不得有开口环路等，以防止感应雷。建筑物的架空线路应装设低压避雷器，以防止高电位沿架空线路侵入建筑物内等。

综上，必须结合各地质情况对喀斯特地貌地区农村学校的建筑场地进行分析，综合考虑当地气候、地形、环境、电网等多种因素，探索综合的多维防护体系，在雷电入侵时能够保障系统安全运行和人身、财产安全。

3 结语

桂西大多数农村学校建于喀斯特地貌(土壤状况复杂)地区，本文在综合考虑气候、地形、环境、电网等多种因素的基础上，采取系统综合技术、电解接地极及等电位技术、多级多维保护技术等，以保障人身、财产安全，达到较好的雷电防护效果。

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