某大型桥防雷外部参数的测量和计算

2015-12-15 13:03涂修德武汉大学电气工程学院

电气技术与经济 2015年4期

涂修德（武汉大学电气工程学院）

某大型桥防雷外部参数的测量和计算

涂修德
（武汉大学电气工程学院）

摘要：影响大型桥梁耐雷性能的外部参数主要有桥位土壤电阻率、江（湖）水的导电性以及桥梁所处地域的雷电流活动规律。本文针对以上三种参数进行了基本原理的阐述，提出测量和计算分析方法。

关键词：大型桥梁；土壤电阻率；江水导电性；雷电流活动规律

0　引言

随着各类大型桥梁工程的新建，高耸的主塔和大跨度的梁体多位于空旷的水域地带，受地形等因素的影响，发生雷击的概率和强度远大于其周边地区。雷击的热力、机械力作用对桥梁建筑、通行于梁体之上的车辆和人身安全均可能造成严重危害；巨大的电磁脉冲还可能破坏桥梁机电及监控、收费和通信系统的正常运行。

针对桥梁的外部环境，对大桥的外部防雷参数进行测量、计算和分析是非常重要的。其结果对指导防雷设计，减少雷击危害，提高桥梁安全运营水平具有非常重要的作用。

1　桥位土壤电阻率测量及反演计算

1.1 土壤电阻率定义

土壤电阻率是土壤的一种基本物理特性，是土壤在单位体积内的正方体相对两面间在一定电场作用下，对电流的导电性能。一般取1m3的正方体土壤电阻值为该土壤电阻率ρ，单位为Ω·m[1]。

1.2 测量土壤电阻率的原因

土壤电阻率是防雷工程中一个非常重要的参数，其变化直接影响土中接地装置的接地效率及遭受直接或间接雷击的概率；更是影响接地网电位分布及人员接触电压和跨步电压发生概率的主导因素。

1.3 土壤电阻率的测量方法

土壤电阻率的测量方法很多，如地质判定法、双回路互感法、自感法、线圈法、偶极法以及四电极测深法等。最常用的是四极法测量土壤电阻率：取四个接地电级按直线排列，根据极间距离及测试仪读数即可直接求得土壤电阻率。具体测量方法如图1所示[2]。

图1　四级法测量土壤电阻率原理图

1.4 影响土壤电阻率的主要因素[3]

（1）土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量

土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ 就越小；反之就越大。土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好，ρ 就越小；反之就越大，如图2所示。

图2　含水量对土壤电阻率的影响

（2）土质

不同土质的土壤电阻率不同，甚至相差几千到几万倍，其影响程度如表1所示。

表1　不同土质的土壤电阻率

（3）温度

温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降，如图3所示。

图3　温度对土壤电阻率的影响

（4）土壤的致密性

土壤的致密与否对土壤电阻率也有一定的影响。试验表明，当粘土的含水量为10%，温度不变，单位压力由1961Pa增大10倍到19610Pa时，ρ 可下降到原来的65%。

（5）季节因素

影响土壤电阻率最明显的因素就是降雨和冰冻。在雨季，由于雨水的渗入，地表层土壤的ρ 降低，低于深层土壤；在冬季，由于土壤的冰冻作用，地表层土壤的ρ 升高，高于深层土壤。

1.5 测量结果及其分析

土壤结构与雷击大桥时的冲击地电位升高、接地电阻、接触电压和跨步电压密切相关。本文研究的大桥桥址区主要处于平坦状平原区，由河流相和河湖相构成漫滩及阶地，高程19～24m。地势平坦开阔，相对高差一般小于1～3m。由第四系全新统粘土、亚粘土、砂及砂卵石等组成，局部淤泥质成分较高。桥址区第四系覆盖层主要为全新统河流冲积相地层，厚度变化较大，两岸及滩地较厚，厚38.30～52.60m；河床段相对较薄，厚24.50～26.80m。

采用wenner等间距四极法对该桥两岸基础附近的土壤电阻率进行了测试，测试结果如表2、表3所示[4]。

表2　一岸土壤电阻率测试结果

表3　对岸土壤电阻率测试结果

可以看出大桥两岸土壤电阻率并不一致，总体土壤电阻率较低。反演水平分层的结构示意图如图4所示。

图4　水平分层土壤结构示意图

借助CDEGS软件[5]，利用最小二乘优化方法，在已知视在电阻率随极间距变化的基础上，计算得到两岸桥墩附近的土壤结构如表4所示。

表4　两岸桥墩附近的土壤结构

从土壤结构可看出，大桥工程所在地长江两岸的土壤结构类似，且各层土壤的电阻率差别不大。在进行雷击安全性计算的时候，为计算方便，在保证结果精确的情况下，假设土壤为单层结构，土壤电阻率取武昌岸上表层电阻率，可使结果偏于安全。

2　江水导电性测量

2.1 电导率定义

电导率的物理学概念，指在介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度。其定义为：电阻率的倒数为电导率，σ =1/ρ。除非特别指明，电导率的测量温度是标准温度（25℃）。它的物理意义是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强，反之越小。

2.2 测量水的电导率的原因

水的电导率对桥梁雷电防护设计而言是一个非常重要的参数，水的电导率的变化直接影响水中接地装置的接地效率，及其遭受间接雷击的概率。

2.3 影响电导率的因素

（1）温度

电导率与温度具有很大相关性。金属的电导率随着温度的增高而降低。半导体的电导率随着温度的增高而增高。要比较物质的电导率，必须设定一个共同的参考温度。

（2）掺杂程度

固态半导体的掺杂程度会造成电导率很大的变化。增加掺杂程度会造成高电导率。水溶液的电导率高低相依于其内含溶质盐的浓度，或其他会分解为电解质的化学杂质。水样本的电导率是测量水的含盐成分、含离子成分、含杂质成分等的重要指标。水越纯净，电导率越低（电阻率越高）。水的电导率时常以电导系数来纪录；电导系数是水在25℃的电导率。

（3）各向异性

有些物质会有异向性（anisotropic）的电导率，必需用3×3矩阵来表达。

（4）测量方法

电导率的测量通常是溶液的电导率测量。固体导体可以通过欧姆定律和电阻定律测量。电解质溶液电导率的测量一般采用交流信号作用于电导池的两电极板，由测量到的电导池常数K和两电极板之间的电导G而求得电导率σ。

（5）测量结果及其分析

该桥江水电导率测量结果如表5所示。

表5　江水电导率测试表

钢筋混凝土在干燥时是不良导体，具有一定湿度时电阻率可达100～200Ω·m，潮湿的混凝土电阻率更低，因混凝土中的硅酸盐与水形成导电性的盐基性溶液。混凝土在施工过程中加入了较多的水分，成形后结构中密布着大小不一的毛细孔洞，埋入地下后，地下的潮气可通过毛细管作用吸入混凝土中的水分保持一定的湿度。土壤一般可保持在20%左右的湿度，即使在最不利的情况下，也有5%～6%的湿度，而混凝土的含水量约在3.5%及以上时，其电阻率就趋于稳定。大桥工程附近土壤含水量大，混凝土可充分吸水。计算时取混凝土的土壤电阻率与其周围土壤的电阻率相等。

该桥主桥墩在江水中，水电阻率的变化直接影响接地装置的接地效率。从结果可看出，江水电阻率与两岸土壤表层电阻率相差不大。

3　雷电流活动规律分析及计算

3.1 雷电流波形及分级

雷电流波形是描述雷电流特性的一组重要参数，是反映地区雷电活动规律的重要指标。和该指标有关的参数主要有雷电流幅值、波头及波长时间。波头时间是指从波头起自峰值10%～90%的时间；波尾时间是指从波头起自峰值10%至波点降至峰值10%的时间[6]。首次雷击时及之后，以及长时间雷击的雷电流测量参数与对应的防雷建筑物类比如表6、表7和表8所示。

表6　首次雷击的雷电流参量

表7　首次以后雷击的雷电流参量

表8　长时间雷击的雷电流参量

目前建筑物直击雷防护回击电流波形常采用10/350μs波形，经过标准化后的10/350μs幅值150kA的雷电流波形如图5所示。我国电力行业常采用2.6/50µs的标准雷电流波形来进行直击雷防雷设计，波形如图6所示。

3.2 雷电流累积概率分析

雷电流幅值概率分布一直是国内外防雷界非常重视的雷电参数之一，在绕击和反击防雷计算中占据十分重要的位置，国内外使用的雷电流幅值分布表达式不同。从图7中雷电流幅值累积概率曲线变化可以看出，闪电强度（含正、负闪电）大于30kA的概率在50%以下，大于40kA的概率在25%左右，大于60kA的概率在8.1%，大于100kA的概率1.56%，大于150kA的概率0.37%，大于200kA的概率仅有0.12%。由上述可知，该桥所在地区的闪电强度不超过60kA的约占92%，因此，该地区的桥梁雷电防护工程设计中，可以根据不同雷电防护水平进行设计。

图5　幅值150kA波形10/350µs的标准雷电流波形

图6　幅值10kA波形2.6/50µs的标准雷电流波形

图7　闪电强度累积频率分布图

根据文献给出的Anderson和Berger实测数据，提出的雷电流幅值分布公式式中，I为雷电流幅值，p（Ip＞I）为雷电流大于I的概率，该标准式含有2个待定参数a和b。通过上式可以看到，雷电流超过a的概率为50%，即参数a可表征中值电流的大小，b则反映幅值概率曲线的变化程度：b越大，表示该累计概率曲线下降越快。经统计分析，当a＝29.2，b＝3.4时，根据上式计算，绘制图7中的拟合曲线；可以看出，拟合曲线与实际监测曲线基本相同，实测值与计算值相关系数高达0.99998。

通过Matlab数据拟合得到该桥所在地区的雷电流幅值分布公式为

P=1/[1+(I/29.2)3.4]

因此，在实际防雷工程设计中，可根据上式计算出大于某雷电强度的累积概率。

根据该桥梁项目所在区域4km半径范围内的闪电定位监测显示，2008年1月～2010年12月，监测到的最大雷电流为196.4kA，结合该地区的雷电流幅值分布公式，可以计算出相应的雷电流的累积概率。

50年内可能遭遇不同等级雷电流的雷击次数可按照以下方法计算

雷击次数=雷击密度（次/km2·a）×时间（年）×等效面积（km2）×雷电流累积率。

例如：大于10kA的雷电流的雷击次数为

［5.272（次/km2·年）］×［50（年）］×［3.14× 42（km2）］×97.45%=12906次

经测量和计算，该桥梁项目所在地，半径4km的范围内雷电统计表和雷电流概率表如表9和表10所示。