雷击时不同土壤模型跨步电压计算分析与研究

曾 勇，吴安坤，刘 波，张淑霞，黄 钰（贵州省防雷减灾中心，贵州贵阳 550002）



雷击时不同土壤模型跨步电压计算分析与研究

曾 勇，吴安坤，刘 波，张淑霞，黄 钰
（贵州省防雷减灾中心，贵州贵阳 550002）

摘 要：跨步电压是接地装置特性参数中一个重要的参数。近年来因雷击产生跨步电压导致人身伤亡的事故逐渐增多。针对贵阳特殊地质条件，选取处于不同土壤模型下的接地装置，采用贵州省雷电监测网资料和现场土壤勘测数据，通过恒定电流场原理和CDEGS软件进行分析，定量计算雷击状态下接地装置周边跨步电压值及其分布情况。分析结果表明：雷击时不同土壤模型下跨步电压值不同；同时在建筑物地网引下线处出现跨步电压峰值可能性较大，地电位升由地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势。雷击高压输电线路杆塔时，处于杆塔接地网3m范围内的人员存在人身伤亡风险。在建筑物和杆塔防雷工程设计时应该对这些地方加强雷电防护措施，减少因雷击建筑物时人身伤亡事故的发生。

关键词：雷电灾害；跨步电压；分层土壤；土壤电阻率；CDEGS软件

0 引言

雷电灾害是自然界中影响人类活动的最重要灾害之一，已经被联合国列为“最严重的十大自然灾害之一”。雷电给人类带来的不仅是经济损失，也造成人身伤亡。当发生雷击时，强大的雷电流经接地极泄入大地，将会在入地点附近产生跨步电压，如果此时周围有人出入，一旦跨步电压超过了人体安全电压允许值，将会造成人身伤亡。根据贵州省雷电监测网统计资料，贵州省年平均闪电密度高达10. 4次/ km2，在国内排列第四位，贵阳市年平均闪电密度为4. 7次/ km2，属于多雷区。据不完全统计，2000年以来贵族省发生比较严重的雷电灾害数千起，人员伤亡600多人，造成经济损失数亿元。贵阳所在地地质条件极为复杂，属于典型的喀斯特地貌类型，土壤存在明显的分层结构，土壤电阻率存在着不均匀性，不利于雷电流的泄放。本文选取贵阳市内某建筑接地装置进行跨步电压定量计算，同时利用CDEGS软件对高层建筑和高压输电线路杆塔雷击电磁环境进行分析，计算出雷击状态下高层建筑和高压输电线路杆塔地面附近跨步电压分布情况，为防雷工程设计和雷电灾害调查分析提供参考。

1 跨步电压理论计算分析

跨步电压是接地装置特性参数中一个重要参数，是电力系统中发电厂、变电站、输电线路杆塔进行设计时必须考虑的一个安全指标。在《接地装置特性参数测量导则》（DL/ T 475—2006）中对跨步电压作出了明确规定：当接地短路电流流过接地装置时，在地面上水平距离为1. 0m的两点间电位差，标准中电流值适用于50Hz工频条件［1］。在110kV及以上有效接地系统和6—35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的跨步电位差不应超过公式（1）求得目标值［2］：

式中：Us为跨步电压，单位，V；

ρf为上层土壤电阻率，单位，Ω·m；

t为接地短路电流持续的时间，单位，s。

目标公式（1）中跨步电压值与上层土壤电阻率直接相关，但对上层土壤厚度没有作出规定。在实际中对跨步电压的定量计算通常按照以下三种方式计算［3］，其中雷电流均为发生雷击时的峰值电流强度，雷电流不局限于50Hz工频频率。

（1）在发生雷击时，雷电流经接地体流入大地后在均质土壤中产生的跨步电压为：

式中：ρ为雷电流入地点周边土壤电阻率，单位Ω·m；I为雷电流，单位A；S为人体的跨步距离，单位m；r为距离雷电流入地点的径向距离，单位m。

（2）考虑人体两只脚与地面之间的接触电阻后，跨步电压值为：

式中：ρ为雷电流入地点周边土壤电阻率，单位Ω·m；Rb为人体电阻，单位Ω；R0为人体与地面土壤间接触电阻，单位Ω；US为式（2）中所算，单位V。

（3）当土壤存在水平分层结构时，跨步电压值为：

式中R01为水平两层土壤时人体与地面土壤之间的接触电阻为：

其中：h为第一层土壤的厚度，单位m；n = 2，K = （ρ2-ρ1）/（ρ2+ρ1）为两层土壤反射系数；ρ1为上层土壤电阻率，ρ2为下层土壤电阻率，单位Ω·m；r1为人体脚半径，通常取0. 08m。

2 计算参数获取

选取贵阳市白云区某小区一栋高层建筑为研究对象，对其在遭受雷击时引下线处附近的跨步电压分布情况进行了计算，闪电数据资料来源于贵州省雷电监测网。贵阳市白云区地闪密度为4. 9次/（km2·a）。研究对象中心位置5km范围内的地闪密度为4. 9次/（km2·a），3km范围内的地闪密度为5. 1次/（km2·a）。

贵阳市白云区最大地闪、平均地闪强度分别为245. 49kA、38. 09kA，其中地闪强度介于0～20kA、20～50kA、50～100kA、100kA以上的概率分别是24. 89%、62. 17%、11. 26%、1. 68%（图1）。本次计算分析选取雷电流强度为38. 09kA，是地闪强度发生概率最为集中区段。

跨步电压定量计算主要选取高层建筑的两个墙角处引下线处，分别为1#引下线和2#引下线。通过现场勘查和白云区防雷装置安全检测站提供的数据资料，建筑物具体参数见表1。

由于建筑物接地阻抗值均较小，低于2 Ω，雷击时通过接闪装置后在引下线中雷电流一般约为雷电流强度值2倍，通常情况下拐角引下线中流过的电流一般占总电流的大部分，设其一根占10%，因此，拐角处的引下线雷电流为I =7. 618kA。

利用SYSCAL Junior土壤电阻率测试仪对建筑两个墙角引下线处的土壤电阻率值进行了测量，采用温纳四极法［4］。测量结果为1#引下线处土壤均匀，土壤电阻率值为152Ω·m。2#引下线处土壤电阻率不均匀，通过调节测试电极间距，测得2#拐角处土壤电阻率值见表2，利用CDEGS软件，对数据进行了反演分析［5］，得出图2所示两层水平土壤结构。

表1　高层建筑参数表Tab. 1 The parameter of high-rise building

如图2所示，2#引下7线处土壤拟合模型为水平两层结构，从上到下为：第一层（0. 00～13. 46m），平均土壤电阻率值62. 80 Ω·m；第二层（13. 46～30. 00m），平均土壤电阻率为149. 9852Ω·m。分层拟合结果的均方根误差为7. 28%，土壤反射系数为0. 41。

表2　温纳四极法测得2#引下线处土壤电阻率值Tab. 2 The soil resistivity values of 2# lighting down lead measured by Wenner method

3 跨步电压定量计算

以下分别对1#和2#引下线处入地点附近跨步电压进行计算，距离雷电流入地点的径向距离取2. 5m，人体的电阻Rb假定为1000Ω，其它计算参数见上节所述，计算如下：

（1）1#引下线处在不考虑人两只脚与地面接触且土壤均匀条件下对应的跨步电压利用公式（2）求得，ρ取152Ω·m：

（2）1#引下线处在考虑人两只脚与地面接触且土壤均匀条件下对应的跨步电压为：

（3）2#引下线在不考虑人两只脚与地面接触且土壤均匀条件下对应的跨步电压利用公式（2）求得，ρ取62. 80 Ω·m：

（4）2#引下线处在考虑人两只脚与地面接触且土壤为两层水平分层结构时对应的跨步电压利用公式（4）和（5）求得：

根据美国电机工程学会的意见，确定对心脏有害的通过人体的最低电流值为：其中：IK为允许流过人体的电流，单位A；t为电流延续时间，单位s。

跨步电压UK允许值为：

人体的电阻设为1000Ω，雷电流的延续时间为350μs，则UK=8. 8kV。

从以上计算可知，在相同雷电流流过引下线时，在不同土壤模型下跨步电压值不同，当接地引线下入地所处区域土壤电阻率高时跨步电压值大于土壤电阻率低时跨步电压值。同时，1#引下线和2#引下线处跨步电压值均大于雷击时最大允许跨步电压的计算值，因此，可能导致人员死亡事故。在防雷工程设计和雷电灾害事故调查时，应该综合考虑建筑物引下线所处区域的土壤特性，准确计算跨步电压值。

4 高层建筑仿真分析

通过CDEGS软件建立该栋建筑遭受雷击时的三维数值模型，参数选取见表1，选取高层建筑底层周边（高层建筑半径500m范围）作为观测面，计算观测面内最大跨步电压值［6］。跨步电压三维分布图见图3所示。

由图3和图4可知，跨步电压峰值主要分布于高层建筑墙角处，且其它小峰值主要沿高层建筑地网周边分布，峰值达到1. 5KV。同时，地电位升由地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势，下降的幅度中心大，边缘小，也就是说越靠近地网中心，电位梯度越大，越容易造成反击。

5 输电线路杆塔仿真分析

输电线路杆塔选取贵阳市白云区一座220KV高压输电线路杆塔，该杆塔建设在居民用户旁边，周边人员出入频繁。杆塔参数见表3。

表3 输电线路杆塔参数Tab. 3 The parameters of transmission line tower

基于前述相关实验参数，利用CDEGS软件的HIFREQ和FFTSES模块以及SESCAD建模工具，建立了220kV输电线路杆塔的三维数值模型［6-7］。计算分析杆塔最高点处遭受雷击时杆塔接地网外3m（观侧面）范围内的接触电压和跨步电压值［4］。计算结果见图5和图6。

《电流对人和家畜的影响—第4部分：雷击影响》（IEC/ TR 60479- 4—2011）规定了雷击状态下的人员安全标准［8］。根据该标准，人员安全有三种分析方法：

（1）具体颤动激励或能量法（Specific Fibrillation Charge or Energy method）；

（2）频率分解法和等量RMS值法（Frequency Decomposition method yielding and equivalent RMS value）；

（3）多个快速突发波法（Multiple Fast Burst Wave method）。

本文采用第一种方法来分析雷击状态下的人员安全。雷击状态下，人体遭受的电压可使用Dalziel's的能量关系来估计：

其中：Rb是人体的电阻。

雷击状态下，通过人体的能量为：

其中，iB和VC分别为人体遭受的电流和接触电压，T指雷击信号持续时间，RB和RF分别为人体电阻和脚与大地的接地电阻，RF= 1. 5*ρS，其中ρS是表层土壤电阻率（Ω·m）。人体电阻在高频条件下典型值取500Ω，低频条件下典型值取1000Ω。以下分析雷击状态下，RB取500Ω和1000Ω时，经计算，人体所能承受的最低能量值，即雷击状态下的人员安全标准值（表4），本文将以此作为最终判断雷击高层建筑时底层人员是否安全的标准对照值。

表4 雷击状态下的人员安全标准值Tab. 4 The values of human security standard with lighting strikes

通过图5和图6可以得出雷击杆塔最高点时杆塔正下方接地网3m外接触电压和跨步电压分布，均随时间呈震荡性衰减，最大接触电压为1800V，最大跨步电压为80V，最大接触电压和跨步电压产生的通过人体的能量分别为30. 5J和28. 2J，远大于雷击状态下人体能量的标准值13. 5J。所以此时在杆塔下面接地网3m范围内的人员是不安全的，存在人身伤亡风险。该杆塔出现人身伤亡风险主要是杆塔所处区域土壤电阻率属于中偏高电阻率区域，在杆塔外引接地时没有处理好外引处的边缘处绝缘处理，导致跨步电压过高，应该遵循高土壤电阻率地区防雷接地相关设计标准设计接地网［9-10］。

目前电力系统中输电线路杆塔的接地处理中，还存在很严重的技术问题，如果处理不当，就可能造成整个输电线路的瘫痪［11］。特别是在贵州山地环境下，受地形地貌和山地气候特征影响，导致了雷电活动的复杂性和雷灾的易发性，对输电线路正常运行构成了威胁，需要加强雷击防护措施。

6 结论与建议

本文通过理论计算和CDEGS软件仿真，主要得出如下结论：

（1）在建筑物引下线附近，在相同径向距离下不同土壤模型产生的跨步电压值是不同的，本质在于不同土壤模型对应的土壤电阻率是不同的。同时，跨步电压值还与引线下周边区域是否积水有关。

（2）不同的土壤模型，将对雷电流泄放效果产生影响，土壤电阻率低且均匀时有利于雷电流的泄放，跨步电压值随之减少。

（3）通过理论计算和软件仿真分析，在建墙角筑物角落引下线处出现跨步电压峰值概率较大，应该对这些地方加强雷电防护措施。

（4）雷击高层建筑时，建筑底层附近跨步电压主峰值主要分布在建筑墙角处，其他峰值分布于建筑地网周边。地电位分布主要从地网中心向地网边缘地带衰减，越靠近地网中心，电位梯度越大。

（5）雷击220kV输电线路杆塔最高点时，处于输电线路杆塔接地网外3m范围内因雷击产生的接触电压和跨步电压值通过人体的能量值远大于人体允许能量值，即杆塔下面接地网3m范围内的人员是不安全的。

鉴于目前防雷工程中可能存在的问题，以下给出了高层建筑及输电线路杆塔雷电防护时几点参考建议：

（1）尽管因雷击时跨步电压伤亡的概率较小，但是仍然存在风险。应该在高层建筑墙角引下线墙壁处挂“雷电危险”标志。建筑人行过道应该远离引下线，同时地面不宜积水。

（2）地网的设计较为关键，直接影响到雷击时跨步电压分布，应该根据建筑所在区域实际地形地貌和地质条件合理设计地网，对高土壤电阻率地区除了自然接地网之外还应该铺设人工接地网以达到降低跨步电压［5］。

（3）在高层建筑行人道路上敷设绝缘层，在外露金属导体上刷绝缘漆或者敷设绝缘外套，降低跨步电压与接触电压的人身危害。

（4）在城市中很多高压输电线路杆塔建于人员集中地方，在雷击杆塔时在杆塔接地装置周边的人员存在安全隐患，应该在杆塔附近设立明显的高压危险牌和雷击危险告示牌，以提示闲杂人员不要接近，减少雷击造成的人身伤亡风险。

（5）雷电灾害事故调查分析跨步电压时，应该按照事故点固有的土壤特性计算跨步电压值，否则将会出现偏差。建筑物防雷标准编制和修订，建议增加建筑物过道、引下线距离、地面绝缘要求。

参考文献

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Analysis and Research on Lighting Step Voltage in Different Soil Models

Zeng Yong，Wu Ankun，Zhang Shuxia，Liu Bo，Huang Yu
（Lightning Protection and Disaster Mitigation Center of Guizhou，Guiyang，550002）

Abstract：Step voltage is an important parameter in grounding connection parameters. In recent years，human injury or death event caused by lighting step voltage gradually increased. For Guiyang special geological conditions，selecting the grounding connection in different soil models and adopting Guizhou province lightning monitoring network data，to calculate the step voltage value and voltage distribution around the grounding device by using principle of constant current field and CDEGS software. The analysis results show that：the step voltage values vary for the different soil models. The possibility of a larger step voltage peak appears in the building down-conductor system and the ground potential rise radically from the center of the ground network to the network edge. People in the tower grounding network within the scope of 3m are unsafe when the high voltage transmission line tower is struck by lightning. Lightning protection measures should be strengthened to these places in the building engineering and transmission line tower design to reduce human injury in case of lightning.

Keywords：lighting disaster；step voltage；layered soil；soil resistivity；CDEGS software

中图分类号：TM863

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）01-0072-07

收稿日期：2015-11-04

基金项目：贵州省气象局青年基金项目（黔气科合QN［2015］17号）

作者简介：曾勇（1986—），男，硕士，助理工程师，主要从事防雷接地技术工作。