避雷针设置不当造成的雷击事故事例

维普资讯 http://www.cqvip.com 避雷针设置不当造成的雷击事故事例　应洪正（总装备部工程设计研究总院１０００２７）　陈振明（海军９　２　１　２　６）　摘要通过具体事例，说明信息化防雷中避雷针设计使用不当造成的严重后果。提出应根　据防雷性质，充分认识避雷针保护的二次效应对信息化设备的危害，有针对性地进行防雷保护，　以确保信息化设备在避雷针保护中的雷电安全。　关键词　雷电电磁脉冲击概率　耦合效应　闪电强磁场环境屏蔽技术均压地网　防雷性质雷　避雷针的应用已有２５０多年的历史了，直到现　在，人们还在继续沿用避雷针保护，说明避雷针保　护在防雷领域的作用和地位。但是，随着科学技术　的发展，特别是信息技术的发展，避雷针应用中的　成许多不应有的损失。所以，现代防雷中应特别注　意避雷针应用中的二次效应问题，这是信息防雷的　重点，是信息化设备受损的主要原因，因此正确地　进行避雷针保护就显得十分重要。有的防雷设计者　只注意直击雷保护，而不注意避雷针保护中的二次　效应问题，特别是雷电电磁脉冲（ＬＥＭＰ）的危害问　．址．５ＩＬ．５ＩＬ．５ＩＬ．Ｓ－Ｌ．Ｓ－Ｌ　．５ＩＬ　二次效应问题就显得十分突出了。许多昂贵的信息　化设备，被避雷针应用中的二次效应毁于一旦，造　址．；ＩＬ　．址．址．址．５ＩＬ．５ＩＬ．址．址．址．址．址．５ＩＬ．址．址．址．址．址．址　．址．址　５ＩＬ　．５ＩＬ．５ＩＬ．址　．址．址　１９９９年，在湖北荆门液化气工程防雷设计中，　采用屋面避雷针保护气化间屋面放散管时，笔者初　次遇到基准面如何选取的问题，经过几年的探讨与　摸索，在建筑物上单支避雷针的防雷计算方面，找　到一种简便、快捷的修正计算法。经过多次建设工　程防雷设计的实践，证明此修正计算法是有效的，　可广泛应用于建筑工程和市政工程中的防雷设计。　Ａｍｅｎｄｉｎｇ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ａｒｒｅｓｔｅｒ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　Ｓｃｏｐｅ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　ＢａｌＩ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｈａｎ　ｍ　（Ｃｈｉｎａ　Ｚｈｏｎｇｎａｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　４３００１０　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｒｏｕｉｇ　ｂａｌｎｌ　ｂｏｔｔｏｍ　ｌｏｗｅｒ　ｋ￣ｉｌｄｉｇ　ｐｌａｎ　ｎ图２几何作图法　ｗｈｅｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔｉｈｍｉｇｇ　ｎａｎｅｓ　．ｔｈｅ　ｐａ·　ｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｐｈａｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｖｅ　ｐｒｏｔｃｔｅｉｖｅ　ｓｃｏｐｅ　ｗｉｌｌ　ｅｘｃｅｅｄ　ａｃｔｕａｌ　ｅｆ－　ｂ：１０ｍ，按上述几何作图法以１：５００比例作出图　２，量取ＢＣ线长度即＾２　约为８．９６ｍ，选取避雷针　ｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｏｔｃｅｉｔｖｅ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ｌｉｈｍｉｇｇ　ａｒｎｒｅｓｔｅｒ　ｗｈｉｌｅ　ｋ￣ｉｌｄｉｇ　ｐｌｎａｎ　ｉｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ　ｐｌａｎ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｅａｓｙ　ａｎｄ　ｑｕｉｃｋ　ａｍｅ，￣Ｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｆｅｗ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａ．　高度ｈ２为９ｍ即基本能满足防雷保护距离要求。　由此我们可以看到，几何作图法求出的答案与前面　利用公式计算的结果完全一致。　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｒｏｌｌｉｇ　ｎｂａｌｌｍｅｔｈｏｄ　ｈｇｈｍｉｇ　ｎａｒｒｅｓｔｅｒ　ｏｎ　ｒｏｏｆ　Ｆｏｒ－　ｍｕｌａ　ｄｅｄｕｃｔｉｏｎ　Ａｍｅｎｄｉｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｎｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　建筑电气２０Ｏ５年第２期　维普资讯 http://www.cqvip.com 题。所以他们在避雷针保护中往往用避雷针高度招　引直接雷击，也不区分信息防雷与传统防雷，而用　传统防雷去保护信息化工程等。造成大量的“人造　雷”事故，变防雷为“造雷”，使许多本不应该发　生的雷击事故屡屡发生，造成许多不应有的损失。　下面列举雷击事故事例数例，与读者交流。　１　雷击事故事例之一：天线塔上装避雷针遭雷击　某通信站位于沿海地区，天线场与机房都在山　坡下，海拔高度仅１０ｍ，雷电日为４７日／年，雷电　形势并不严重，但还是发生了雷击事故，使多台昂　贵的通信设备损坏，通信联络中断，造成严重的损　失。据查ｊ其原因是设计者利用天线塔安装了一座　３０ｍ高的避雷针（见图１），从而招引直接雷击（经检　查避雷针尖被烧蚀１．５ｃｍ），但与此同时却没有考　虑避雷针引雷过程中引发的感应雷危害，以及应采　取的相应保护措施，如屏蔽接地、均压地网、正确　的电涌保护器（ＳＰＤ）配套保护等，从而造成雷击事　故的发生。说明设计者只注意利用避雷针防直击　雷，却没注意防感应雷，所以这是一次由防雷引发　的“人造雷”事故，是一次本不应该发生的雷击事故。　Ｈ链一　一一ｊ　笛　Ａ２　图ｌ通讯站防雷　２雷击事故事例之二：利用避雷针保护卫星　天线　某卫星天线，高２２ｍ，直径１２ｍ，竖立在宽广　的平原地区，年雷电日４０天。据计算天线的年雷　击概率为１．７４次，即卫星天线几乎每年都有可能　遭受直接雷击，所以雷电形势十分严峻。在这种情　况下，卫星天线的防雷保护方案，可以采用在卫星　天线上装一根或多根短针的保护方案，见图２；也　可采用避雷针的保护方案，见图３。前者投资　省，二次效应小，简单易行；而后者则投资大，二　次效应严重，施工安装复杂等，所以是不可取的。　但工程中却采用了避雷针的保护方案，这就会　产生如下一系列严重的防雷后果。　避雷针设置不当造成的雷击事故事例——一应洪正　陈振明　图２卫星地面站防雷方案Ｉ　避雷针　卫星天线　一　图３卫星地面站防雷方案Ⅱ　２．１增加雷击概率　避雷针是靠高度招引直接雷击的，它必须要有　足够的高度才能完成防直接雷击的目的。但雷击概　率Ⅳ又与避雷针高度的平方成正比关系，见下式：　Ｎ＝０．０１５ＴＫ１Ｋ２ｈ　Ｘ　１０－　（次／年）　（１）　式中：　——年雷电日数（日），取Ｔ＝４０（日）；　Ｋ　——落雷不均匀系数，易受雷击的建筑物　Ｋｌ＝１．５～２．０，取Ｋ１＝２．０；　Ｋ２——建筑物影响系数，金属材料Ｋ２＝１．５，　非金属材料为Ｋ２＝０．１５，取Ｋ２＝１．５；　＾——避雷针高度（ｍ），经计算ｈ：４８（ｍ）。　上式引自李仲篪编著的《发射场及火箭航天器　的闪电保护》第１３页。将数据代入（１）式得Ｎ＝　４．１５次，为原雷击概率的２．４倍。说明用避雷针保　护时，由于其高度的增加，雷击概率将随高度的平　方成正比地增加，从而使避雷针被直接雷击的可能　性大大增加，同样卫星天线被感应雷击的可能性也　大大增加。其结果是：避雷针和卫星天线都将屡遭　（８Ｊ）　·３３·　维普资讯 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雷击。　２．２产生雷电电磁脉冲（ＬＥＭＰ）　电子信息设备抗ＬＥＭＰ的能力很差，在闪电强　磁场环境下的易损性较高。因此，信息化设备受损　的主要原因来自ＬＥＭＰ的危害，所以信息防雷中控　制ＬＥＭＰ的产生，抑制ＬＥＭＰ的危害是信息防雷的　重点。但采用避雷针保护后，由于利用其高度招引　直接雷击的结果，使Ⅳ大大增加，伴随其雷击电　流而产生的ＬＥＭＰ也大量增加，这将直接危及信息　防雷安全，与信息防雷的要求背道而驰。　２．３耦合感应脉冲过电压　随着避雷针的引雷过程而产生的ＬＥＭＰ，通过　其周围电源线、控制线、信号线等馈线的感应耦合　效应，产生感应脉冲过电压。该电压引入机房内　部，袭击信息化系统的设备，使机房内信息化设备　损坏。　感应脉冲过电压的幅值与雷击点（避雷针）的距　离成反比，与雷电流的幅值和陡度成正比，所以雷　击点越近，雷电流的幅值和陡度越大，感应脉冲过　电压ｕ．就越大，也就越危险，详见（２）式：　／Ｚ１＝０．２（ｔｎｌＯ００／ａ一０．５）ｄｉ／ｄｔ×１０－６（ｋＶ／ｍ）　（２）　式中：口——雷电流引线与被感应导体间的平行距　离ｍ）；　／　——雷电流陡度（当３０ｋＡ中等雷击时，　其值为１１．５ｋＡ／ｔｔｓ）。　该式引自《中光系列防雷产品技术资料》第１　页。由式（２）可知，３０ｋＡ的雷击在避雷针附近导体　上耦合的感应脉冲过电压值见下表。　３０ｋＡ雷击时的感应脉冲过电压值　ｕｔ（！　ｋＶ／ｍ）ＩＩ　　！：！　Ｉ　Ｉ　　！：　Ｉｌ　　：　ｊｌ　　：　Ｌ　ｌ　：墅Ｉ—　　：箜　由上表可以看出，避雷针周围５００ｍ范围内的　导线的感应脉冲过电压达０．４５ｋＶ／ｍ，这对信息化　设备来说仍然是危险的。　根据设计，卫星天线距避雷针的距离为１０ｍ，　天线内各种馈线的平行距离为２２ｍ。由上表知，一　个３０ｋＡ的中等雷击在卫星天线内馈线上产生的感　应脉冲过电压ｕｌ＝９．５×２２＝２０９ｋＶ。如此高的感应　脉冲过电压，通过馈线引入机房内部信息化设备　时，设备受损是必然的。如果没有信息防雷的配套　３４．　（８２）　技术，只是简单的避雷针保护，机房内信息化　设备必将毁于一旦。所以，避雷针保护方案，　不但投资大，而且二次效应严重，是不可取的。只　有根据信息防雷需要，配套相关技术，使其引发的　感应脉冲过电压在允许值以下时才可以考虑独　立避雷针的保护方案，否则是危险的。　３雷击事故事例之三：利用避雷针安装短波　天线　避雷针是设定的雷击点，是雷闪的接收装置。　某工程中利用避雷针的高度在针塔上安装短波天　线，见图４。图中天馈线是穿塑料管沿避雷针塔架　空敷设至机房内机柜的。因此，一旦避雷针被雷　击，避雷针的雷击高电位，将通过天馈线的感应耦　合引入机房设备，详见等效电路图５。　ａ‘　ｌ　图４避雷针上安装天线　ｂ　ｘ（ｄｉ／ｄｔ）　Ｒｃ　０２　图５　等效电路　从图中知，避雷针受雷击时，雷电流ｉ将沿避　雷塔扣。入地，接地点０。的地电位会突然升高，　而机房内的接地点０２由于没有雷电流直接引入，　地电位基本不变，因此雷击时不同的接地点间将产　生危险电位差Ｕｏ　Ｄ：，详见（３）式：　Ｕｏ　ＤｉＲ，＋ｌｈｄｉ／ｄｔ　（３）　２建筑电气２０Ｏ５年第２－￣１　维普资讯 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式中：　——雷击电流（ｋＡ）；　Ｒ　——载流体铁塔口０１段与０１点接地电阻　之和（Ｑ）；　针保护，以为装避雷针就能防雷。如把２００４年７　月２３日在居庸关长城烽火台避雨的数十名游客被　雷击，也归罪于没有安装避雷针造成的。报导说　载流体铁塔　１段的单位长度自感　（，ｕＩ－ｌ／ｍ）；　“其中一个很重要的原因是烽火台没有安装避雷针。　被击伤的游客们也均称，事发的烽火台没有看见安　装避雷针”。但长理处负责人承认“烽火台顶　端确实没有安装避雷针，但烽火台四周都安装避雷　针”。显然人们以为没有装避雷针是这次雷击事故　的原因。事实上可能正好相反，避雷针是引雷的，　＾——载流体铁塔ａＯ　段的高度（ｍ）。　根据图４可知，天馈线６０２上由于分布电容与　电感的综合作用，将产生耦合效应，在６０２上产生感　应电压‰，，及其与口、ｂ两点间的电位差　，分别　为：　是靠高度招引直接雷击的，其雷击概率与高度平方　成正比，所以在烽火台上装避雷针会大大增加雷击　Ｕｂ０，＝（　０２／√Ｒ　＋艟）Ｒｃ　（４）　概率。强大的雷击电流泄地的瞬间会产生瞬态　Ｕｏ，＝Ｕｏｏ，（１一Ｒｃ／√璐＋艟）　（５）　高电位，产生危险的跨步电压和接触电压等。大量　人群集中在烽火台避雨，这时烽火台四周的避雷针　或烽火台顶一旦遭雷击，如果没有均压地网设计，　其结果必然会产生危险的跨步电压、接触电压或侧　向反击电压等伤及避雨的游客，这可能才是真正的　原因。　由于天馈信号线ｂ０２平行紧贴敷设于避雷塔　上，两者的分布电容接近于无穷大，使容抗　ｃ接近　于零，阻抗ｚ接近于　，代人（４）式与（５）式，得：　Ｕｗ２　Ｕｏｏ２　以上事例说明避雷针保护的一系列负面效应，　即天馈线上的感应电压为最大值，接近于雷击　针塔的高电位　０２。　Ⅱ６　０，进一步证明，口、ｂ两点间几乎没有　电位差，也就是说把雷击高电位通过天馈线直接引　入机房。所以利用避雷针高度装设天线时，如没有　屏蔽接地等配套措施，则避雷针一旦被雷击，机房　内的信息化设备将毁于一旦，是很危险的。　４雷击事故事例之四：居庸关长城烽火台游客被　雷击　严重地危及电子信息系统和人员、设备的雷电安　全。因此，应根据避雷针防雷性质，有针对性地进　行保护，以便降低二次效应的危害，特别是ＬＥＭＰ　的危害。但是，到了信息化时代的今天，有的设计　人员仍然没有完全认识避雷针保护的二次效应对信　息化设备的危害，不分保护对象的性质，沿用传统　的避雷针保护方法，滥用其高度，招引直接雷击，　使雷击概率成倍地增加。从而制造人工闪电强磁场　环境，增加电子信息系统的易损性，变防雷为“造　雷”。　信息化时代的今天，在防雷问题上，避雷针的　正确应用很值得人们关注。人们比较习惯于装避雷　｝　澳大利亚邦奇电子　澳大利亚邦奇电子工程有限公司是行业内一家专业　从事高级照明控制系统的制造销售公司。在１９９５年，第　魏一个将智能照明控制理念引入中国，先后在上海、北　京、广州设立了直属代表机构。并在国内１５个城市建立　毫了办事处和代理经销商，２００４年底在成都也建立了办事　处，已拥有完善的服务销售网络。其调光、开关智能照　魏明控制系统被广泛应用于宾馆酒店、办公大楼、体育场　署馆、会展中心、学校、医院、景观照明等各类项目，已　ｅ　Ⅱ　Ⅱ　目　避雷针设置不当造成的雷击事故事例——应洪正　陈振明