防雷技术

大沙河收费站雷击事故分析报告
作者: 罗佳俊 时间: 2008-07-01
本文章共4733字


一、概述：
2008年6月25日13点15分左右，据监控机房工作人员介绍，大沙河收费站院区附近20米范围内雷闪不断，造成监视器瞬间黑屏，几秒钟后回复正常；雷电过后，电话交换机损坏，票务室收费计算机主机网卡损坏，站长室电话保密盒损坏；配电线路跳闸。院区外面有一棵树被劈3米多长，地面有破碎的木屑。
二、雷电基本理论
闪电分为云闪和地闪两类，地闪又分为正地闪和负地闪两种，正地闪的发生概率仅占全部地闪的10%～15%左右，负地闪的发生概率约为85%～90%，但是正地闪的能量远远大于负地闪，大部分雷电流集中在20KA—100KA之间，低于20KA和高于100KA的雷电较少，从大沙河收费站被雷击中的树木情况分析，在院区周围的发生的闪电中，有正地闪出现，根据破坏程度分析，此次正地闪的强度在100KA以上，所以破坏力极强。
雷击造成的破坏途径有三个，一是直击雷，二是感应雷，三是雷电波侵入。
直击雷：指雷雨云对大地和建筑物放电的现象。它以强大的冲击电流、炽热的温度、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射损坏放电通道，直接击在建筑物构架上和人员身上，因电效应、热效应和机械效应等而造成建筑物等损坏以及人员伤亡。一般建筑物的防雷保护措施是在屋顶安装避雷带或者避雷针，并做好相应的接地措施。
感应雷：在雷云之间放电或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损坏。
雷电波侵入：远方落雷以电磁感应和静电感应等方式通过高压输电线路、低压电源线路、通信线以及金属管道等途径侵入建筑物，通过电阻耦合、电容耦合、电感耦合等途径破坏建筑物内的电子信息设备。
三、事故原因分析
1、大沙河收费站办公楼已经安装避雷带，且接地阻值符合《建筑物防雷设计规范》第3.4.2条相关规定。因此，建筑物本身已经具备直击雷防护功能。
2、闪电时发生总配电室、UPS机房断路器跳闸。现场情况为：电涌保护器工作状态正常，从而判断此次跳闸不是由电涌保护器没有动作造成的。去年（2007年）施工时，据该站电工介绍，除雷雨电气外，平时各收费站跳闸现象也是经常性的，也就是说跳闸事件非常频繁。
跳闸情况一般有三种原因：1、过电压（电流）2、漏电流过大3、短路。
A、 现在，室内配电线路上已经安装电源电涌保护器，所以，有过电压时，电涌保护器会动作，将过电流直接泄入大地，避免电路开关因过电压、过电流跳闸。排除线路上有过电压过电流的可能。
B、 跳闸后，手动合上，配电线路正常工作，如果某点发生短路故障，断路器将无法合上，所以排除线路某点的短路可能性。
C、 排除掉以上两种情况后分析，频繁的跳闸现象是由短路流造成的。该收费站的电源线路由三相高压线路架空引入变压器，降为低压后引入配电室。变压器高压侧装有氧化锌浪涌保护器，架空电源线路无避雷线保护。
架空电源线路防雷有四项基本原则：1.尽量使导线不受雷击；2.雷击之后尽量使绝缘不闪络；3.闪络之后尽量不建立稳定的工频电弧；4.工频电弧建立之后尽量不跳闸。再把这四项基本原则浓缩一下，即归根结底就是一句话：雷击最好不要跳闸，这就是架空导线防雷的根本目的。

由于架空线路不是每个电杆都安装有浪涌保护器，且电源线路上没有加装避雷线作为架空线路的直击雷防护措施， 它们的绝缘通常只有三个盘型绝缘子或更小，即这些线路的绝缘电气强度很低，实际上任何一次雷击架空线路都可以引起线路的闪络，所以线路上加了浪涌保护器也无用，因为自身条件太差了。所以我国 35千伏及以下的送电线路，一般不沿全线装设避雷线。既然第一道防线被攻破了，那么我们实施第二道防线（雷击在线路上时很容易产生闪络电压，电力系统的电压为工频电压，雷电的变化速度很快，所以称为冲击电压。冲击电压有正有负，所以有正极性冲击电压和负极性冲击电压之说，雷电流绝大多数属于负极性冲击电压，线路的绝缘闪络就是与绝缘子表面相接触的空气放电了），雷击到线路上发生闪络击穿后，电网的工频电流将沿着闪络路径流过，这是接地的短路电流，如果此电流的电弧稳定燃烧，则将发生线路的跳闸．因此这次跳闸事故很可能是由绝缘闪络电压引起的短路造成的。
3、雷电电磁脉冲（LEMP）是打雷时产生的作为干扰源的强大电流及其电磁场。它的感应范围很大，对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。建筑物内的雷电电磁脉冲干扰指以下三种情况：
1) 天空中雷电波的电磁敷设对建筑物内电力线路、信号线路和电子设备的干扰。
2) 建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内的电力线路、信号线路和电子设备的干扰。
3) 外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。
现代电子技术日益向高精度、高灵敏度、高频率和高可靠性方向发展。这些电子设备非常灵敏，但耐压很低，一般电子设备都承受不了±5V的电压波动。
1971年美国通用研究公司R.D希尔的仿真试验通过建立模式得出：由于雷击电磁脉冲的干扰，对当时的计算机而言，在无屏蔽状态下，当环境磁感应强度大于0.07GS（5.57A/m）时，计算机会发生误动作；当环境磁感应强度大于2.4GS（191A/m）时，设备会发生永久性损坏。


以大沙河收费站区外雷击树的那一点为落雷点，计算办公楼屋顶附近的电磁强度和监控机房内的电磁强度。
LPZ0区（直击雷防护区或非防护区）——闪击于格栅形大空间屏蔽以外的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0应按下式计算：
H0=i0/（2·π·Sa） （A/m）
式中i0——雷电流（A），按三类防雷建筑首次雷击的参数选择为100KA。
Sa——雷击点与屏蔽空间之间的平均距离，取30米。
经过计算，H0=530.8A/m（6.7GS） （1—1）
LPZ1区的电磁场强度为：


H1 = H0/10SF/20 (A/m)
SF= 20·log[（ ）/ ] （dB）

式中：
H1 ——LPZ1区空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度（A/m）；
i0 ——雷电流值（A）；
SF ——屏蔽系数（dB）；
W——格栅形屏蔽网格的宽度
R——格栅形屏蔽网格导体的半径；
经过计算：H1=54 A/m（0.68GS） （1—2）
通过以上公式计算得知，在2008年6月25日13点15分左右发生闪电的瞬间，雷电产生的雷电电磁脉冲，会对无屏蔽的信息设备产生永久性损坏（此时无屏蔽的电磁强度为6.7GS），对有屏蔽、但屏蔽一般的信息设备发生误动作(此时的电磁强度为0.68GS)。大沙河收费站监控机房的显示器机柜后盖敞开，但整体机柜接地，且显示器输入端安装有信号浪涌保护器。经计算，2008年6月25日13点15分左右闪电产生的雷电电磁强度为0.68GS，大于《计算机机房设计规范》GB50174-93第3.2.3条主机房内磁场干扰环境场强不应大于800A/m（0.07GS）的规定，于是设备产生误动作，导致显示器短时黑屏，闪电过后恢复正常。因此，在现有屏蔽状况条件下，产生显示器短时黑屏的现象是比较正常的，如果没有接地和安装浪涌保护器的话，根据计算得出，此时的电磁强度为6.7GS，大于2.4GS，设备会发生永久性的损坏。
4、进入票务室的五类网络双绞线和进入站长室、监控机房电话交换机的电话双绞线均由屋面架空引入（电话双绞线均没有安装相应的防浪涌装置，票务室的计算机网卡处安装有网络信号浪涌保护器）如图：
线路架空引入室内这种情况是绝对不允许的。架空引入或与避雷带平行敷设的线缆在闪电时，强大的瞬变磁场会在线缆上感生出极大的过电压过电流，或着是线缆被直击雷击中时，雷电波会沿着线缆侵入到终端设备，从而对设备造成损坏。
格栅形屏蔽建筑物附近遭受雷击时在LPZ1区内，无屏蔽的线路构成的环路，其开路最大感应电压Uoc/max=μo·b·l·H1/max/T1(V)
μo——真空的磁导系数，其值等于4π·10-7[V·s/(A·m)]
b——环路的宽（m）
l——环路的长（m）
H1/max——LPZ1区内最大的磁场强度（A/m）
T1——雷电流的波头时间（s）
经过计算，Uoc/max=1598V 其中，b-4m l-6m H1/max-530 A/m T1-10μs
从上述计算可以看出，当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时，其机房内部（LPZ1区）电源线、信号线及其相应的接地线所包裹的环路中的开路电压UOC是非常大的，足以造成设备的损坏。进入大沙河收费站票务室的网线和进入监控机房、站长室的电话线构成的环路电压最大值UOC/max为1598V，远高于电子信息设备（I类设备）的1500V的耐压。所以造成电话交换机、票务室计算机网卡、站长室电话保密器损坏，由于网络信号浪涌保护器的额定电压只有12V，所以安装在网卡前的网络信号浪涌保护器也可能由于持续过大的电压损坏或者由于持续时间过长，有一部分电流没有从浪涌保护器泄放掉，从而侵入网卡，造成网卡损坏。实际当中的线路走向要远远大于现在计算所用的数值。所以信号、电源线路一定要埋地并穿金属管进入室内，这样才能保证设备在雷雨天气时避免遭受雷电的干扰而损坏。




四、结论
通过上述分析，该次雷击事故的重点在于电话交换机，站长室电话保密器和票务室计算机网卡损坏。由于在去年的防雷改造中，办公楼已安装避雷带，监控机房安装了视频信号电涌保护器，并且在机房内部做了等电位连接，所以在该次雷击中，建筑物本身没有遭受到雷击的破坏，而监控机房的显示器只是出现了短时的黑屏，如果没有上述防雷改造的话，此次雷击造成的后果就不看设想了。
关于电话交换机和站长室电话保密器的损坏是在情理之中的。这两条线路均为架空引入，与屋顶避雷带缠绕或平行敷设，且没有加装相应的电话信号浪涌保护器，所以在6月25日13点15分左右的强雷暴天气中造成损坏。
票务室计算机网卡前端安装有网络信号浪涌保护器，但是网卡损坏（甲方介绍），由于网线位于LPZO区，可直接遭受直击雷击，所以，由于频繁的雷闪，造成较大的过电压，将浪涌保护器损坏，雷电流直接侵入网卡，从而将网卡损坏；还有一种可能是雷电流持续过长，有一部分雷电流没有被泄放掉，而侵入网卡，导致网卡最终损坏。具体情况，待取回原有浪涌保护器，用专业仪器测试后给出定论。
因此，防雷必须采取内部和外部想结合的措施，综合屏蔽、接地、等电位、合理布线、安装浪涌保护器等措施进行全面的防护。大沙河收费站办公楼天面，信号线与避雷带缠绕、且无采取屏蔽措施，是造成这次雷击事故的最主要的原因。这就要求在雷电防护工作中，甲方要积极配合，将屋面缠绕的线缆全部埋地穿管引入室内，并在设备前端加装相应的浪涌保护器，只有这样在能防患于未然。