管云巖

(四川省林業(yè)規(guī)劃院，四川成都 6l008l)

林業(yè)信息塔在林區(qū)廣泛應(yīng)用，均安裝在林區(qū)高山的突出位置，主要起到監(jiān)控林區(qū)火災(zāi)和保護(hù)森林資源的作用。林業(yè)信息塔可以做到全天候值守，大大節(jié)約人力資源，對(duì)提高工作效率、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都十分明顯。塔身一般為鋼結(jié)構(gòu)，塔高20 m左右。塔頂安裝太陽(yáng)能電池和監(jiān)控信息設(shè)備，由于信息塔使用環(huán)境比較特殊，均安裝在山頂突出位置，塔身易遭受雷擊，防雷是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例探討北川林業(yè)局在永安鎮(zhèn)、白泥鄉(xiāng)、桂溪鄉(xiāng)等處的林業(yè)信息塔的設(shè)計(jì)安裝，談?wù)劻謽I(yè)信息塔防雷技術(shù)的應(yīng)用。

l 雷電的危害

雷電的產(chǎn)生是由于電荷粒子在云層中累積到一定程度，對(duì)地或建筑物也可以不同帶電云層之間，發(fā)生的放電過(guò)程，常常產(chǎn)生巨大的聲?shū)Q和電光，短時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，如果雷電對(duì)建筑物放電將產(chǎn)生強(qiáng)大的破壞力，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:

l.l 電效應(yīng)

雷電的電荷瞬間放電幾十萬(wàn)伏，幾百萬(wàn)伏的電壓，可以擊穿電氣絕緣，燒壞或熔斷電線(xiàn)，造成電力系統(tǒng)大規(guī)模停電、短路，雷電或者高壓進(jìn)一步串入低壓系統(tǒng)會(huì)引發(fā)用電設(shè)備燒毀，人員傷亡。再則，雷電流入大地時(shí)，會(huì)在地面上因?yàn)槔纂娏鳟a(chǎn)生跨步電壓，致使人畜觸電事故。

l.2 熱效應(yīng)

雷電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)會(huì)引起電熱效應(yīng)，巨大的電流產(chǎn)生的熱量會(huì)引起火災(zāi)或爆炸。

l.3 機(jī)械效應(yīng)

雷電擊中建筑物時(shí)釋放的熱量瞬間引起空氣膨脹，發(fā)生爆炸或者造成嚴(yán)重破壞雷電對(duì)地建筑物典型的向下閃擊，其可能的4種組合見(jiàn)圖l(a)～(d)，首次雷擊電流最大值l m在l00 kA到200 kA左右，波頭時(shí)間在l0μs左右，半值時(shí)間350μs左右，放電量50 C～l00 C。首次以后的雷擊電流減小到50 kA以下，長(zhǎng)時(shí)間雷擊的時(shí)間可能持續(xù)0.5 s。

圖l 向下閃擊的可能的雷擊組合

2 防雷措施

按照國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，作了強(qiáng)制性的規(guī)定，按照防雷要求分成3類(lèi)。本文所涉及的信息塔高度一般在20 m，一般安裝在山頭的高聳孤立建筑，屬于3類(lèi)防雷建筑。

按照3類(lèi)保護(hù)的措施，信息塔的防雷保護(hù)可以利用在塔上裝設(shè)獨(dú)立接閃桿來(lái)避雷保護(hù)。工程上認(rèn)為大地是一個(gè)電位為零的巨大電荷載體，防雷的措施是把雷電電流通過(guò)金屬導(dǎo)體，引到大地放電，這樣就起到保護(hù)建筑物的目的，根據(jù)電荷有尖端放電的原理，可以在建筑物頂端設(shè)置接閃桿，接引雷電流然后通過(guò)金屬引下線(xiàn)，和接地體連接進(jìn)行放電，把雷電流引入大地，即可起到保護(hù)的作用。

2.l 接閃桿的保護(hù)范圍

現(xiàn)在工程上對(duì)于高層建筑和通訊微波塔這類(lèi)建筑，采用滾球法來(lái)確定保護(hù)范圍;也有折線(xiàn)法計(jì)算保護(hù)范圍，此法對(duì)于多層建筑比較有效。針對(duì)該信息塔，主要保護(hù)上端的設(shè)備平臺(tái)，采用滾球法比較合適。

下面就用滾球法計(jì)算接閃桿計(jì)算保護(hù)范圍(圖2):h為接閃桿的有效高度，單位為m。接閃桿的材料除滿(mǎn)足電氣性能外，還應(yīng)該考慮風(fēng)負(fù)荷，選用本工程接閃桿采用下段ф50的熱鍍鋅鋼管，上段采用ф40的熱鍍鋅鋼管，中間加角鋼支撐，其頂端切割成尖狀。

圖2 信息塔接閃桿的保護(hù)范圍

按照規(guī)范該工程的3類(lèi)建筑滾球半徑hr=60 m。從工程圖中得知接閃桿高度h=25.2 m，h＜hr時(shí):

(l)距離地面hr作一平行于地面的平行線(xiàn)。

(2)以桿尖為圓心，hr為半徑作弧線(xiàn)，弧線(xiàn)與桿尖相交并與地面相切。弧線(xiàn)到地面為其保護(hù)范圍。保護(hù)范圍為一個(gè)對(duì)稱(chēng)的錐體。

(3)以A、B為圓心，hr為半徑作弧線(xiàn)，弧線(xiàn)與桿尖相交并與地面相切。弧線(xiàn)到地面為其保護(hù)范圍。保護(hù)范圍為一個(gè)對(duì)稱(chēng)的錐體。

(4)接閃桿在hx高度的水平面上的保護(hù)半徑Rx和地面的保護(hù)半徑Ro，按照下面公式計(jì)算:

分別把工程中的hx=l8.2 m和hr=60 m，hr=25.2 m 代入(l)和(2)式

由以上計(jì)算可以看出，在l8.2的設(shè)備平臺(tái)，有效保護(hù)寬度為5.8×2=l l.6 m，大于平臺(tái)4m的寬度，也可以在一定范圍安裝太陽(yáng)能板電池和發(fā)射天線(xiàn)。

信息塔為鋼結(jié)構(gòu)，采用型鋼熱鍍鋅，連接一般為焊接和螺栓連接，電氣連通性好，利用在塔的四角上下聯(lián)通的主鋼材作為防雷引下線(xiàn)。在信息塔的塔頂設(shè)立接閃桿，只要建筑物在設(shè)置的接閃桿保護(hù)范圍內(nèi)，就可以起到雷擊保護(hù)作用。

2.2 接地電阻

接下來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是，利用接閃桿引導(dǎo)雷擊電流通過(guò)引下線(xiàn)到地下接地體，把電流釋放到大地，接地電阻的大小是影響避雷效果的重要指標(biāo)。理論上講接地電阻越小越安全，但是實(shí)際工程中，做到太小的接地電阻，需要花費(fèi)更多的工程費(fèi)用，我們只要滿(mǎn)足建筑物的安全即可，國(guó)家規(guī)范對(duì)不同等級(jí)和用途的接地電阻都有規(guī)定，《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057-20l0)中，對(duì)接閃桿每一引下線(xiàn)的沖擊電阻不大于l0Ω。接地電阻理論上為接地極表面到無(wú)窮遠(yuǎn)的電阻，工程上一般取20 m～40m范圍作為接地電阻。

按通過(guò)接地極流入大地中交流工頻電流求得的接地電阻，稱(chēng)為工頻接地電阻;按通過(guò)接地極流入大地中沖擊電流(雷電流)求得的電阻，稱(chēng)為沖擊接地電阻。雷電流從接地極流入土壤時(shí)，接地極附近形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，將土壤擊穿并產(chǎn)生火花，相當(dāng)于增加了接地極的截面，減小了接地電阻。另一方面雷電流有高頻特性，使接地極本身電抗增大。一般情況下后者影響較小，即沖擊接地電阻一般小于高頻接地電阻。

決定接地電阻的土壤電阻率是一個(gè)重要因素，土壤的電阻率是由土壤的類(lèi)型、含水量、溫度、溶解在土壤中的水中的化合物質(zhì)的種類(lèi)和濃度、土壤的顆粒大小以及顆粒的分布、密度性和壓力、電暈作用等密切相關(guān)。土壤的接地電阻一般以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，缺少數(shù)據(jù)時(shí)候可以參考設(shè)計(jì)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此外接地電阻還與接地極的材料、形狀、埋設(shè)深度、埋設(shè)方式都有密切關(guān)系。可見(jiàn)，接地電阻的計(jì)算是復(fù)雜多變影響因素很多的變量，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，比較困難，實(shí)際意義不大。工程上一般采用近似計(jì)算或者估算，并且在施工中實(shí)地測(cè)量的方法，如果達(dá)不到要求則補(bǔ)充接地裝置的做法來(lái)滿(mǎn)足工程要求。圖3為工程人工接地網(wǎng)布置圖，埋設(shè)深度為l m。圖4為接地網(wǎng)剖面圖。

圖3 接地網(wǎng)平面布置圖

圖4 接地網(wǎng)剖面圖

本工程建在北川，經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察，土質(zhì)為砂質(zhì)黏土，土壤濕潤(rùn)，其表面覆蓋植被較好，電阻率按設(shè)計(jì)手冊(cè)取70Ω·m(ρ0=70Ω·m)，計(jì)算雷擊防護(hù)接地裝置的土壤電阻率，應(yīng)該取雷季中最大可能的的數(shù)字，并按照:

式中 ρ——土壤電阻率，Ω·m;

ρ0——雷雨中無(wú)雨水時(shí)所測(cè)的電阻率，Ω·

m;

ψ——考慮土壤干燥所取得的季節(jié)系數(shù)。按照設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)于本工程采用水平接地埋設(shè)深度l m的閉合人工接地體季節(jié)系數(shù)取l.4。根據(jù)《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ65-83附錄的閉合水平接地體的近似計(jì)算:

式中 R——工頻接地電阻Ω;

S——大于l00 m2的閉合接地網(wǎng)的面積。根據(jù)本工程設(shè)計(jì)的閉合接地網(wǎng)的面積為S=l2×l2=l44 m2，將ρ和S的計(jì)算結(jié)果代入(4)得出:

以上計(jì)算結(jié)果為工頻電阻值，防雷的沖擊電阻要進(jìn)行換算，

式 Ri——接地裝置的沖擊電阻;

R——有效接地裝置各支線(xiàn)長(zhǎng)度小于或者等于接地體的有效長(zhǎng)度le，或者有支線(xiàn)大于le而取其等于le時(shí)的工頻電阻Ω。

A——換算系數(shù)，可以從《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-20l0附錄C中可以得知在本工程的土壤電阻率ρ=98Ω·m，A=l，沖擊電阻等于工頻電阻，即:

這里需要對(duì)接地體的有效長(zhǎng)度le作一個(gè)解釋?zhuān)凑铡督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-20l0的5.4.6條的條文解釋?zhuān)捎陔娒}沖在地中速度是有效的，而且由于沖擊電流的陡度是高的，一接地裝置僅有一定的最大延伸長(zhǎng)度有效地將沖擊電流散流入大地，故引出了外引長(zhǎng)度不大于有效長(zhǎng)度le

將本工程的ρ=98Ω·m代入(5)得出le=l9.78 m，本工程的四條分支引下線(xiàn)，計(jì)算接地體長(zhǎng)度為l2 m，所以計(jì)算的工頻電阻 R≈0.5·ρ=■S 4.08Ω是符合規(guī)范的。

防雷引下線(xiàn)是利用信息塔鋼結(jié)構(gòu)的主鋼梁都是50×50×5的角鋼構(gòu)成，上下電氣連通較好，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)引下線(xiàn)的強(qiáng)度要求。需要指出的是計(jì)算未包括信息塔基礎(chǔ)本身的自然接地電阻，施工實(shí)際測(cè)量接地電阻從理論上講還要小于計(jì)算值。

(l)對(duì)于高電阻率土壤的降阻措施:工程設(shè)計(jì)中常常會(huì)遇到，多沙、多石的情況，接地電阻常常達(dá)不到規(guī)范要求，這就需要對(duì)土壤進(jìn)行降阻方法，通常有:

①井式或者深鉆式接地極:當(dāng)?shù)叵律钐幍耐寥阑蛩碾娮杪瘦^低時(shí)，采用鉆機(jī)鉆孔，把鋼管接地極打入井孔中，并向鋼管內(nèi)和井內(nèi)灌滿(mǎn)泥漿。

②換土法:在接地體周?chē)鷏 m～4 m范圍內(nèi)，換上比原來(lái)土壤電阻率小得多的土壤，可以是黏土、泥碳、黑土等。換土后，接地電阻可以減小到原來(lái)的2/3～2/5。這種方法，其土壤電阻率受外界壓力和溫度影響較大，在高水位、水分滲入的地區(qū)效果好，但是石質(zhì)底層難以達(dá)到理想效果。

(2)其他安全措施:由于雷電流在地面散流，會(huì)沿地面形成電勢(shì)差，水平距離為0.8 m的點(diǎn)的電位差，即稱(chēng)為跨步電壓，會(huì)造成人身觸電事故。工程上常常采用設(shè)置均壓環(huán)，設(shè)置護(hù)欄、警告牌使進(jìn)入引下線(xiàn)3m以?xún)?nèi)的范圍，地面鋪設(shè)絕緣層來(lái)降低危險(xiǎn)程度，結(jié)合本工程的性質(zhì)在引下線(xiàn)3m的范圍鋪設(shè)5 cm的瀝青層或l5 cm的礫石比較簡(jiǎn)單易行，效果也比較好。其次在信息塔的2.7 m以下的范圍和金屬爬梯，要用l.2/50μs沖擊電壓l00 kV的絕緣層隔。

3 防雷擊電磁脈沖

接地是分流和泄放直接雷擊電流和雷電電磁脈沖能量的最有效手段之一。作為信息塔要安裝信息電子設(shè)備，應(yīng)該把建筑物的所有金屬件設(shè)備外殼與防雷裝置組成一個(gè)接地系統(tǒng)，形成等電位聯(lián)接，如果有外部電源接入采用TN系統(tǒng)時(shí)，從總配電箱起采用TN-S系統(tǒng)。

信息塔安裝的專(zhuān)業(yè)通訊設(shè)備，如果要將設(shè)備直流接地、交流接地、安全保護(hù)接地和防雷接地共用一組接地裝置，接地裝置的接地電阻值必須按照接入設(shè)備要求的最小值確定。一般來(lái)講接地電阻達(dá)到4 Ω左右，山區(qū)自然條件有限，接地電阻再小已經(jīng)不容易，如果尚不能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)通訊設(shè)備的要求，則要另外設(shè)置接地裝置并與防雷接地保持3 m以外的距離。

限于塔本身的空間和結(jié)構(gòu)有限，戶(hù)外專(zhuān)業(yè)通訊設(shè)備應(yīng)該有良好的金屬外殼和屏蔽電纜，起到防雷電磁場(chǎng)，防風(fēng)、雨、冰雪，防止小動(dòng)物的侵害，屏蔽線(xiàn)路傳輸線(xiàn)路安裝浪涌保護(hù)器等手段起到過(guò)電流保護(hù)。

圖5為安裝設(shè)備前的信息塔;圖6為安裝設(shè)備后的信息塔。

4 結(jié)束語(yǔ)

該信息塔自從20l2年l2月驗(yàn)收以來(lái)，工作穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行來(lái)看，防雷電和防電磁脈沖效果良好，起到了良好的社會(huì)效益。

圖5 安裝設(shè)備前的信息塔

圖6 安裝設(shè)備后的信息塔

對(duì)于信息塔的維護(hù)應(yīng)該做到定期檢測(cè)接地電阻值，及時(shí)除銹防腐，緊固連接螺栓，檢查線(xiàn)纜的狀態(tài)時(shí)否完好，及時(shí)觀察處理信息塔地基變化和周?chē)帜旧L(zhǎng)和倒伏的危險(xiǎn)。

［l]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-20l0.中國(guó)計(jì)劃出版社出版發(fā)行，20l0.

［2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB50343-20l2.中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行，20l2.

［3]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)中國(guó)電力出版社，2005.