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淺談樂昌市云巖鎮(zhèn)雷擊事故成因及整改措施
本文通過對(duì)樂昌市地磅雷擊事故進(jìn)行勘察，再對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，分析出造成地磅雷擊事故的可能原因，后提出了針對(duì)本次雷擊的整改措施，希望本案例能對(duì)地磅的雷電防護(hù)有 定的指導(dǎo)意義。
雷電是自然災(zāi)害之，隨著經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雷電災(zāi)害造成巨大 的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全每年因雷擊傷亡人數(shù)達(dá)10500人左右。
地磅又叫汽車衡，主要由承重傳力機(jī)構(gòu)(秤體)、高精度稱重傳感器、稱 重顯示儀表三大主件構(gòu)成，由此即可完成基本的稱重功能。也可根據(jù)用戶的要求， 可選配打印機(jī)、大屏顯示器、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，以完成更高層次的數(shù)據(jù)管理及處理的 要求(電子地磅系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1)。
地磅位于樂昌南方水泥有限公司廠區(qū)內(nèi)，地處樂昌市郊區(qū)，土壤類型均為石 灰石(25006’34.58" N,113022’16.68"E)，屬喀斯特丘陵地貌，海拔在90米以上。氣候 有明顯的濕熱和干冷的大陸性氣候特征，年平均氣溫為19.4℃。
1 .地磅的防雷現(xiàn)狀
2.1 事故描述
2013年3月14日下午2時(shí)40分許，南方水泥有限公司內(nèi)的電子地磅遭到次強(qiáng)雷電 襲擊(雷擊點(diǎn)不明)，其強(qiáng)度之大為罕見。由于此次雷電有很強(qiáng)的聲、光、電等各 種各樣的物理現(xiàn)象，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)不*統(tǒng)計(jì)：造成2臺(tái)電腦損壞，地 磅系統(tǒng)的控制器集成芯片、穩(wěn)重傳感器損毀，攝像2個(gè)，造成了自動(dòng)稱重控制系統(tǒng)發(fā)生了癱瘓，并造成相關(guān)設(shè)備設(shè)備機(jī)房的電源線路損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)萬元。
2.2 現(xiàn)場勘察
地磅房為層框架式建筑物，建筑物四周柱子均作為防雷引下線，該建筑物已安裝相應(yīng) 的直擊雷防護(hù)措施。地磅承重和傳力機(jī)構(gòu)平臺(tái)已作單點(diǎn)接地，并與接地裝置進(jìn)行了等電位連 接。整個(gè)地磅系統(tǒng)接地裝置是距地磅房外墻 1.5m 處敷設(shè)人工接地裝置，埋地深度為 2.5m， 規(guī)格為<40×40×4 熱鍍鋅角鋼，間距為 5m，水平接地裝置為Φ12 圓鋼，埋地深度為 0.3 米，整個(gè)地網(wǎng)共有 4-5 個(gè)接地體，且在地磅房四周分布不均。地磅房的防雷接地電阻偏大。 電源線架空至地磅房外墻壁總配電箱，后穿 PVC 管引入地磅房內(nèi)分配電箱然后地磅控制主 機(jī)前電源插座，電源插座前端已安裝插座式 SPD，經(jīng)檢定該 SPD 啟動(dòng)電壓將近 2000V， 保護(hù)不了后端的敏感的電子設(shè)備，該電子地磅的電制式為 TN-S。地磅房內(nèi)有路進(jìn) 線，該未安裝任何雷電過電壓防護(hù)措施。地磅傳感器的傳輸接口為 RS232，信號(hào)線為普 通的非屏蔽雙絞線，未作任何的屏蔽處理，由地磅房引出的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，電源線和信號(hào)線均 未采取防雷電過電電壓措施。地磅房內(nèi)了電子設(shè)備均未做等電位連接措施。
2.3 事故分析
地磅已安裝了相應(yīng)的直擊雷防護(hù)措施，并且在地磅周圍未發(fā)現(xiàn)雷擊點(diǎn)，可判定本次 雷擊事故非遭受直擊雷所致，根據(jù)機(jī)房內(nèi)線路和設(shè)備情況，可初步判定本次雷擊由感應(yīng)雷造 成。
1) 地磅位于南方水泥廠廠區(qū)內(nèi)，由于水泥廠內(nèi)含有石灰石庫、水塔等較高的設(shè)施 設(shè)備，它們?cè)谒鄰S內(nèi)形成了天然的接閃器，對(duì)直擊雷有吸引的作用，由于雷電流的強(qiáng)大， 在通過引下線入地過程中，必然會(huì)在周圍的空間形成近電磁場，尤其是架空線路。而電子地 磅由于只安裝了直擊雷防護(hù)措施，未安裝有效的感應(yīng)雷防護(hù)措施，所以當(dāng)水泥廠中的其它較 高的建筑物受雷擊時(shí)，近電磁場會(huì)在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬態(tài)電磁場，該電磁場會(huì)使處于其空 間范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出定幅值的瞬態(tài)過電壓，該過電壓的大小主要取決于雷電流的 變化率，感應(yīng)導(dǎo)體的和導(dǎo)體距離等因素有關(guān)，可用以下公式計(jì)算：
(1)
Em 感應(yīng)電壓(單位為KV)
L 金屬環(huán)邊長(單位為 m)
X1 金屬環(huán)距雷擊點(diǎn)距離(單位為 m) Di/ dt 雷電流強(qiáng)度(單位為 Ka / us)
通過計(jì)算，地磅房按三類防雷建筑物計(jì)算，它離距雷擊點(diǎn)距離設(shè)定為 10 米，4 米×4 米的 避合線路環(huán)可感應(yīng)出數(shù)千伏的電壓，而該地磅的電線路從廠區(qū)內(nèi)直接架空引入，雷擊時(shí)， 雷電流通過引下線入地時(shí)，產(chǎn)生的電磁場必然會(huì)在電磅房的控制線和電源線上產(chǎn)生感應(yīng)過電 壓，致使相應(yīng)的設(shè)備損壞。
2) 地磅房利用四周柱主筋作為防雷引下線，防雷引下線的間距為 5 米×5 米，當(dāng)雷電擊 中電子地磅時(shí)，雷電流通過引下線進(jìn)入接地裝置時(shí)，會(huì)引起地電位升高，接地的地電位 Ug ,其計(jì)算公式如下：
(2)
Ug 接地的地電位升，kH;
Lg 接地的有效電感，μH;
Rch 接地的沖擊接地電阻，Ω; 由于單個(gè)接地，其有效電感不大，忽略時(shí)(令Lg=0),公式可簡化為
(3) 所以降低地電位反擊的方法是降低接地電阻，設(shè)地磅的防雷地網(wǎng)(聯(lián)合接地網(wǎng))的接地電阻 很大，如 R=100Ω，如果有 I=100KA 的雷電流擊中地磅關(guān)聯(lián)的建筑物時(shí)，地電位反擊過電
壓為 Ug=100=10000kv，這時(shí)地磅的任何接地裝置及等電位連接都會(huì)被擊穿，所以防 雷接地電阻過大也可能造成地磅的設(shè)施、設(shè)備的損壞。
3) 公共地阻抗耦合
雷擊時(shí)，雷電流沿引下線流經(jīng)接地體時(shí)，在地中形成如圖 2 中虛線所示的電位分布，由 于設(shè)備 B 接地處電位與雷擊點(diǎn)的基地不同，此電位差也可在地壤中形成放電。也就是說 當(dāng)?shù)匕跫暗匕跏覂?nèi)用電設(shè)備地網(wǎng)與雷擊點(diǎn)地網(wǎng)未達(dá)到安全距離時(shí)，必然會(huì)擊穿土壤，設(shè)雷電 流為 100KA 時(shí)，若雷擊點(diǎn)處的接地電阻為 5 歐時(shí)，則雷擊點(diǎn)處的接地點(diǎn)瞬間地電位可達(dá) 500KV 時(shí)，十幾米內(nèi)的地磅房土壤可能被擊穿。
4) 雷電波侵入
a.直擊雷(雷電直擊)的雷電波侵入危害 雷電可能直接擊中信號(hào)線纜，讓高壓雷電波以波的形式沿著導(dǎo)線兩邊傳播而引入地磅房，
有關(guān)資料顯示，當(dāng)雷電擊中信號(hào)線路時(shí)，雷電流會(huì)以 1/20～1/2 光速以波的形式向線路兩端 移動(dòng)，對(duì)電力設(shè)備及用電設(shè)備構(gòu)成危害。雷擊時(shí)電流高達(dá)幾十千安，高達(dá)到 200-300KA， 般在 20-40KA，其時(shí)間甚短，般僅為 10～100μs。
雷擊架空線路導(dǎo)線產(chǎn)生的直擊雷過電壓：
US = 100I ⑷
將 I=10KA 代入上式，可知 Us 相當(dāng)大，必然會(huì)損壞相應(yīng)的設(shè)備。實(shí)踐證明，將電纜埋在 土壤電阻高的地方，那么該電纜遭雷擊的概率也相當(dāng)大，即也會(huì)發(fā)生雷電直擊電纜的事故。
b.感應(yīng)過電壓的雷電波侵入危害 由于云巖鎮(zhèn)內(nèi)線纜大多采用架空形式引入，那么當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，雷電電磁脈沖會(huì)在架空
線產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。架空線路(無屏蔽)雷電感應(yīng)過電壓幅值，可用下列公式表示：
U = 25 I · Hd ⑸
g S
對(duì)于上式，雷電流幅值I=100KA，導(dǎo)線距地的高度Hd=5m,而雷擊點(diǎn)距導(dǎo)線的垂直距離 S=500m,經(jīng)計(jì)算Ug=25KV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線路的耐壓值。
2 .整改措施
1. 經(jīng)實(shí)地勘察得知，可在地磅房后距外墻 1.5 處增設(shè)環(huán)形人工接地裝置，水平接地體 可采用Φ12 鍍鋅圓鋼，埋地深度至少 0.5m，垂直接地體采用 5 號(hào)鍍鋅角鋼，沿水平接地體 間隔 5 米敷設(shè)條，角鋼長度至少 2.5 米，將該人工接地裝置作為系統(tǒng)的共用接地裝置，并 將防直擊雷接地、設(shè)備接地、SPD 接地、地磅秤臺(tái)接地、傳感器彈性接地、視頻、信號(hào)線 路的屏蔽接地均接至共用接地裝置，接地裝置的防雷接地電阻不大于 4 歐姆。
2. 地磅稱臺(tái)應(yīng)與地網(wǎng)作等電位連接，連接點(diǎn)不少于 2 處，連接材料可采用<40×40×4 熱鍍鋅扁鐵。
3. 地磅房引出的視頻線、信號(hào)線、控制線路應(yīng)將線路傳輸線改為屏蔽線路，架空線路在 進(jìn)入地磅房前應(yīng)穿鋼管埋地引入，并將入戶端電纜的金屬外皮、鋼管應(yīng)與防雷接地裝置邊接;
4. 低壓電源線路引入的總配電柜、地磅房內(nèi)分配電箱以敏感設(shè)備用插座前分別安裝 適配的電源 SPD，進(jìn)出地磅房的視頻傳輸線、信號(hào)控制線等信號(hào)線在入口，處加裝適 配的信號(hào) SPD，SPD 的選擇和安裝應(yīng)符合 GB50057 和 GB50343 的相關(guān)要求。SPD 兩端的 引線應(yīng)盡量短，滿足上下引線長度和小于 0.5m(圖 3 為地磅系統(tǒng)的防雷電波侵入示意圖);
3 .總結(jié)
由于地磅的特殊性與重要性，要求我們必須根據(jù)電子地磅的實(shí)際情況，因地制宜地 對(duì)地磅系統(tǒng)進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，即從直擊雷防護(hù)與感應(yīng)雷防護(hù)兩個(gè)方面入手，安裝合適的防雷裝 置，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)施與設(shè)備的目的.