黃顯吞

(百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西百色 533000)

0 引言

桂西屬于典型喀斯特地貌的雷電高發(fā)區(qū)，平均每年的雷暴天氣在80天左右，每年因雷擊造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失逐年上升并呈多樣性的發(fā)展趨勢(shì)。隨著教育事業(yè)的快速發(fā)展，桂西農(nóng)村學(xué)校大都建在四周地勢(shì)開(kāi)闊的較高處，極易遭受雷電襲擊。另外，農(nóng)村學(xué)校防雷基礎(chǔ)設(shè)施落后，雷災(zāi)事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅生命、財(cái)產(chǎn)的安全。

本文結(jié)合氣候、地形、環(huán)境、電網(wǎng)等多種因素，介紹了桂西喀斯特地貌農(nóng)村學(xué)校的防雷技術(shù)。

1 防雷

1.1 從防直擊雷到防感應(yīng)雷

目前，建筑、設(shè)施大多使用傳統(tǒng)的避雷針，可有效防止直接雷擊。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，避雷針對(duì)精密電子設(shè)備的保護(hù)顯得無(wú)能為力，即避雷針不能阻止感應(yīng)雷擊過(guò)電壓、操作過(guò)電壓以及雷電波入侵過(guò)電壓等。

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)防雷的研究主要集中在防直擊雷上，對(duì)防感應(yīng)雷的研究相對(duì)較少，而感應(yīng)雷過(guò)電壓導(dǎo)致的故障比例超過(guò)90%，同時(shí)對(duì)防側(cè)擊雷、球雷等研究就更少。隨著以計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)的普遍應(yīng)用，雷災(zāi)變得頻繁、廣泛且嚴(yán)重，人們終于意識(shí)到感應(yīng)雷(雷擊二次效應(yīng))的危害，開(kāi)始對(duì)雷電電磁脈沖導(dǎo)致的故障進(jìn)行防護(hù)。

1.2 從建筑物內(nèi)外部防雷到綜合防雷

防雷裝置分為外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置。防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。傳統(tǒng)的建筑物外部防雷(接閃器、引下線、接地裝置、接地電阻等的裝設(shè)和敷設(shè)等)及內(nèi)部防雷裝置(等電位聯(lián)結(jié)、線路屏蔽接地、線路布設(shè)等)都能減少建筑物內(nèi)的雷電流和由其所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，減小了雷電反擊、接觸電壓等二次危害，但對(duì)防止感應(yīng)電壓入侵、跨步電壓等危害還存在欠缺。

本文針對(duì)桂西喀斯特地貌特點(diǎn)，具體分析各校區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尋找最佳接地方式，包括降低土壤電阻率、接地體敷設(shè)等。

1.3 從共模保護(hù)到差模保護(hù)

大多數(shù)農(nóng)村學(xué)校在電源工作接地、布線等方面也存在隱患:① 電源進(jìn)線發(fā)生雷擊時(shí)，線纜存在寄存電壓，因此各設(shè)備對(duì)地的絕緣保護(hù)水平遠(yuǎn)高于總配接地，容易造成設(shè)備損壞;② 布線不合理，使各線纜相互二次感應(yīng)。市售防雷保護(hù)器普遍存在保護(hù)模式單一的問(wèn)題，特別是弱電系統(tǒng)，只有共模保護(hù)，缺乏差模保護(hù)。這樣一旦出現(xiàn)差模電涌(如錯(cuò)相位雷擊)，相間高電壓不能受到防雷鉗制，易造成相間絕緣崩潰，從而危及各種教學(xué)設(shè)備的安全。

從防雷和電氣安全角度考慮，只有合理布線才能保證在防雷裝置接閃時(shí)建筑物的照明、動(dòng)力、電視和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的管線互不影響，避免各線纜相互二次感應(yīng)。這要求充分考慮防雷系統(tǒng)與管線的關(guān)系，并合理布線，在設(shè)計(jì)室內(nèi)管線時(shí)與防雷系統(tǒng)統(tǒng)一部署:①改善教學(xué)建筑物內(nèi)的地電位分布，減小雷電跨步電壓;②減小教室被雷擊時(shí)由于地面電位梯度大而產(chǎn)生的反擊高壓危害;③改進(jìn)防雷保護(hù)器(既能共模保護(hù)，又能差模保護(hù))，使保護(hù)沒(méi)有盲區(qū)。

1.4 從接地裝置布設(shè)到防反擊高壓

在喀斯特地貌高土壤電阻率地區(qū)，需采用各種措施降低接地電阻。目前，主要采用措施有增大接地網(wǎng)的面積、引外接地、增設(shè)垂直接地極、換土以及使用化學(xué)元素降阻劑等。每種措施都有一定的適用范圍和條件，但在實(shí)際工程中往往不考慮電力系統(tǒng)外部環(huán)境、地理位置、地質(zhì)等條件，這樣達(dá)不到降阻效果，且會(huì)給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

對(duì)于防御雷電波保護(hù)裝置，通常是增設(shè)短垂直接地極，但對(duì)散流有抑制作用，不利于降低電阻。使用接地極較多時(shí)，接地裝置布設(shè)要有利于改善建筑物內(nèi)的地電位分布，減小跨步電壓。因此，每個(gè)方案都要綜合考慮接地方式。很多農(nóng)村學(xué)校對(duì)學(xué)生經(jīng)常集中活動(dòng)的建筑物場(chǎng)所內(nèi)部沒(méi)有做均壓措施，接地網(wǎng)界面以?xún)?nèi)的電場(chǎng)分布不均勻，就不能減小跨步電壓的危害，也不能減小室內(nèi)在被雷擊時(shí)由于地面電位梯度大而易產(chǎn)生的反擊高壓危害。

2 技術(shù)措施

2.1 系統(tǒng)綜合技術(shù)

防雷工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須將建筑物外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施作為整體考慮，其中就包括防直擊雷、防側(cè)擊雷、防球雷、防止和抑制雷電電磁脈沖干擾的各種傳輸形式造成的危害等，并根據(jù)雷電通道從電源線到數(shù)據(jù)通信線路設(shè)置多級(jí)分類(lèi)保護(hù)裝置。

針對(duì)桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物特點(diǎn)，為預(yù)防雷電電磁脈沖干擾，建筑物內(nèi)外防雷保護(hù)分區(qū)和防雷器的分級(jí)保護(hù)如圖1所示。

圖1 建筑物內(nèi)外防雷保護(hù)分區(qū)和防雷器的分級(jí)保護(hù)

LPZ0A區(qū)是直擊雷作用區(qū)，處于建筑物避雷針系統(tǒng)保護(hù)區(qū)以外，所有物體均有可能遭受直接雷擊，對(duì)雷電的感應(yīng)最強(qiáng)。LPZ0B區(qū)是感應(yīng)雷主作用區(qū)，處于建筑物避雷針系統(tǒng)保護(hù)區(qū)內(nèi)，但未經(jīng)空間電磁屏蔽，所以處于該空間的可導(dǎo)電物體均可感應(yīng)較強(qiáng)的雷電流。LPZ1區(qū)是建筑物屏蔽區(qū)，使流往各導(dǎo)體的雷電流進(jìn)一步減小。LPZ2區(qū)是房間屏蔽區(qū)，進(jìn)一步減小空間電磁場(chǎng)的干擾。LPZ3區(qū)是各種電氣設(shè)備的屏蔽區(qū)，更進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備的安全。

2.2 電解接地極及等電位技術(shù)

依據(jù)雷電防護(hù)的理論和防雷設(shè)計(jì)安裝經(jīng)驗(yàn)，確定大地模型和土壤參數(shù)，采取相應(yīng)的技術(shù)防護(hù)措施。在高土壤電阻率地區(qū)，采用電解接地極的方法，并采用等電位聯(lián)結(jié)設(shè)施(物)。

針對(duì)桂西喀斯特地貌(高土壤電阻率)地區(qū)，采用人工改善土壤而降低接地電阻的方法，即用電阻率較低的土壤(粘土、黑土及砂質(zhì)黏土等)替換原有電阻率較高的土壤，置換范圍在接地體周?chē)?.5 m以?xún)?nèi)和接地體的1/3處。人工改善土壤措施如圖2所示。

圖2 人工改善土壤措施

這種人工改善土壤的方法在接地極附近有電阻率較低的土壤時(shí)非常有效，而且通過(guò)靈活應(yīng)用各種不同降阻措施，尋找最佳降低接地電阻方案，獲得適合喀斯特地貌的接地網(wǎng)。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)、短垂直接地極的接地特性對(duì)散流有抑制作用，可采用不等長(zhǎng)接地極和多種降電阻劑并用的方法。應(yīng)注意的是，采取電源線全程屏蔽并在布線時(shí)線間分開(kāi)走線，避免平行鋪設(shè)，以減少感應(yīng)。

2.3 多級(jí)多維保護(hù)技術(shù)

有針對(duì)性地在建筑物上裝設(shè)避雷針和避雷帶，以防止直擊雷。建筑物內(nèi)金屬設(shè)備和管道均應(yīng)保持良好接地，并不得有開(kāi)口環(huán)路等，以防止感應(yīng)雷。建筑物的架空線路應(yīng)裝設(shè)低壓避雷器，以防止高電位沿架空線路侵入建筑物內(nèi)等。

綜上，必須結(jié)合各地質(zhì)情況對(duì)喀斯特地貌地區(qū)農(nóng)村學(xué)校的建筑場(chǎng)地進(jìn)行分析，綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂?、地形、環(huán)境、電網(wǎng)等多種因素，探索綜合的多維防護(hù)體系，在雷電入侵時(shí)能夠保障系統(tǒng)安全運(yùn)行和人身、財(cái)產(chǎn)安全。

3 結(jié)語(yǔ)

桂西大多數(shù)農(nóng)村學(xué)校建于喀斯特地貌(土壤狀況復(fù)雜)地區(qū)，本文在綜合考慮氣候、地形、環(huán)境、電網(wǎng)等多種因素的基礎(chǔ)上，采取系統(tǒng)綜合技術(shù)、電解接地極及等電位技術(shù)、多級(jí)多維保護(hù)技術(shù)等，以保障人身、財(cái)產(chǎn)安全，達(dá)到較好的雷電防護(hù)效果。

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