涂修德（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院）

某大型橋防雷外部參數(shù)的測量和計算

涂修德
（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院）

摘 要：影響大型橋梁耐雷性能的外部參數(shù)主要有橋位土壤電阻率、江（湖）水的導(dǎo)電性以及橋梁所處地域的雷電流活動規(guī)律。本文針對以上三種參數(shù)進(jìn)行了基本原理的闡述，提出測量和計算分析方法。

關(guān)鍵詞：大型橋梁；土壤電阻率；江水導(dǎo)電性；雷電流活動規(guī)律

0　引言

隨著各類大型橋梁工程的新建，高聳的主塔和大跨度的梁體多位于空曠的水域地帶，受地形等因素的影響，發(fā)生雷擊的概率和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其周邊地區(qū)。雷擊的熱力、機(jī)械力作用對橋梁建筑、通行于梁體之上的車輛和人身安全均可能造成嚴(yán)重危害；巨大的電磁脈沖還可能破壞橋梁機(jī)電及監(jiān)控、收費(fèi)和通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

針對橋梁的外部環(huán)境，對大橋的外部防雷參數(shù)進(jìn)行測量、計算和分析是非常重要的。其結(jié)果對指導(dǎo)防雷設(shè)計，減少雷擊危害，提高橋梁安全運(yùn)營水平具有非常重要的作用。

1　橋位土壤電阻率測量及反演計算

1.1 土壤電阻率定義

土壤電阻率是土壤的一種基本物理特性，是土壤在單位體積內(nèi)的正方體相對兩面間在一定電場作用下，對電流的導(dǎo)電性能。一般取1m3的正方體土壤電阻值為該土壤電阻率ρ，單位為Ω·m[1]。

1.2 測量土壤電阻率的原因

土壤電阻率是防雷工程中一個非常重要的參數(shù)，其變化直接影響土中接地裝置的接地效率及遭受直接或間接雷擊的概率；更是影響接地網(wǎng)電位分布及人員接觸電壓和跨步電壓發(fā)生概率的主導(dǎo)因素。

1.3 土壤電阻率的測量方法

土壤電阻率的測量方法很多，如地質(zhì)判定法、雙回路互感法、自感法、線圈法、偶極法以及四電極測深法等。最常用的是四極法測量土壤電阻率：取四個接地電級按直線排列，根據(jù)極間距離及測試儀讀數(shù)即可直接求得土壤電阻率。具體測量方法如圖1所示[2]。

圖1　四級法測量土壤電阻率原理圖

1.4 影響土壤電阻率的主要因素[3]

（1）土壤中導(dǎo)電離子的濃度和土壤中的含水量

土壤中所含導(dǎo)電離子濃度越高，土壤的導(dǎo)電性就越好，ρ 就越小；反之就越大。土壤越濕，含水量越多，導(dǎo)電性能就越好，ρ 就越小；反之就越大，如圖2所示。

圖2　含水量對土壤電阻率的影響

（2）土質(zhì)

不同土質(zhì)的土壤電阻率不同，甚至相差幾千到幾萬倍，其影響程度如表1所示。

表1　不同土質(zhì)的土壤電阻率

（3）溫度

溫度對土壤電阻率的影響也較大。一般來說，土壤電阻率隨溫度的升高而下降，如圖3所示。

圖3　溫度對土壤電阻率的影響

（4）土壤的致密性

土壤的致密與否對土壤電阻率也有一定的影響。試驗表明，當(dāng)粘土的含水量為10%，溫度不變，單位壓力由1961Pa增大10倍到19610Pa時，ρ 可下降到原來的65%。

（5）季節(jié)因素

影響土壤電阻率最明顯的因素就是降雨和冰凍。在雨季，由于雨水的滲入，地表層土壤的ρ 降低，低于深層土壤；在冬季，由于土壤的冰凍作用，地表層土壤的ρ 升高，高于深層土壤。

1.5 測量結(jié)果及其分析

土壤結(jié)構(gòu)與雷擊大橋時的沖擊地電位升高、接地電阻、接觸電壓和跨步電壓密切相關(guān)。本文研究的大橋橋址區(qū)主要處于平坦?fàn)钇皆瓍^(qū)，由河流相和河湖相構(gòu)成漫灘及階地，高程19～24m。地勢平坦開闊，相對高差一般小于1～3m。由第四系全新統(tǒng)粘土、亞粘土、砂及砂卵石等組成，局部淤泥質(zhì)成分較高。橋址區(qū)第四系覆蓋層主要為全新統(tǒng)河流沖積相地層，厚度變化較大，兩岸及灘地較厚，厚38.30～52.60m；河床段相對較薄，厚24.50～26.80m。

采用wenner等間距四極法對該橋兩岸基礎(chǔ)附近的土壤電阻率進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表2、表3所示[4]。

表2　一岸土壤電阻率測試結(jié)果

表3　對岸土壤電阻率測試結(jié)果

可以看出大橋兩岸土壤電阻率并不一致，總體土壤電阻率較低。反演水平分層的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　水平分層土壤結(jié)構(gòu)示意圖

借助CDEGS軟件[5]，利用最小二乘優(yōu)化方法，在已知視在電阻率隨極間距變化的基礎(chǔ)上，計算得到兩岸橋墩附近的土壤結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4　兩岸橋墩附近的土壤結(jié)構(gòu)

從土壤結(jié)構(gòu)可看出，大橋工程所在地長江兩岸的土壤結(jié)構(gòu)類似，且各層土壤的電阻率差別不大。在進(jìn)行雷擊安全性計算的時候，為計算方便，在保證結(jié)果精確的情況下，假設(shè)土壤為單層結(jié)構(gòu)，土壤電阻率取武昌岸上表層電阻率，可使結(jié)果偏于安全。

2　江水導(dǎo)電性測量

2.1 電導(dǎo)率定義

電導(dǎo)率的物理學(xué)概念，指在介質(zhì)中該量與電場強(qiáng)度之積等于傳導(dǎo)電流密度。其定義為：電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率，σ =1/ρ。除非特別指明，電導(dǎo)率的測量溫度是標(biāo)準(zhǔn)溫度（25℃）。它的物理意義是表示物質(zhì)導(dǎo)電的性能。電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng)，反之越小。

2.2 測量水的電導(dǎo)率的原因

水的電導(dǎo)率對橋梁雷電防護(hù)設(shè)計而言是一個非常重要的參數(shù)，水的電導(dǎo)率的變化直接影響水中接地裝置的接地效率，及其遭受間接雷擊的概率。

2.3 影響電導(dǎo)率的因素

（1）溫度

電導(dǎo)率與溫度具有很大相關(guān)性。金屬的電導(dǎo)率隨著溫度的增高而降低。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨著溫度的增高而增高。要比較物質(zhì)的電導(dǎo)率，必須設(shè)定一個共同的參考溫度。

（2）摻雜程度

固態(tài)半導(dǎo)體的摻雜程度會造成電導(dǎo)率很大的變化。增加摻雜程度會造成高電導(dǎo)率。水溶液的電導(dǎo)率高低相依于其內(nèi)含溶質(zhì)鹽的濃度，或其他會分解為電解質(zhì)的化學(xué)雜質(zhì)。水樣本的電導(dǎo)率是測量水的含鹽成分、含離子成分、含雜質(zhì)成分等的重要指標(biāo)。水越純凈，電導(dǎo)率越低（電阻率越高）。水的電導(dǎo)率時常以電導(dǎo)系數(shù)來紀(jì)錄；電導(dǎo)系數(shù)是水在25℃的電導(dǎo)率。

（3）各向異性

有些物質(zhì)會有異向性（anisotropic）的電導(dǎo)率，必需用3×3矩陣來表達(dá)。

（4）測量方法

電導(dǎo)率的測量通常是溶液的電導(dǎo)率測量。固體導(dǎo)體可以通過歐姆定律和電阻定律測量。電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的測量一般采用交流信號作用于電導(dǎo)池的兩電極板，由測量到的電導(dǎo)池常數(shù)K和兩電極板之間的電導(dǎo)G而求得電導(dǎo)率σ。

（5）測量結(jié)果及其分析

該橋江水電導(dǎo)率測量結(jié)果如表5所示。

表5　江水電導(dǎo)率測試表

鋼筋混凝土在干燥時是不良導(dǎo)體，具有一定濕度時電阻率可達(dá)100～200Ω·m，潮濕的混凝土電阻率更低，因混凝土中的硅酸鹽與水形成導(dǎo)電性的鹽基性溶液?；炷猎谑┕み^程中加入了較多的水分，成形后結(jié)構(gòu)中密布著大小不一的毛細(xì)孔洞，埋入地下后，地下的潮氣可通過毛細(xì)管作用吸入混凝土中的水分保持一定的濕度。土壤一般可保持在20%左右的濕度，即使在最不利的情況下，也有5%～6%的濕度，而混凝土的含水量約在3.5%及以上時，其電阻率就趨于穩(wěn)定。大橋工程附近土壤含水量大，混凝土可充分吸水。計算時取混凝土的土壤電阻率與其周圍土壤的電阻率相等。

該橋主橋墩在江水中，水電阻率的變化直接影響接地裝置的接地效率。從結(jié)果可看出，江水電阻率與兩岸土壤表層電阻率相差不大。

3　雷電流活動規(guī)律分析及計算

3.1 雷電流波形及分級

雷電流波形是描述雷電流特性的一組重要參數(shù)，是反映地區(qū)雷電活動規(guī)律的重要指標(biāo)。和該指標(biāo)有關(guān)的參數(shù)主要有雷電流幅值、波頭及波長時間。波頭時間是指從波頭起自峰值10%～90%的時間；波尾時間是指從波頭起自峰值10%至波點降至峰值10%的時間[6]。首次雷擊時及之后，以及長時間雷擊的雷電流測量參數(shù)與對應(yīng)的防雷建筑物類比如表6、表7和表8所示。

表6　首次雷擊的雷電流參量

表7　首次以后雷擊的雷電流參量

表8　長時間雷擊的雷電流參量

目前建筑物直擊雷防護(hù)回?fù)綦娏鞑ㄐ纬２捎?0/350μs波形，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的10/350μs幅值150kA的雷電流波形如圖5所示。我國電力行業(yè)常采用2.6/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形來進(jìn)行直擊雷防雷設(shè)計，波形如圖6所示。

3.2 雷電流累積概率分析

雷電流幅值概率分布一直是國內(nèi)外防雷界非常重視的雷電參數(shù)之一，在繞擊和反擊防雷計算中占據(jù)十分重要的位置，國內(nèi)外使用的雷電流幅值分布表達(dá)式不同。從圖7中雷電流幅值累積概率曲線變化可以看出，閃電強(qiáng)度（含正、負(fù)閃電）大于30kA的概率在50%以下，大于40kA的概率在25%左右，大于60kA的概率在8.1%，大于100kA的概率1.56%，大于150kA的概率0.37%，大于200kA的概率僅有0.12%。由上述可知，該橋所在地區(qū)的閃電強(qiáng)度不超過60kA的約占92%，因此，該地區(qū)的橋梁雷電防護(hù)工程設(shè)計中，可以根據(jù)不同雷電防護(hù)水平進(jìn)行設(shè)計。

圖5　幅值150kA波形10/350μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形

圖6　幅值10kA波形2.6/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形

圖7　閃電強(qiáng)度累積頻率分布圖

根據(jù)文獻(xiàn)給出的Anderson和Berger實測數(shù)據(jù)，提出的雷電流幅值分布公式式中，I為雷電流幅值，p（Ip＞I）為雷電流大于I的概率，該標(biāo)準(zhǔn)式含有2個待定參數(shù)a和b。通過上式可以看到，雷電流超過a的概率為50%，即參數(shù)a可表征中值電流的大小，b則反映幅值概率曲線的變化程度：b越大，表示該累計概率曲線下降越快。經(jīng)統(tǒng)計分析，當(dāng)a＝29.2，b＝3.4時，根據(jù)上式計算，繪制圖7中的擬合曲線；可以看出，擬合曲線與實際監(jiān)測曲線基本相同，實測值與計算值相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99998。

通過Matlab數(shù)據(jù)擬合得到該橋所在地區(qū)的雷電流幅值分布公式為

P=1/[1+(I/29.2)3.4]

因此，在實際防雷工程設(shè)計中，可根據(jù)上式計算出大于某雷電強(qiáng)度的累積概率。

根據(jù)該橋梁項目所在區(qū)域4km半徑范圍內(nèi)的閃電定位監(jiān)測顯示，2008年1月～2010年12月，監(jiān)測到的最大雷電流為196.4kA，結(jié)合該地區(qū)的雷電流幅值分布公式，可以計算出相應(yīng)的雷電流的累積概率。

50年內(nèi)可能遭遇不同等級雷電流的雷擊次數(shù)可按照以下方法計算

雷擊次數(shù)=雷擊密度（次/km2·a）×?xí)r間（年）×等效面積（km2）×雷電流累積率。

例如：大于10kA的雷電流的雷擊次數(shù)為

［5.272（次/km2·年）］×［50（年）］×［3.14× 42（km2）］×97.45%=12906次

經(jīng)測量和計算，該橋梁項目所在地，半徑4km的范圍內(nèi)雷電統(tǒng)計表和雷電流概率表如表9和表10所示。

表9　項目范圍4km半徑范圍內(nèi)雷電統(tǒng)計表

（續(xù)）

表10　項目范圍4km半徑范圍內(nèi)可能遭遇的雷電流概率表

4　結(jié)束語

現(xiàn)代橋梁離不開電氣的支持。作為橋梁輔助工程的一部分，電氣工程在橋梁的安全、功能及管養(yǎng)等方面扮演著越來越重要的角色。防雷是橋梁電氣工程的重要組成部分，研究典型現(xiàn)代橋梁防雷外部參數(shù)的測量和計算方法，對于橋梁防雷工程的設(shè)計和實施，都有一定的促進(jìn)作用。

收稿日期：（2015-06-14）