曾 勇，吳安坤，劉 波，張淑霞，黃 鈺（貴州省防雷減災中心，貴州貴陽 550002）

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雷擊時不同土壤模型跨步電壓計算分析與研究

曾 勇，吳安坤，劉 波，張淑霞，黃 鈺
（貴州省防雷減災中心，貴州貴陽 550002）

摘 要：跨步電壓是接地裝置特性參數中一個重要的參數。近年來因雷擊產生跨步電壓導致人身傷亡的事故逐漸增多。針對貴陽特殊地質條件，選取處于不同土壤模型下的接地裝置，采用貴州省雷電監(jiān)測網資料和現場土壤勘測數據，通過恒定電流場原理和CDEGS軟件進行分析，定量計算雷擊狀態(tài)下接地裝置周邊跨步電壓值及其分布情況。分析結果表明：雷擊時不同土壤模型下跨步電壓值不同；同時在建筑物地網引下線處出現跨步電壓峰值可能性較大，地電位升由地網中心地帶向地網邊緣地帶呈現逐漸降低的趨勢。雷擊高壓輸電線路桿塔時，處于桿塔接地網3m范圍內的人員存在人身傷亡風險。在建筑物和桿塔防雷工程設計時應該對這些地方加強雷電防護措施，減少因雷擊建筑物時人身傷亡事故的發(fā)生。

關鍵詞：雷電災害；跨步電壓；分層土壤；土壤電阻率；CDEGS軟件

0 引言

雷電災害是自然界中影響人類活動的最重要災害之一，已經被聯合國列為“最嚴重的十大自然災害之一”。雷電給人類帶來的不僅是經濟損失，也造成人身傷亡。當發(fā)生雷擊時，強大的雷電流經接地極泄入大地，將會在入地點附近產生跨步電壓，如果此時周圍有人出入，一旦跨步電壓超過了人體安全電壓允許值，將會造成人身傷亡。根據貴州省雷電監(jiān)測網統(tǒng)計資料，貴州省年平均閃電密度高達10. 4次/ km2，在國內排列第四位，貴陽市年平均閃電密度為4. 7次/ km2，屬于多雷區(qū)。據不完全統(tǒng)計，2000年以來貴族省發(fā)生比較嚴重的雷電災害數千起，人員傷亡600多人，造成經濟損失數億元。貴陽所在地地質條件極為復雜，屬于典型的喀斯特地貌類型，土壤存在明顯的分層結構，土壤電阻率存在著不均勻性，不利于雷電流的泄放。本文選取貴陽市內某建筑接地裝置進行跨步電壓定量計算，同時利用CDEGS軟件對高層建筑和高壓輸電線路桿塔雷擊電磁環(huán)境進行分析，計算出雷擊狀態(tài)下高層建筑和高壓輸電線路桿塔地面附近跨步電壓分布情況，為防雷工程設計和雷電災害調查分析提供參考。

1 跨步電壓理論計算分析

跨步電壓是接地裝置特性參數中一個重要參數，是電力系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站、輸電線路桿塔進行設計時必須考慮的一個安全指標。在《接地裝置特性參數測量導則》（DL/ T 475—2006）中對跨步電壓作出了明確規(guī)定：當接地短路電流流過接地裝置時，在地面上水平距離為1. 0m的兩點間電位差，標準中電流值適用于50Hz工頻條件［1］。在110kV及以上有效接地系統(tǒng)和6—35kV低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點兩相接地時，發(fā)電廠、變電所接地裝置的跨步電位差不應超過公式（1）求得目標值［2］：

式中：Us為跨步電壓，單位，V；

ρf為上層土壤電阻率，單位，Ω·m；

t為接地短路電流持續(xù)的時間，單位，s。

目標公式（1）中跨步電壓值與上層土壤電阻率直接相關，但對上層土壤厚度沒有作出規(guī)定。在實際中對跨步電壓的定量計算通常按照以下三種方式計算［3］，其中雷電流均為發(fā)生雷擊時的峰值電流強度，雷電流不局限于50Hz工頻頻率。

（1）在發(fā)生雷擊時，雷電流經接地體流入大地后在均質土壤中產生的跨步電壓為：

式中：ρ為雷電流入地點周邊土壤電阻率，單位Ω·m；I為雷電流，單位A；S為人體的跨步距離，單位m；r為距離雷電流入地點的徑向距離，單位m。

（2）考慮人體兩只腳與地面之間的接觸電阻后，跨步電壓值為：

式中：ρ為雷電流入地點周邊土壤電阻率，單位Ω·m；Rb為人體電阻，單位Ω；R0為人體與地面土壤間接觸電阻，單位Ω；US為式（2）中所算，單位V。

（3）當土壤存在水平分層結構時，跨步電壓值為：

式中R01為水平兩層土壤時人體與地面土壤之間的接觸電阻為：

其中：h為第一層土壤的厚度，單位m；n = 2，K = （ρ2-ρ1）/（ρ2+ρ1）為兩層土壤反射系數；ρ1為上層土壤電阻率，ρ2為下層土壤電阻率，單位Ω·m；r1為人體腳半徑，通常取0. 08m。

2 計算參數獲取

選取貴陽市白云區(qū)某小區(qū)一棟高層建筑為研究對象，對其在遭受雷擊時引下線處附近的跨步電壓分布情況進行了計算，閃電數據資料來源于貴州省雷電監(jiān)測網。貴陽市白云區(qū)地閃密度為4. 9次/（km2·a）。研究對象中心位置5km范圍內的地閃密度為4. 9次/（km2·a），3km范圍內的地閃密度為5. 1次/（km2·a）。

貴陽市白云區(qū)最大地閃、平均地閃強度分別為245. 49kA、38. 09kA，其中地閃強度介于0～20kA、20～50kA、50～100kA、100kA以上的概率分別是24. 89%、62. 17%、11. 26%、1. 68%（圖1）。本次計算分析選取雷電流強度為38. 09kA，是地閃強度發(fā)生概率最為集中區(qū)段。

跨步電壓定量計算主要選取高層建筑的兩個墻角處引下線處，分別為1#引下線和2#引下線。通過現場勘查和白云區(qū)防雷裝置安全檢測站提供的數據資料，建筑物具體參數見表1。

由于建筑物接地阻抗值均較小，低于2 Ω，雷擊時通過接閃裝置后在引下線中雷電流一般約為雷電流強度值2倍，通常情況下拐角引下線中流過的電流一般占總電流的大部分，設其一根占10%，因此，拐角處的引下線雷電流為I =7. 618kA。

利用SYSCAL Junior土壤電阻率測試儀對建筑兩個墻角引下線處的土壤電阻率值進行了測量，采用溫納四極法［4］。測量結果為1#引下線處土壤均勻，土壤電阻率值為152Ω·m。2#引下線處土壤電阻率不均勻，通過調節(jié)測試電極間距，測得2#拐角處土壤電阻率值見表2，利用CDEGS軟件，對數據進行了反演分析［5］，得出圖2所示兩層水平土壤結構。

表1　高層建筑參數表Tab. 1 The parameter of high-rise building

如圖2所示，2#引下7線處土壤擬合模型為水平兩層結構，從上到下為：第一層（0. 00～13. 46m），平均土壤電阻率值62. 80 Ω·m；第二層（13. 46～30. 00m），平均土壤電阻率為149. 9852Ω·m。分層擬合結果的均方根誤差為7. 28%，土壤反射系數為0. 41。

表2　溫納四極法測得2#引下線處土壤電阻率值Tab. 2 The soil resistivity values of 2# lighting down lead measured by Wenner method

3 跨步電壓定量計算

以下分別對1#和2#引下線處入地點附近跨步電壓進行計算，距離雷電流入地點的徑向距離取2. 5m，人體的電阻Rb假定為1000Ω，其它計算參數見上節(jié)所述，計算如下：

（1）1#引下線處在不考慮人兩只腳與地面接觸且土壤均勻條件下對應的跨步電壓利用公式（2）求得，ρ取152Ω·m：

（2）1#引下線處在考慮人兩只腳與地面接觸且土壤均勻條件下對應的跨步電壓為：

（3）2#引下線在不考慮人兩只腳與地面接觸且土壤均勻條件下對應的跨步電壓利用公式（2）求得，ρ取62. 80 Ω·m：

（4）2#引下線處在考慮人兩只腳與地面接觸且土壤為兩層水平分層結構時對應的跨步電壓利用公式（4）和（5）求得：

根據美國電機工程學會的意見，確定對心臟有害的通過人體的最低電流值為：其中：IK為允許流過人體的電流，單位A；t為電流延續(xù)時間，單位s。

跨步電壓UK允許值為：

人體的電阻設為1000Ω，雷電流的延續(xù)時間為350μs，則UK=8. 8kV。

從以上計算可知，在相同雷電流流過引下線時，在不同土壤模型下跨步電壓值不同，當接地引線下入地所處區(qū)域土壤電阻率高時跨步電壓值大于土壤電阻率低時跨步電壓值。同時，1#引下線和2#引下線處跨步電壓值均大于雷擊時最大允許跨步電壓的計算值，因此，可能導致人員死亡事故。在防雷工程設計和雷電災害事故調查時，應該綜合考慮建筑物引下線所處區(qū)域的土壤特性，準確計算跨步電壓值。

4 高層建筑仿真分析

通過CDEGS軟件建立該棟建筑遭受雷擊時的三維數值模型，參數選取見表1，選取高層建筑底層周邊（高層建筑半徑500m范圍）作為觀測面，計算觀測面內最大跨步電壓值［6］。跨步電壓三維分布圖見圖3所示。

由圖3和圖4可知，跨步電壓峰值主要分布于高層建筑墻角處，且其它小峰值主要沿高層建筑地網周邊分布，峰值達到1. 5KV。同時，地電位升由地網中心地帶向地網邊緣地帶呈現逐漸降低的趨勢，下降的幅度中心大，邊緣小，也就是說越靠近地網中心，電位梯度越大，越容易造成反擊。

5 輸電線路桿塔仿真分析

輸電線路桿塔選取貴陽市白云區(qū)一座220KV高壓輸電線路桿塔，該桿塔建設在居民用戶旁邊，周邊人員出入頻繁。桿塔參數見表3。

表3 輸電線路桿塔參數Tab. 3 The parameters of transmission line tower

基于前述相關實驗參數，利用CDEGS軟件的HIFREQ和FFTSES模塊以及SESCAD建模工具，建立了220kV輸電線路桿塔的三維數值模型［6-7］。計算分析桿塔最高點處遭受雷擊時桿塔接地網外3m（觀側面）范圍內的接觸電壓和跨步電壓值［4］。計算結果見圖5和圖6。

《電流對人和家畜的影響—第4部分：雷擊影響》（IEC/ TR 60479- 4—2011）規(guī)定了雷擊狀態(tài)下的人員安全標準［8］。根據該標準，人員安全有三種分析方法：

（1）具體顫動激勵或能量法（Specific Fibrillation Charge or Energy method）；

（2）頻率分解法和等量RMS值法（Frequency Decomposition method yielding and equivalent RMS value）；

（3）多個快速突發(fā)波法（Multiple Fast Burst Wave method）。

本文采用第一種方法來分析雷擊狀態(tài)下的人員安全。雷擊狀態(tài)下，人體遭受的電壓可使用Dalziel's的能量關系來估計：

其中：Rb是人體的電阻。

雷擊狀態(tài)下，通過人體的能量為：

其中，iB和VC分別為人體遭受的電流和接觸電壓，T指雷擊信號持續(xù)時間，RB和RF分別為人體電阻和腳與大地的接地電阻，RF= 1. 5*ρS，其中ρS是表層土壤電阻率（Ω·m）。人體電阻在高頻條件下典型值取500Ω，低頻條件下典型值取1000Ω。以下分析雷擊狀態(tài)下，RB取500Ω和1000Ω時，經計算，人體所能承受的最低能量值，即雷擊狀態(tài)下的人員安全標準值（表4），本文將以此作為最終判斷雷擊高層建筑時底層人員是否安全的標準對照值。

表4 雷擊狀態(tài)下的人員安全標準值Tab. 4 The values of human security standard with lighting strikes

通過圖5和圖6可以得出雷擊桿塔最高點時桿塔正下方接地網3m外接觸電壓和跨步電壓分布，均隨時間呈震蕩性衰減，最大接觸電壓為1800V，最大跨步電壓為80V，最大接觸電壓和跨步電壓產生的通過人體的能量分別為30. 5J和28. 2J，遠大于雷擊狀態(tài)下人體能量的標準值13. 5J。所以此時在桿塔下面接地網3m范圍內的人員是不安全的，存在人身傷亡風險。該桿塔出現人身傷亡風險主要是桿塔所處區(qū)域土壤電阻率屬于中偏高電阻率區(qū)域，在桿塔外引接地時沒有處理好外引處的邊緣處絕緣處理，導致跨步電壓過高，應該遵循高土壤電阻率地區(qū)防雷接地相關設計標準設計接地網［9-10］。

目前電力系統(tǒng)中輸電線路桿塔的接地處理中，還存在很嚴重的技術問題，如果處理不當，就可能造成整個輸電線路的癱瘓［11］。特別是在貴州山地環(huán)境下，受地形地貌和山地氣候特征影響，導致了雷電活動的復雜性和雷災的易發(fā)性，對輸電線路正常運行構成了威脅，需要加強雷擊防護措施。

6 結論與建議

本文通過理論計算和CDEGS軟件仿真，主要得出如下結論：

（1）在建筑物引下線附近，在相同徑向距離下不同土壤模型產生的跨步電壓值是不同的，本質在于不同土壤模型對應的土壤電阻率是不同的。同時，跨步電壓值還與引線下周邊區(qū)域是否積水有關。

（2）不同的土壤模型，將對雷電流泄放效果產生影響，土壤電阻率低且均勻時有利于雷電流的泄放，跨步電壓值隨之減少。

（3）通過理論計算和軟件仿真分析，在建墻角筑物角落引下線處出現跨步電壓峰值概率較大，應該對這些地方加強雷電防護措施。

（4）雷擊高層建筑時，建筑底層附近跨步電壓主峰值主要分布在建筑墻角處，其他峰值分布于建筑地網周邊。地電位分布主要從地網中心向地網邊緣地帶衰減，越靠近地網中心，電位梯度越大。

（5）雷擊220kV輸電線路桿塔最高點時，處于輸電線路桿塔接地網外3m范圍內因雷擊產生的接觸電壓和跨步電壓值通過人體的能量值遠大于人體允許能量值，即桿塔下面接地網3m范圍內的人員是不安全的。

鑒于目前防雷工程中可能存在的問題，以下給出了高層建筑及輸電線路桿塔雷電防護時幾點參考建議：

（1）盡管因雷擊時跨步電壓傷亡的概率較小，但是仍然存在風險。應該在高層建筑墻角引下線墻壁處掛“雷電危險”標志。建筑人行過道應該遠離引下線，同時地面不宜積水。

（2）地網的設計較為關鍵，直接影響到雷擊時跨步電壓分布，應該根據建筑所在區(qū)域實際地形地貌和地質條件合理設計地網，對高土壤電阻率地區(qū)除了自然接地網之外還應該鋪設人工接地網以達到降低跨步電壓［5］。

（3）在高層建筑行人道路上敷設絕緣層，在外露金屬導體上刷絕緣漆或者敷設絕緣外套，降低跨步電壓與接觸電壓的人身危害。

（4）在城市中很多高壓輸電線路桿塔建于人員集中地方，在雷擊桿塔時在桿塔接地裝置周邊的人員存在安全隱患，應該在桿塔附近設立明顯的高壓危險牌和雷擊危險告示牌，以提示閑雜人員不要接近，減少雷擊造成的人身傷亡風險。

（5）雷電災害事故調查分析跨步電壓時，應該按照事故點固有的土壤特性計算跨步電壓值，否則將會出現偏差。建筑物防雷標準編制和修訂，建議增加建筑物過道、引下線距離、地面絕緣要求。

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Analysis and Research on Lighting Step Voltage in Different Soil Models

Zeng Yong，Wu Ankun，Zhang Shuxia，Liu Bo，Huang Yu
（Lightning Protection and Disaster Mitigation Center of Guizhou，Guiyang，550002）

Abstract：Step voltage is an important parameter in grounding connection parameters. In recent years，human injury or death event caused by lighting step voltage gradually increased. For Guiyang special geological conditions，selecting the grounding connection in different soil models and adopting Guizhou province lightning monitoring network data，to calculate the step voltage value and voltage distribution around the grounding device by using principle of constant current field and CDEGS software. The analysis results show that：the step voltage values vary for the different soil models. The possibility of a larger step voltage peak appears in the building down-conductor system and the ground potential rise radically from the center of the ground network to the network edge. People in the tower grounding network within the scope of 3m are unsafe when the high voltage transmission line tower is struck by lightning. Lightning protection measures should be strengthened to these places in the building engineering and transmission line tower design to reduce human injury in case of lightning.

Keywords：lighting disaster；step voltage；layered soil；soil resistivity；CDEGS software

中圖分類號：TM863

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8047（2016）01-0072-07

收稿日期：2015-11-04

基金項目：貴州省氣象局青年基金項目（黔氣科合QN［2015］17號）

作者簡介：曾勇（1986—），男，碩士，助理工程師，主要從事防雷接地技術工作。