塔式起重機(jī)的防雷分析

摘 要：本文通過對(duì)塔式起重機(jī)防雷的研究，對(duì)使用塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為防雷裝置作了分析，并提出了為達(dá)到良好的防雷效果而應(yīng)滿足的幾個(gè)條件。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；防雷裝置；分析

1 引 言

塔式起重機(jī)普遍工作于室外，自身高度通常高過附近建筑物或獨(dú)立于空地之中，受到雷擊的可能性很大。因此，為了防止雷擊時(shí)造成設(shè)備損壞和人員傷亡對(duì)露天工作的塔式起重機(jī)均應(yīng)有合適的防雷保護(hù)措施。GB6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分：總則》第8.8.7條有如下要求：“對(duì)于安裝在野外且相對(duì)周圍地面處在較高位置的起重機(jī)，應(yīng)考慮避除雷擊對(duì)其高位部件和人員造成損壞或傷害。”當(dāng)前，部分塔式起重機(jī)在塔頂和臂架頭部安裝了避雷裝置。通過工作中的總結(jié)，筆者認(rèn)為：塔式起重機(jī)的防雷可以利用金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器和引下線，利用電氣設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)的接地裝置作為防雷接地裝置，而不必另設(shè)防雷裝置。

2 塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器及引下線

一套完整的防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。避雷針、避雷線、避雷帶及避雷網(wǎng)都可以作為接閃器，都是利用它們高出被保護(hù)物的突出地位，把雷電引向自身，然后通過引下線和接地裝置把雷電流泄入大地。接閃器端部的形狀，對(duì)其保護(hù)效能沒有影響，接閃器涂漆可以防止銹蝕，對(duì)防雷作用也沒有影響。因此，對(duì)塔式起重機(jī)防雷沒有必要在起重機(jī)的突出部位焊上直立的鋼筋或固定直立的金屬棒作為接閃器，涂漆的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)完全可以作為接閃器。

參照GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)施規(guī)范》第4.4.5條規(guī)定：“建筑物宜利用鋼筋混凝土屋面、梁、柱、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為引下線和接地裝置?！奔匆耘畠簤?nèi)的鋼筋作為接閃器，以柱作為引下線，以基礎(chǔ)作為接地裝置”。因此，接閃器及引下線均可以人為地設(shè)置，或者直接利用建筑物的金屬導(dǎo)體。所以，塔式起重機(jī)利用金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器及引下線應(yīng)是允許的，關(guān)鍵是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)能否滿足接閃器及引下線對(duì)機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性的要求，以及能否滿足承受雷電流的熱破壞作用。GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)施規(guī)范》規(guī)定了接閃器及引下線的材料、規(guī)格及最小尺寸，經(jīng)對(duì)比，可見起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)能滿足有關(guān)接閃器及引下線的要求。此外，因?yàn)樗狡鹬貦C(jī)的金屬結(jié)構(gòu)并不是一個(gè)整體，而是由塔帽、過渡節(jié)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、臂架節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等金屬構(gòu)件組成，它們之間由高強(qiáng)度螺栓連接形成整體結(jié)構(gòu)。因此，為了保證金屬結(jié)構(gòu)之間有良好的導(dǎo)電連通性，對(duì)于高強(qiáng)度螺栓的緊固必須采用力矩扳手以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。所以，起重機(jī)利用金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器及引下線是允許的、可行的，不必另行設(shè)置防雷裝置。

3 雷電流的影響

起重機(jī)遭雷擊時(shí)，雷電流沿金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)接地裝置入地。這時(shí)在金屬結(jié)構(gòu)及接地裝置上升高的電位，等于電流與阻抗的乘積。雷電流的幅值和雷電流變化率很大，在接地裝置及不同高度的金屬結(jié)構(gòu)上，由于電阻及電感的作用，電位升高的幅值也很大，極易產(chǎn)生反擊閃絡(luò)。這會(huì)不會(huì)對(duì)司機(jī)室內(nèi)和起重機(jī)附近工作人員以及起重上電氣設(shè)備產(chǎn)生損壞或傷害？分別論述如下：

3.1 雷擊對(duì)起重機(jī)司機(jī)的傷害

塔式起重機(jī)利用金屬結(jié)構(gòu)作為防雷接閃器及引下線。依據(jù)法拉第原理，雷擊起重機(jī)時(shí)，高壓電流通過金屬結(jié)構(gòu)入地，司機(jī)室處在高壓電場中，此時(shí)的司機(jī)室相當(dāng)于法拉第籠，高壓電場不能穿透它。雖然籠子出現(xiàn)了高電位，籠內(nèi)與籠子是等電位，籠內(nèi)司機(jī)的電位也同樣升高，但由于司機(jī)與籠子始終是等電位的，所以人在其中而金屬結(jié)構(gòu)對(duì)人不發(fā)生電擊現(xiàn)象。此時(shí)，這與小鳥站在一根高壓線上不受電擊是相似的，也與穿金屬均壓服帶電作業(yè)相似，這種等電位防雷是法拉第原理的應(yīng)用。因此，雷擊時(shí)司機(jī)室內(nèi)的人員不會(huì)受到傷害。但必須強(qiáng)調(diào)：司機(jī)室金屬構(gòu)架與起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)必須有可靠的金屬連接，同時(shí)，構(gòu)架之間的連接應(yīng)采用跨接線，以保證引下線連通性良好。

國家電網(wǎng)公司武漢高壓所通過大型模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，全面證實(shí)了高壓線塔等電位防雷的可靠性。高壓線塔遭雷擊時(shí)，線塔本身作為接閃器及引下線，把雷電流導(dǎo)入大地，而金屬底座內(nèi)與塔身等電位的實(shí)驗(yàn)物體并沒有受到傷害。

3.2 對(duì)起重機(jī)上電氣設(shè)備的損壞

塔式起重機(jī)遭到雷擊時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)的電位將瞬時(shí)提高，但起重機(jī)上電氣設(shè)備的電氣回路另有一個(gè)它自己的電位。例如，低壓電力電源正常情況下對(duì)大地電位為220V，這個(gè)電位不一定和電氣設(shè)備外殼（金屬結(jié)構(gòu)）電位同時(shí)升高相同的數(shù)值。電氣設(shè)備外殼與設(shè)備供電電源回路之間將瞬時(shí)存在相當(dāng)高的電位差，于是可能發(fā)生電擊放電，擊穿絕緣，損壞設(shè)備。為此應(yīng)在供電電源引入起重機(jī)的進(jìn)線處，起重機(jī)的電氣設(shè)備上，設(shè)置與其電源電壓相對(duì)應(yīng)的電涌保護(hù)器，并與電氣設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)的接地連接在一起，防止雷擊時(shí)損壞電氣設(shè)備。

3.3 對(duì)起重機(jī)附近地面上工作人員的傷害

塔式起重機(jī)附近地面的工作人員與大地同電位，電位不會(huì)立即隨金屬結(jié)構(gòu)及接地裝置的電位升高而升高，金屬結(jié)構(gòu)與附近地面上工作人員存在相當(dāng)高的電位差，會(huì)造成高壓電弧觸電，或者由于跨步電壓的作用，對(duì)地面工作人員造成傷害。

為了防止雷擊對(duì)附近工作人員的傷害，雷雨時(shí)應(yīng)禁止在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)、大車軌道及接地裝置附近停留。但是起重機(jī)即使裝有合適的避雷裝置，雷擊時(shí)站在避雷裝置的引下線或接地裝置附近地面上，同樣會(huì)受到傷害。對(duì)此，應(yīng)采用以下措施：

（2）用網(wǎng)狀接地裝置對(duì)地面作均衡電位處理。

（3）用護(hù)欄、警告牌使進(jìn)入距引下線及接地裝置3m范圍內(nèi)地面的可能性減小到最低限度。

4 接地裝置的要求

對(duì)于無特殊要求的塔式起重機(jī)，應(yīng)采用TN-S接零保護(hù)系統(tǒng)供電。GB/T5031-2008《塔式起重機(jī)》第5.5.5.9條規(guī)定：“為避免雷擊，塔機(jī)主體結(jié)構(gòu)、電機(jī)機(jī)座和所有電氣設(shè)備的金屬外殼、導(dǎo)線的金屬保護(hù)管均應(yīng)可靠接地，其接地電阻不大于4Ω，采用多處重復(fù)接地時(shí)，其接地電阻不大于10Ω。塔式起重機(jī)通常采用固定基礎(chǔ)，深度可達(dá)2m以上，基礎(chǔ)內(nèi)部設(shè)有鋼筋網(wǎng)與土層接觸，可以視其為接地網(wǎng)。對(duì)于沿地面行走的塔式起重機(jī)，則應(yīng)在其每側(cè)大車軌道設(shè)置接地裝置，一般每側(cè)不得少于兩處。通過在工作中的實(shí)際測量，以上方式通常能滿足接地電阻的要求。減小接地電阻，雷擊時(shí)可降低金屬結(jié)構(gòu)電位的升高值；可減輕對(duì)起重機(jī)附近地面工作人員和電氣設(shè)備的傷害及損壞。

對(duì)于一些特殊地形地貌區(qū)域，例如巖石地區(qū)、高土壤電阻率地區(qū)，塔式起重機(jī)接地方式如采用常規(guī)方法接地電阻往往偏大。對(duì)此，應(yīng)采用必要的應(yīng)對(duì)措施。如：

（1）采用電阻率較低的土壤（例如黑土、粘土或沙質(zhì)粘土等）加上適量的食鹽和木炭，置換埋設(shè)接地裝置區(qū)域的高電阻率土壤，以達(dá)到降低土壤電阻率的效果。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，塔式起重機(jī)只要滿足以下三個(gè)條件：

（1）金屬結(jié)構(gòu)之間具有良好的導(dǎo)電連通性。

（2）在電氣回路上設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娪勘Ｗo(hù)器。

（3）符合要求的接地裝置。

則不必另行設(shè)置獨(dú)立的避雷裝置，利用整體金屬結(jié)構(gòu)作為接閃器和引下線，可以達(dá)到良好的防雷效果。

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作者簡介：郭曉東（1974-），男，漢族，湖南張家界人，大學(xué)本科，工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。