喀斯特地貌農(nóng)村學(xué)校防雷技術(shù)*

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產(chǎn)損失逐年上升并呈多樣性的發(fā)展趨勢。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開闊的較高處，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)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，避雷針對精密電子設(shè)備的保護(hù)顯得無能為力，即避雷針不能阻止感應(yīng)雷擊過電壓、操作過電壓以及雷電波入侵過電壓等。

長期以來，對防雷的研究主要集中在防直擊雷上，對防感應(yīng)雷的研究相對較少，而感應(yīng)雷過電壓導(dǎo)致的故障比例超過90%，同時對防側(cè)擊雷、球雷等研究就更少。隨著以計算機(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，人們終于意識到感應(yīng)雷(雷擊二次效應(yīng))的危害，開始對雷電電磁脈沖導(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，線纜存在寄存電壓，因此各設(shè)備對地的絕緣保護(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建筑物的照明、動力、電視和計算機(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)計室內(nèi)管線時與防雷系統(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，且會給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患。

對于防御雷電波保護(hù)裝置，通常是增設(shè)短垂直接地極，但對散流有抑制作用，不利于降低電阻。使用接地極較多時，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，每個方案都要綜合考慮接地方式。很多農(nóng)村學(xué)校對學(xué)生經(jīng)常集中活動的建筑物場所內(nèi)部沒有做均壓措施，接地網(wǎng)界面以內(nèi)的電場分布不均勻，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)置多級分類保護(hù)裝置。

針對桂西農(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)計安裝經(jīng)驗，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圍0.5 m以內(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非常有效，而且通過靈活應(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、短垂直接地極的接地特性對散流有抑制作用，可采用不等長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線間分開走線，避免平行鋪設(shè)，以減少感應(yīng)。

2.3 多級多維保護(hù)技術(shù)

有針對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)情況對喀斯特地貌地區(qū)農(nóng)村學(xué)校的建筑場地進(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，在雷電入侵時能夠保障系統(tǒng)安全運(yùn)行和人身、財產(chǎn)安全。

3 結(jié)語

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)、多級多維保護(hù)技術(shù)等，以保障人身、財產(chǎn)安全，達(dá)到較好的雷電防護(hù)效果。

［1］ 王曉春.高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)防雷電系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)施［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［2］ 曾山佰.智能建筑綜合雷電防護(hù)技術(shù)探索與研究［D］.南京:南京信息工程大學(xué)，2006.

［3］ 陸小花.架空配電線路感應(yīng)雷過電壓計算與防護(hù)的研究［D］.南京:河海大學(xué)，2007.

［4］ 汪大海.大型精密儀器設(shè)備接地保護(hù)裝置的設(shè)計與安裝［J］.實(shí)驗技術(shù)與管理，2006(6):89-92.

［5］ 郭福雁.智能建筑的雷擊影響分析與防雷系統(tǒng)工程關(guān)鍵問題的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2006.

［6］ 孫結(jié)中，劉力.運(yùn)用等值復(fù)數(shù)鏡像法求解復(fù)合分層土壤結(jié)構(gòu)的格林函數(shù)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2003(9):104-107.

［7］ 劉星平.高層建筑配電系統(tǒng)及綜合防雷的工程設(shè)計研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2003.