雷擊時(shí)不同土壤模型跨步電壓計(jì)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(zāi)中心，貴州貴陽(yáng) 550002）

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雷擊時(shí)不同土壤模型跨步電壓計(jì)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(zāi)中心，貴州貴陽(yáng) 550002）

摘 要：跨步電壓是接地裝置特性參數(shù)中一個(gè)重要的參數(shù)。近年來(lái)因雷擊產(chǎn)生跨步電壓導(dǎo)致人身傷亡的事故逐漸增多。針對(duì)貴陽(yáng)特殊地質(zhì)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(cè)網(wǎng)資料和現(xiàn)場(chǎng)土壤勘測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)恒定電流場(chǎng)原理和CDEGS軟件進(jìn)行分析，定量計(jì)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(jié)果表明：雷擊時(shí)不同土壤模型下跨步電壓值不同；同時(shí)在建筑物地網(wǎng)引下線處出現(xiàn)跨步電壓峰值可能性較大，地電位升由地網(wǎng)中心地帶向地網(wǎng)邊緣地帶呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。雷擊高壓輸電線路桿塔時(shí)，處于桿塔接地網(wǎng)3m范圍內(nèi)的人員存在人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)。在建筑物和桿塔防雷工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)這些地方加強(qiáng)雷電防護(hù)措施，減少因雷擊建筑物時(shí)人身傷亡事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：雷電災(zāi)害；跨步電壓；分層土壤；土壤電阻率；CDEGS軟件

0 引言

雷電災(zāi)害是自然界中影響人類活動(dòng)的最重要災(zāi)害之一，已經(jīng)被聯(lián)合國(guó)列為“最嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害之一”。雷電給人類帶來(lái)的不僅是經(jīng)濟(jì)損失，也造成人身傷亡。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流經(jīng)接地極泄入大地，將會(huì)在入地點(diǎn)附近產(chǎn)生跨步電壓，如果此時(shí)周圍有人出入，一旦跨步電壓超過(guò)了人體安全電壓允許值，將會(huì)造成人身傷亡。根據(jù)貴州省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)資料，貴州省年平均閃電密度高達(dá)10. 4次/ km2，在國(guó)內(nèi)排列第四位，貴陽(yáng)市年平均閃電密度為4. 7次/ km2，屬于多雷區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2000年以來(lái)貴族省發(fā)生比較嚴(yán)重的雷電災(zāi)害數(shù)千起，人員傷亡600多人，造成經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元。貴陽(yáng)所在地地質(zhì)條件極為復(fù)雜，屬于典型的喀斯特地貌類型，土壤存在明顯的分層結(jié)構(gòu)，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(yáng)市內(nèi)某建筑接地裝置進(jìn)行跨步電壓定量計(jì)算，同時(shí)利用CDEGS軟件對(duì)高層建筑和高壓輸電線路桿塔雷擊電磁環(huán)境進(jìn)行分析，計(jì)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(shè)計(jì)和雷電災(zāi)害調(diào)查分析提供參考。

1 跨步電壓理論計(jì)算分析

跨步電壓是接地裝置特性參數(shù)中一個(gè)重要參數(shù)，是電力系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站、輸電線路桿塔進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)安全指標(biāo)。在《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》（DL/ T 475—2006）中對(duì)跨步電壓作出了明確規(guī)定：當(dāng)接地短路電流流過(guò)接地裝置時(shí)，在地面上水平距離為1. 0m的兩點(diǎn)間電位差，標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)兩相接地時(shí)，發(fā)電廠、變電所接地裝置的跨步電位差不應(yīng)超過(guò)公式（1）求得目標(biāo)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(shí)間，單位，s。

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

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

式中：ρ為雷電流入地點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)土壤存在水平分層結(jié)構(gòu)時(shí)，跨步電壓值為：

式中R01為水平兩層土壤時(shí)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(shù)；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(jì)算參數(shù)獲取

選取貴陽(yáng)市白云區(qū)某小區(qū)一棟高層建筑為研究對(duì)象，對(duì)其在遭受雷擊時(shí)引下線處附近的跨步電壓分布情況進(jìn)行了計(jì)算，閃電數(shù)據(jù)資料來(lái)源于貴州省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)。貴陽(yáng)市白云區(qū)地閃密度為4. 9次/（km2·a）。研究對(duì)象中心位置5km范圍內(nèi)的地閃密度為4. 9次/（km2·a），3km范圍內(nèi)的地閃密度為5. 1次/（km2·a）。

貴陽(yáng)市白云區(qū)最大地閃、平均地閃強(qiáng)度分別為245. 49kA、38. 09kA，其中地閃強(qiáng)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(jì)算分析選取雷電流強(qiáng)度為38. 09kA，是地閃強(qiáng)度發(fā)生概率最為集中區(qū)段。

跨步電壓定量計(jì)算主要選取高層建筑的兩個(gè)墻角處引下線處，分別為1#引下線和2#引下線。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和白云區(qū)防雷裝置安全檢測(cè)站提供的數(shù)據(jù)資料，建筑物具體參數(shù)見(jiàn)表1。

由于建筑物接地阻抗值均較小，低于2 Ω，雷擊時(shí)通過(guò)接閃裝置后在引下線中雷電流一般約為雷電流強(qiáng)度值2倍，通常情況下拐角引下線中流過(guò)的電流一般占總電流的大部分，設(shè)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(cè)試儀對(duì)建筑兩個(gè)墻角引下線處的土壤電阻率值進(jìn)行了測(cè)量，采用溫納四極法［4］。測(cè)量結(jié)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(guò)調(diào)節(jié)測(cè)試電極間距，測(cè)得2#拐角處土壤電阻率值見(jiàn)表2，利用CDEGS軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演分析［5］，得出圖2所示兩層水平土壤結(jié)構(gòu)。

表1　高層建筑參數(shù)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(jié)構(gòu)，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(jié)果的均方根誤差為7. 28%，土壤反射系數(shù)為0. 41。

表2　溫納四極法測(cè)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(jì)算

以下分別對(duì)1#和2#引下線處入地點(diǎn)附近跨步電壓進(jìn)行計(jì)算，距離雷電流入地點(diǎn)的徑向距離取2. 5m，人體的電阻Rb假定為1000Ω，其它計(jì)算參數(shù)見(jiàn)上節(jié)所述，計(jì)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的跨步電壓利用公式（4）和（5）求得：

根據(jù)美國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)的意見(jiàn)，確定對(duì)心臟有害的通過(guò)人體的最低電流值為：其中：IK為允許流過(guò)人體的電流，單位A；t為電流延續(xù)時(shí)間，單位s。

跨步電壓UK允許值為：

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

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

4 高層建筑仿真分析

通過(guò)CDEGS軟件建立該棟建筑遭受雷擊時(shí)的三維數(shù)值模型，參數(shù)選取見(jiàn)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(cè)面，計(jì)算觀測(cè)面內(nèi)最大跨步電壓值［6］?？绮诫妷喝S分布圖見(jiàn)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(wǎng)周邊分布，峰值達(dá)到1. 5KV。同時(shí)，地電位升由地網(wǎng)中心地帶向地網(wǎng)邊緣地帶呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，下降的幅度中心大，邊緣小，也就是說(shuō)越靠近地網(wǎng)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(yáng)市白云區(qū)一座220KV高壓輸電線路桿塔，該桿塔建設(shè)在居民用戶旁邊，周邊人員出入頻繁。桿塔參數(shù)見(jiàn)表3。

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

基于前述相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，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(shù)值模型［6-7］。計(jì)算分析桿塔最高點(diǎn)處遭受雷擊時(shí)桿塔接地網(wǎng)外3m（觀側(cè)面）范圍內(nèi)的接觸電壓和跨步電壓值［4］。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

《電流對(duì)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(biāo)準(zhǔn)［8］。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，人員安全有三種分析方法：

（1）具體顫動(dòng)激勵(lì)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(gè)快速突發(fā)波法（Multiple Fast Burst Wave method）。

本文采用第一種方法來(lái)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(guān)系來(lái)估計(jì)：

其中：Rb是人體的電阻。

雷擊狀態(tài)下，通過(guò)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(hào)持續(xù)時(shí)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(shí)，經(jīng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值（表4），本文將以此作為最終判斷雷擊高層建筑時(shí)底層人員是否安全的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照值。

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

通過(guò)圖5和圖6可以得出雷擊桿塔最高點(diǎn)時(shí)桿塔正下方接地網(wǎng)3m外接觸電壓和跨步電壓分布，均隨時(shí)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(chǎn)生的通過(guò)人體的能量分別為30. 5J和28. 2J，遠(yuǎn)大于雷擊狀態(tài)下人體能量的標(biāo)準(zhǔn)值13. 5J。所以此時(shí)在桿塔下面接地網(wǎng)3m范圍內(nèi)的人員是不安全的，存在人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)。該桿塔出現(xiàn)人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)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(shí)沒(méi)有處理好外引處的邊緣處絕緣處理，導(dǎo)致跨步電壓過(guò)高，應(yīng)該遵循高土壤電阻率地區(qū)防雷接地相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)接地網(wǎng)［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(yán)重的技術(shù)問(wèn)題，如果處理不當(dāng)，就可能造成整個(gè)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(dǎo)致了雷電活動(dòng)的復(fù)雜性和雷災(zāi)的易發(fā)性，對(duì)輸電線路正常運(yùn)行構(gòu)成了威脅，需要加強(qiáng)雷擊防護(hù)措施。

6 結(jié)論與建議

本文通過(guò)理論計(jì)算和CDEGS軟件仿真，主要得出如下結(jié)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(chǎn)生的跨步電壓值是不同的，本質(zhì)在于不同土壤模型對(duì)應(yīng)的土壤電阻率是不同的。同時(shí)，跨步電壓值還與引線下周邊區(qū)域是否積水有關(guān)。

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

（3）通過(guò)理論計(jì)算和軟件仿真分析，在建墻角筑物角落引下線處出現(xiàn)跨步電壓峰值概率較大，應(yīng)該對(duì)這些地方加強(qiáng)雷電防護(hù)措施。

（4）雷擊高層建筑時(shí)，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(wǎng)周邊。地電位分布主要從地網(wǎng)中心向地網(wǎng)邊緣地帶衰減，越靠近地網(wǎng)中心，電位梯度越大。

（5）雷擊220kV輸電線路桿塔最高點(diǎn)時(shí)，處于輸電線路桿塔接地網(wǎng)外3m范圍內(nèi)因雷擊產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓值通過(guò)人體的能量值遠(yuǎn)大于人體允許能量值，即桿塔下面接地網(wǎng)3m范圍內(nèi)的人員是不安全的。

鑒于目前防雷工程中可能存在的問(wèn)題，以下給出了高層建筑及輸電線路桿塔雷電防護(hù)時(shí)幾點(diǎn)參考建議：

（1）盡管因雷擊時(shí)跨步電壓傷亡的概率較小，但是仍然存在風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該在高層建筑墻角引下線墻壁處掛“雷電危險(xiǎn)”標(biāo)志。建筑人行過(guò)道應(yīng)該遠(yuǎn)離引下線，同時(shí)地面不宜積水。

（2）地網(wǎng)的設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，直接影響到雷擊時(shí)跨步電壓分布，應(yīng)該根據(jù)建筑所在區(qū)域?qū)嶋H地形地貌和地質(zhì)條件合理設(shè)計(jì)地網(wǎng)，對(duì)高土壤電阻率地區(qū)除了自然接地網(wǎng)之外還應(yīng)該鋪設(shè)人工接地網(wǎng)以達(dá)到降低跨步電壓［5］。

（3）在高層建筑行人道路上敷設(shè)絕緣層，在外露金屬導(dǎo)體上刷絕緣漆或者敷設(shè)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(shí)在桿塔接地裝置周邊的人員存在安全隱患，應(yīng)該在桿塔附近設(shè)立明顯的高壓危險(xiǎn)牌和雷擊危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)。

（5）雷電災(zāi)害事故調(diào)查分析跨步電壓時(shí)，應(yīng)該按照事故點(diǎn)固有的土壤特性計(jì)算跨步電壓值，否則將會(huì)出現(xiàn)偏差。建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)編制和修訂，建議增加建筑物過(guò)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(hào)：TM863

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8047（2016）01-0072-07

收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目（黔氣科合QN［2015］17號(hào)）

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