貞豐縣“6·6”雷電災(zāi)害調(diào)查分析

朱曦嶸 李舟鑫 何依遙 唐浩鵬

摘 要：2020年6月6日，貞豐縣一個(gè)民爆物資倉(cāng)庫(kù)中視頻監(jiān)控交換機(jī)、紅外線探頭、開關(guān)電源以及監(jiān)控電源模塊等電子設(shè)備遭受雷擊而損壞。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，利用雷達(dá)資料和閃電定位等相關(guān)資料分析事故原因，發(fā)現(xiàn)此次雷災(zāi)事故由雷電感應(yīng)引起，并針對(duì)實(shí)際情況提出相關(guān)的防御措施。

關(guān)鍵詞：雷電災(zāi)害;雷電感應(yīng);防御措施

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）19-0133-03

Abstract： On June 6， 2020， a civil explosive material warehouse in Zhenfeng County found that the video monitoring switch， infrared probe， switching power supply and monitoring power supply module were damaged by lightning. After collecting data on site， the cause of the accident is analyzed by using radar data， lightning location data and other relevant data. The lightning disaster was caused by lightning induction， and defense measures were put forward according to the actual situation.

Keywords： lightning disasters;lightning induction;defensive measures

雷電是自然界中一種常見(jiàn)的放電現(xiàn)象。雷電的放電電壓高達(dá)500 kV，峰值電流幅度在100～300 kA，電流變化快，放電過(guò)程時(shí)間短，一次放電時(shí)間約為40 μs。雷電產(chǎn)生的雷電流、電磁輻射、沖擊波、高溫以及高電壓使其具有巨大的破壞力，常常給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。雷電災(zāi)害被認(rèn)為是影響人類社會(huì)發(fā)展的十大自然災(zāi)害之一[1-3]。以貴州省黔西南州貞豐縣某民爆物資倉(cāng)庫(kù)的一次雷災(zāi)事故為例，分析遠(yuǎn)距離雷擊事故的發(fā)生原因，并結(jié)合該民爆物資倉(cāng)庫(kù)實(shí)際情況，給出防護(hù)措施。

1 雷電災(zāi)害調(diào)查情況

1.1 基本情況

2020年6月8日，貴州省黔西南州貞豐縣某民爆物資倉(cāng)庫(kù)負(fù)責(zé)人向當(dāng)?shù)貧庀缶謭?bào)告，疑似遭受雷災(zāi)，請(qǐng)求氣象局進(jìn)行災(zāi)情調(diào)查和防災(zāi)指導(dǎo)。當(dāng)天黔西南州雷電災(zāi)害調(diào)查技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了勘察，并向當(dāng)日值班人員了解情況。

1.2 問(wèn)詢情況

據(jù)值班員介紹，2020年6月6日晚，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)雷雨天氣。6月6日21：29分左右，開始打雷降雨。22：40左右，值班人員聽見(jiàn)浪涌保護(hù)器發(fā)出“呲呲”的聲音，并聞到焦臭味，隨后見(jiàn)配電箱起火。雷雨天氣結(jié)束后，值班員檢查發(fā)現(xiàn)視頻監(jiān)控交換機(jī)、紅外線探頭、開關(guān)電源以及監(jiān)控電源模塊等設(shè)備損壞。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況

該倉(cāng)庫(kù)位于貞豐縣珉谷街道辦事處河堡村敞洋組，主要有2個(gè)炸藥倉(cāng)庫(kù)、1個(gè)雷管庫(kù)、1個(gè)導(dǎo)爆索庫(kù)和1個(gè)倉(cāng)庫(kù)值班室（監(jiān)控室）等建筑。其中，民爆物資倉(cāng)庫(kù)安裝有接閃針作為直擊雷防護(hù)裝置，值班室建筑物安裝有接閃帶。倉(cāng)庫(kù)值班室有一個(gè)簡(jiǎn)易總配電箱。10 kV高壓線路經(jīng)過(guò)電力變壓器后，將380 V電源接入值班室配電箱分配給各監(jiān)控設(shè)備。電源入戶端安裝兩級(jí)浪涌保護(hù)器作為防雷電波侵入裝置。值班室位于庫(kù)區(qū)外一定距離處。

炸藥庫(kù)和雷管庫(kù)為鋼筋混凝土屋面，其鋼筋須綁扎或焊接成閉合回路。屋面四周設(shè)接地體，接地體間相互連接形成閉合回路，接地電阻不大于4 Ω。建筑物內(nèi)的門窗等金屬構(gòu)架均接到防雷電感應(yīng)的接地裝置上。

防靜電裝置布置在建筑物門口，且防靜電接地與防雷電感應(yīng)接地裝置共用。電源線架空引至值班室，用于庫(kù)區(qū)照明和監(jiān)控系統(tǒng)供電。視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分設(shè)備布設(shè)在值班室，部分在庫(kù)區(qū)內(nèi)，監(jiān)控信號(hào)線架空引入值班室。倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部為農(nóng)業(yè)用地，地形基本平坦，自南向北形成緩坡。此外，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部的土層主要由雜土、中風(fēng)化石灰?guī)r等構(gòu)成。

2 氣象資料查詢情況

貞豐縣年平均雷暴日為72.9 d，月平均雷暴日超過(guò)6.0 d。雷電活動(dòng)主要發(fā)生在4—8月。貞豐縣最大正閃強(qiáng)度、最大負(fù)閃強(qiáng)度以及平均地閃強(qiáng)度分別為243.61 kA、248.31 kA以及33.89 kA。貞豐縣88.79%以上的地閃發(fā)生在5—8月，主要活躍在當(dāng)日16：00—次日凌晨07：00這個(gè)時(shí)段，占比達(dá)到91.1%。

2.1 雷達(dá)資料分析

根據(jù)圖1中的黔西南州雷達(dá)回波記錄，2020年6月6日21：29分至22：52分，貞豐縣境內(nèi)出現(xiàn)雷雨天氣過(guò)程。當(dāng)日多普勒氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的雷雨回波強(qiáng)度在35～45 dBZ，民爆物資倉(cāng)庫(kù)處于這次雷雨天氣范圍內(nèi)。21：29分至22：40分為此次雷暴過(guò)程的最強(qiáng)回波階段，回波強(qiáng)度高達(dá)45 dBZ。22：52分，雷暴云已基本移出貞豐區(qū)域。

2.2 閃電資料分析

根據(jù)貴州省閃電定位系統(tǒng)雷電監(jiān)測(cè)記錄，2020年6月6日21：34至22：13，貞豐縣物資供應(yīng)公司民爆物資倉(cāng)庫(kù)區(qū)域3 km范圍內(nèi)共有7次閃電記錄。其中，負(fù)極性閃電5次，正極性閃電2次，閃電強(qiáng)度在8.9～45.3 kA。

3 原因分析

根據(jù)雷達(dá)回波和閃電系統(tǒng)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，將民爆物資倉(cāng)庫(kù)所在地的經(jīng)緯坐標(biāo)與2020年6月6日21：34至22：13 3 km范圍內(nèi)發(fā)生的7次閃電位置坐標(biāo)相比較。閃電定位系統(tǒng)顯示，只有6月6日21：31分的閃電發(fā)生位置與該民爆物資倉(cāng)庫(kù)所在地的經(jīng)緯度相符合。

由于雷電感應(yīng)或地電位抬升，各種金屬線纜感應(yīng)較高雷擊過(guò)電壓。當(dāng)線纜上連接的設(shè)備和設(shè)施沒(méi)有浪涌保護(hù)或接地不良時(shí)，設(shè)備和設(shè)施將受到感應(yīng)雷擊而損壞[4]。接閃雷電時(shí)，雷擊點(diǎn)的電位最高，可用式（1）計(jì)算雷擊點(diǎn)處的電位。

式中：[U0]為雷擊點(diǎn)的電位，kV;[ρ]為土壤電阻率，Ω·m;[I]為雷電流幅值，kA;[E0]為土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，kV/m。

土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)值，南非學(xué)者給出的經(jīng)驗(yàn)公式為[E0=241ρ0.215]。由于民爆物資倉(cāng)庫(kù)區(qū)域的土壤電阻率較大，取[ρ]=2 000 Ω·m，因此土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)取李良福先生提出的[E0]=500 kV/m參與計(jì)算。

由式（1）可知，民爆物資倉(cāng)庫(kù)接閃22.16 kA的雷電流時(shí)，雷擊點(diǎn)電位可達(dá)1 878.47 kV。當(dāng)雷云對(duì)地放電時(shí)，將在供電線纜的線路上感應(yīng)出過(guò)電壓。感應(yīng)過(guò)電壓[Ur]的計(jì)算公式為式（2）。

式中：[I]為雷電流幅值，kA;[h]為線路高度，m;[S]為雷擊點(diǎn)距感應(yīng)物間的距離，m。

從式（2）可知，線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓與雷電流幅值成正比，與線纜懸掛的平均高度也成正比。導(dǎo)線懸掛越高，它對(duì)地的電容越小，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓就越高。此外，感應(yīng)過(guò)電壓與雷擊點(diǎn)到線路的距離成反比，即距離越大，過(guò)電壓越小。

當(dāng)雷云在距民爆物資倉(cāng)庫(kù)低壓供電線路電桿3 km處放電時(shí)，雷電流為22.16 kA，將對(duì)相對(duì)高度9 m的配電線路產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。感應(yīng)過(guò)電壓[Ur]=25×22.16×9÷3 000=1.62 kV，是使設(shè)備損壞的直接原因。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，接口耐沖擊過(guò)電壓水平小于1.5 kV的設(shè)備將受到威脅。設(shè)備的耐沖擊電壓額定值見(jiàn)表1。

結(jié)合起火時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，本次民爆物資倉(cāng)庫(kù)所遭受的雷擊應(yīng)該是遠(yuǎn)距離雷電波沿輸電線路侵入所致。從時(shí)間節(jié)點(diǎn)上分析，22：40分配電箱起火，此時(shí)該民爆物資倉(cāng)庫(kù)3 km范圍內(nèi)沒(méi)有雷擊發(fā)生。另外，本次損壞的設(shè)備均為電子設(shè)備，可以推測(cè)貞豐縣物資供應(yīng)公司民爆物資倉(cāng)庫(kù)發(fā)生的雷擊事故為雷電感應(yīng)。在這次雷擊過(guò)程中，浪涌保護(hù)器導(dǎo)通后不能自動(dòng)恢復(fù)到高阻態(tài)，而是處于齊納擊穿狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間放電工作使得配電箱內(nèi)開關(guān)過(guò)流起火，是值班員聽到異常聲音并聞到焦臭味的原因。

4 防護(hù)措施

①防雷接地和電氣保護(hù)接地應(yīng)共用接地裝置，應(yīng)采取增加接地極或降阻措施使得接地電阻不大于4 Ω[5]。

②電涌保護(hù)安裝應(yīng)考慮能量級(jí)間的配合問(wèn)題。電涌保護(hù)器并非裝得越多越好，還應(yīng)注意兩級(jí)保護(hù)器之間的距離要求。除了做好直擊雷防護(hù)措施外，在雷電活動(dòng)相對(duì)密集的區(qū)域還應(yīng)盡可能切斷線路與室內(nèi)設(shè)備之間的聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況勘察和分析，按規(guī)范要求，配電箱應(yīng)裝設(shè)一級(jí)通流量不小于60 kA（8/20 μs）的限壓型智能配電系統(tǒng)。更換值班室浪涌保護(hù)器，建議選用Ⅰ類實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。

③所有進(jìn)出建筑物的金屬管道和設(shè)備均應(yīng)在入戶處做好等電位聯(lián)結(jié)和接地措施。進(jìn)入值班室的照明和監(jiān)控線路應(yīng)采用鎧裝電纜或穿金屬管埋地引入，埋地長(zhǎng)度不小于15 m，埋深不小于0.5 m。條件允許的情況下，采取空間屏蔽和線路屏蔽等措施為值班室增加一組接地母排，專供設(shè)備接地使用。為防止雷擊電磁脈沖及雷電感應(yīng)危害，要求接地同一地網(wǎng)不共接地母線。

④防雷裝置的材料規(guī)格和敷設(shè)方式等應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）的要求。

⑤監(jiān)控系統(tǒng)線路和設(shè)備不能沿建筑物外墻架設(shè)，也不能直接綁扎在避雷帶或避雷針上。

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