某锻压厂雷击事故分析 孟艾立 工业和信息化部电信研究院泰尔实验室主任教授级高级工程师周 璟 工业和信息化部电信研究院泰尔实验室工程师高 波 工业和信息化部电信研究院泰尔实验室测试员摘要：文章通过对某省锻压厂的两次雷击事故的分析，定量计算了由于厂内某通信企业钢管塔的存在该地区遭受直击雷的概率以及由于铁塔遭受直击雷而产生在锻压厂的LEMP电磁环境根据雷电风险评估结果，建议采取必要的防雷措施，建立完善的综合防雷系统，并按照相关标准建立防雷系统，可以有效减少雷击事故的发生关键词：雷击，滚球法，等电位连接，雷电电磁脉冲1 雷击事故概述2008年6月，某省锻压厂先后遭受两次雷击，造成锻压厂数控系统、电源开关模块损坏；办公楼内电脑、等设备损坏；周边居民区内电视等用电设备损坏，直接经济损失达数十万元该锻压厂地处市中心，，周边是居民区，不属于雷击事故高发区，在此次雷击事故之前也从未发生过雷击事件可是为什么有了这次雷击事故呢，并且是连续的两次雷击？锻压厂负责人判断雷击发生的原因主要是由锻压厂院内的钢管塔引起的（据锻压厂负责人描述，当时有“火球”沿钢管塔从上而下，窜人周边厂房）。
据了解，锻压厂院内的钢管塔是该省某通信运营企业移动通信基站的一部分2009年4月3日，工业和信息化部通信计量中心对这两次雷击事故的现场进行分析，对该移动通信基站和锻压厂的防雷系统进行检查图1为现场平面布局示意图在与通信运营企业相关人员沟通后，了解到该钢管塔高55 m，锻压厂周边没有比该钢管塔更高的建筑物塔顶采用限流型避雷针，塔脚采用一根截面积160mm2的热镀锌扁钢与地网两点连通钢管塔距锻压厂厂房约35 m，距锻压厂办公楼约40 m，距移动基站机房约15 m，距居民区约30 m2 现场情况检查因为距雷击事故发生已经有一段时间，设备损坏情况与雷击现场情况只是通过询问了解对移动通信基站的防雷系统，计量中心根据YD/T1429《通信局（站）在用防雷系统的技术要求和检测方法》进行了检查，同时对锻压厂的防雷系统也进行了实地考察2.1移动通信基站防雷系统计量中心对移动通信基站在用防雷系统从接地网、直击雷防护、等电位连接和雷电过电压防护进行了检查，检查结果是移动通信基站的防雷系统基本良好，但光缆加强芯的接地和SPD的配置还存在问题，具体如下1)接地网计量中心对钢管塔雷电引下线与天馈线走线架及天馈线室外汇流排之间的电气连通性进行了测试，测得结果为电气连通良好，故判定移动基站钢管塔地网与基站机房地网做到了联合接地。
利用钢管塔接地引入线及其周边草坪对移动基站接地电阻进行了测试，测试结果为0.31 Q2)直击雷防护根据滚球法（滚球半径R=45 m），按照GB50057-94的计算方法，得到高出地平面Sm（移动通信基站机房高Sm）的平面上的保护半径Ro为24.4 m，而移动基站机房与钢管塔之间的距离约15 m，所以移动通信基站机房在钢管塔避雷针的保护范围之内3)等电位连接天馈线在塔顶、离塔处及机房外侧均良好接地，符合YD/T1429中对天馈线接地的要求但光缆金属加强芯通过机壳接地，且接地线横截面积为4 mm2，不符合YD/T1429中对光缆金属加强芯接地要求4)雷电过电压防护移动通信基站安装的B级电源SPD实际未接入系统，这样如同虚设，对后级设备起不到保护作用并且锻压厂基站安装的B级电源SPD的通流容量为50 kA，不符合YD/T1429中对SPD配置的要求2.2锻压厂防雷系统同时，计量中心对锻压厂的防雷系统也从接地网、直击雷防护、等电位连接和雷电过电压防护进行了考察，考察结果是锻压厂没有任何的防雷系统，存在很大隐患1)接地网锻压厂地网（或者没有地网）与基站钢管塔地网没有做到联合接地2)直击雷防护根据滚球法（滚球半径R=45 m），按照GB50057-94的计算方法，得到高出地平面10 m(锻压厂厂房及办公楼高h=10 m)的平面上的保护半径Ro为16.7 m，而锻压厂厂房及办公楼与钢管塔之间的距离分别为35 m、40 m，所以锻压厂厂房及办公楼都在钢管塔避雷针的保护范围之外。
而且锻压厂本身无任何相关防直击雷接闪器件3)等电位连接锻压厂低压接地系统为TT系统，各设备机壳均未做保护接地4)雷电过电压保护锻压厂总交流进线柜及主要交流开关柜（或交流分配柜）均无相关雷电过电压防护装置3 雷击事故原因分析根据现场环境及防雷系统检查情况分析，这两次雷击事故中，铁塔引雷是诱因，而地电位反击和雷电电磁脉冲的二次效应的影响以及锻压厂本身防雷系统的不完善是导致设备损坏的主要原因，具体分析如下3.1铁塔遭受直击雷（诱因）3.1.1铁塔遭受直击雷该钢管塔是锻压厂周边最高的建筑物，据统计，物体遭受雷击的概率跟其高度成正比，钢管塔的存在明显加大了遭受直击雷的概率根据“尖端放电”及“先驱放电”理论，雷云对钢管塔顶避雷针放电，避雷针应将雷电流安全泄放到大地上而根据目击者称有”火球”沿钢管塔自上而下，后又通过天馈线走线架沿厂房行进，导致这次雷击事故的发生根据介绍，钢管塔顶采用限流型避雷针，其机理是：避雷针内部装有电感线圈，当雷电流通过的时候，电感线圈起到“阻碍”作用，依此来进行对雷电流的“缓慢”泄放，不至于瞬间将全部雷电流能量泄放入地网，起到相应保护而实际上可能由于该避雷针的不完全泄放雷电流能量，造成雷电流能量的“溢出”，形成火球，造成该次雷击事故的发生。
对于避雷针是采用常规避雷针（富兰克林避雷针）还是采用非常规避雷针（如限流型避雷针）还存在争论YD，T1429中明确建议采用常规避雷针，理论上非常规避雷针更具优势，而实践中多数采用常规避雷针，且经受住了时间和实践的考验目前避雷针标准的空缺也是导致避雷针选择存在争论的主要原因需要说明的是，锻压厂遭受雷击时，钢管塔采用的是非常规避雷针，而现在该通信运营企业已将其换成常规避雷针3.1.2该通信运营企业钢管塔遭受直击雷的概率Fa该地区雷暴日Td（1天中只听到一次雷声，即为一个雷暴日）为30.0天／年，根据有关防雷标准计算，该通信运营企业钢管塔遭受直击雷的概率Fa为0.171次／年计算过程如下：根据地区雷暴日Td，决定地区雷击频度Ng为：Ng=0.024×TdL3代入Td，得到Ng为1.997次/km2·年，即该地区每年每平方公里的落雷为1.997次则该通信运营企业钢管塔遭受直击雷的概率Fa为：Fa=9cπH2Ng式中H1为铁塔高度（单位km），c为暴露系数，平地取1代入H1、Mg得到Fa为0.171次／年，即每年该通信运营企业钢管塔的雷击概率为0.171次3.2雷电流入铁塔地网产生地电位升高（二次效应）地电位反击是雷电入侵的又一途径。
上面说到，雷电流通过钢管塔泄放入地网后，造成地网电位升高假设雷电流I大小为50 kA，地阻R为0.3Ω，则地电位升高U为：U=IxR得到钢管塔地网地电位升高为15 kV而由于锻压厂厂房地网和钢管塔地网没有联合接地，这就造成钢管塔地网的高电位(15 kV)向锻压厂地网的零电位反击，造成锻压厂地网电位的升高，通过接地线等对设备造成破坏切断通过地电位反击途径的雷电入侵要求做好联合接地，变压器地网、厂房地网和钢管塔地网等联合接地3.3雷电电磁脉冲的影响（二次效应）移动通信基站钢管塔遭受雷击后，产生的强烈的雷电电磁脉冲也是造成这两次雷击事故的重要原因因此，这两次雷电侵入的途径主要是空间的电磁感应，对雷电电磁脉冲敏感的锻压厂机床控制系统和其他电路板等遭受高于其耐压值的过电压而造成损坏3.3.1雷电电磁脉冲及雷电电磁脉冲对现代通信设备的影响所谓雷电电磁脉冲(LEMP：Lighting Electromag-netic Pulse)指雷电流的电磁效应，现代防雷早已发展到防LEMP的三维空间随着科学技术的发展，微电子技术使用大规模的集成电路，一个芯片上集成了很多元件，其中元器件的尺寸和导线之间的间距只有几微米，甚至小于1μm。
因此，作用在它们上面的冲击电压只要稍微比设计值高一点就能使它们损坏而这种损坏所造成的损失主要不在设备本身，而是因这些信息技术设备停止工作或工作错乱所造成的间接损失据美国对计算机设备的运行经验和试验结果，当雷电流在无屏蔽措施的计算机处产生的磁通达到0.07×10-4特斯拉（相当于0.07高斯）时，就可能引起误动；当磁感应强度超过2.4×10-4特斯拉（相当于2.4高斯）时，计算机就可能产生永久性损坏3.3.2雷电防护区按各种电磁条件，把需要保护的建筑物划分为不同LEMP严酷程度的雷电防护区(LPZ)对LEMP的防护是基于LPZ的划分，LPZ划分为外部区域LPZ 0区，内部区域LPZ l区和LPZ 2区等各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征通常，防雷区的数越高磁场强度越弱1)外部区域LPZ 0区该区域中，威胁来自于未衰减的雷电电磁场内部系统可能遭遇全部或部分雷电浪涌电流LPZ 0区又分为IPZ OA区LPZ OB区LPZ OA区：该区域中，威胁来自于直击雷和全部雷电电磁场内部系统可能遭遇全部雷电浪涌电流LPZ 0B区：该区域中，对直击雷进行了防护，但受到全部雷电电磁场威胁。
内部系统可能遭遇部分雷电冲击电流2)内部区域（直击雷防护区）LPZ 1区：该区域浪涌电流通过边界上的分流和浪涌保护器(SPD)得到限制空间屏蔽能衰减雷电流磁场LPZ 2---n区该区域浪涌电流通过边界上的分流和附加浪涌保护器得到进一步限制附加的空间屏蔽能用来进一步衰减雷电电磁场3.3.3 LEMP影响评估对于LEMP来说，典型频率为1 MHz，那它的波长入为300 m电磁辐射的周围空间在其1/6发射波长半径范围以内的磁场区域称为近场区，在1/6发射波长半径范围以外的磁场区域称为远场区故对LEMP其近场区和远场区的临界距离d-50 m在近场区，雷电电磁辐射在最初的50 m范围内基本上是没有衰减的，而超过50 m后（远场区），才开始衰减钢管塔距锻压厂厂房35 m，距锻压厂办公楼40m，距移[来自Www.L]动基站机房15 m，距居民区30 m当该钢管塔在遭受直击雷时，锻压厂厂房、办公楼、移动基站机房和居民区的全部设备均处于LEMP的近场区内，其安全受到严重的威胁闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度Ho，相当于处于LPZ 0区内的磁场强度，按下式计算：Ho=Io/2 πr式中，Io为LPZ 0区的雷电流，r为从雷击点到屏蔽空间中心的距离。
由此，LPZ 0区内磁场的最大值为：由首次雷击引起：Ho/f/maz=If/max/2πr由后续雷击引起：Ho/s/maz=Is/max/2πr式中，If/max为根据防护等级给出的首次雷击电流最大值，Is/max为根据防护等级给出的首次雷击电流最大值在LPZ 1区内部磁场从Ho减小到Hl，按下式计算H1：Hi=Ho /10SF/20式中，SF为屏蔽系数，单位为dB因此，LPZ0区内磁场的最大值为：由首次雷击引起：Hi=1/f/maz=Ho/f/max/10SF/20由后续雷击引起：H1/s/maz=Ho/s/max/10SF/20按照GB/T 21714.1-2008《雷电防护第1部分：总则》提供的第二类雷电防护水平雷击参数，首次雷击雷电流参数为150 kA，后续雷击雷电流参数为37.5 kA;即使考虑锻压厂厂房结构的屏蔽系数SF=6 dB(-般框架结构大楼SF=6 dB，据了解锻压厂。