底南村屢遭雷擊原因探究

張賽忠　鐘萬強(qiáng)　鄭　鴿　項(xiàng)欣樂

摘要:對當(dāng)?shù)匾自饫讚舻牡乩憝h(huán)境和氣候條件、高壓電力線路增加雷擊概率及其引發(fā)的后果、相關(guān)的電力、通信、廣播電視等基礎(chǔ)設(shè)施的防雷缺陷、村民缺乏科學(xué)防雷意識等方面進(jìn)行分析研究,提出了底南村屢遭雷擊的應(yīng)對措施和建議。

關(guān)鍵詞:防雷減災(zāi);農(nóng)村雷災(zāi);對策

中圖分類號:X928.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)08-0071-02

浙江省文成縣周壤鄉(xiāng)底南自然村的200多村民,一遇雷電天氣,就“聞雷色變”,2000年高壓線路經(jīng)過村里后,雷擊就很頻繁,電器被擊壞、人畜被擊傷等事故近20起。如2008年8月13日,有8戶家庭受雷擊,造成冰箱3臺、電視機(jī)12臺、電風(fēng)扇3臺、電話機(jī)12臺損壞,3人在室內(nèi)受雷擊,導(dǎo)致全身麻木2分鐘左右后才恢復(fù)。底南村的雷電災(zāi)害引起了文成縣和溫州市兩級黨委政府的特別關(guān)注,曾組織相關(guān)單位、專家四五次到該村調(diào)查研究。這里就對該村屢遭雷擊成因進(jìn)行分析研究,并提出應(yīng)對措施和建議。

1環(huán)境概況

周壤鄉(xiāng)底南村坐東(圖1)朝西(圖2),左右是山坡,山坡上居70多戶人家,中間是梯田,整個(gè)地形呈馬蹄。110kV輸電線路穿村中央而過,低壓電源線、電話線、有線電視線架空經(jīng)過高壓線路下面,與高壓線的距離約5m至8m,并且布局交錯(cuò)無章。距離民房最近的高壓桿塔(圖2)實(shí)測接地電阻13.0Ω,與民房的水平距離約為4米。高壓桿塔距最近電話電視線路約0.3m。高壓線路與人員主要經(jīng)過通道附近山坡路最短的垂直距離約為8m,與房屋的垂直最短距離約10m,與兩側(cè)樹木的距離約為3m。東面山頂高壓桿塔(圖1)與西面桿塔距離約600m,西面桿塔再與其下游山頂桿塔距離約400m,只有村子西面(圖2)這支塔處水田邊,并在水田里做了地網(wǎng),成了3支桿塔的雷電流集中對地泄放點(diǎn)。村民房屋及家用電器均沒有采取任何防雷裝置。

2特殊的地理位置是雷暴多發(fā)的背景

2.1水田引發(fā)雷擊

底南村村中央是成片的梯田,傍山而建的農(nóng)房傍也是水田或離水田很近,由于水也是一種導(dǎo)體,土壤中的水分含量較大時(shí),也很容易吸引雷電。而且水田與陸地交界處正是最易遭雷擊的地方。

2.2馬蹄形地形招徠雷暴

底南村地形呈馬蹄形,開口朝西,村西口就是落差很大的山谷懸崖,這種地形就是非常典型的強(qiáng)對流多發(fā)地形,沿山谷上來的氣流受地形抬升,再加在此堆積的水氣條件和能量條件一具備就形成雷雨云,而且云底離地面近,有水田和高壓線路的吸引,雷電就很容易與高壓線路接觸,釋放強(qiáng)大的雷電流,產(chǎn)生雷擊事故。

2.3是全縣雷暴的主要通道

文成縣主要有3條雷暴路徑:一條是東北路徑,文成縣的東北與青田接壤地區(qū)經(jīng)文成瑞安交界到瑞安境內(nèi);一條是西北路徑,從文成西北經(jīng)底南村附近再進(jìn)入瑞安境內(nèi);另一條是西南路徑,從文成西南經(jīng)底南村附近進(jìn)入文成瑞安青田交界。而且西北路徑和西南路徑是文成縣80%以上的雷暴走向,因此,底南村是文成縣主要的雷暴通道。

3高壓線路加劇雷電災(zāi)害發(fā)生

3.1高壓線路的設(shè)置增加雷擊幾率

高聳建(構(gòu))筑物易使地表的電場分布發(fā)生了嚴(yán)重的畸變,容易構(gòu)成雷電發(fā)展條件,加上離放電云層近,易遭受雷擊,通常年雷擊次數(shù)和當(dāng)?shù)啬昃妆┤粘烧?和建(構(gòu))筑物高度的平方成正比。根據(jù)美國學(xué)者統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)公式,年平均雷擊次數(shù) N 可用下面公式算出:

N=0.015(IKZ)10^-4-4k₁k₁H²

式中:IKZ——年平均雷暴日,文成縣70天; k₁——落雷不均系數(shù),對發(fā)電廠變電所 k₁=8～12,一般易受雷擊的建筑物,k₁=1.5～2.0,這里取2.0 ;k₂——建筑材料影響系數(shù),金屬材料k₂=1.5,高壓線路取1.5,非金屬材料 k₂=0.15,農(nóng)房取0.15; H——建(構(gòu))筑物高度(m),高壓避雷線及桿塔高相對農(nóng)房取20m,農(nóng)房取10m。

經(jīng)過計(jì)算高壓線路和農(nóng)房的年平均雷擊次數(shù)為:0.126次和0.00315次。

由此可以看出,高壓線路的設(shè)置,該村受雷擊的概率大大增加,而且是雷擊機(jī)會(huì)增加了39倍。

下面再按照GB50057-94(2000年)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算公式對圖2民房進(jìn)行計(jì)算:N=kNgAe

其中,k=1.5,Ng=6.01[次/(km2?a)],年雷暴日70天,民房的長、寬、高均取10m,代入公式計(jì)算出民房的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.07次/年。

根據(jù)DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》:雷暴日為40天的地區(qū)避雷線或?qū)Ь€平均高度為h的線路每100km 每年的雷擊次數(shù)為NL= 0.28(b+4h),b為兩根避雷線之間的距離,這里b取6m;h取20m,則

NL=0.28(b+4h)=0.28(6+4*20)=24.08(次/年)

那么,在底南村的110kV高壓線路(考慮擊在2000m的線路上對該村均有較大影響)的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)是0.48次/年, 與該民房的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.07次/年相比,高壓線路的設(shè)置使得民房遭受雷擊的概率增加了5.86倍,高壓線路計(jì)算還是用雷暴日40天的。

因此,根據(jù)理論計(jì)算還是高壓線路設(shè)置后的實(shí)際情況,高壓線路的設(shè)置在很大程度上增加了該村莊的雷擊概率。

3.2雷擊瞬間產(chǎn)生危險(xiǎn)的地電位和跨步電壓

當(dāng)一個(gè)100KA的雷電擊中電力線或桿塔時(shí),桿塔腳產(chǎn)生的瞬間電位計(jì)算:

U2= I * Ri =100000*13=1300 kV

1300KV的高電位,將會(huì)對周圍造成嚴(yán)重的地電位反擊。

在大地表面兩點(diǎn)之間的電位差:一點(diǎn)位于x處,另外一點(diǎn)位于x + aS處,其中假設(shè)aS等于1m,則為跨步電壓ΔVS,即當(dāng)一個(gè)人站在大地表面這個(gè)位置,在兩腿之間存在的大地表面電位:

Us=UE *[1/X-1/(x + aS)]

式中UE是等于接地電位的接地電壓(假設(shè)基準(zhǔn)地的電位等于零)。接地電位可以采取以下公式描述:UE = I * Ri =ρI/2πx

在此求離接地點(diǎn)30 m、75 m處的跨步電壓:

30m處:Us=UE *[1/X-1/(x + aS)]=1300000*[1/30-1/31]=1398V75m處:Us=UE *[1/X-1/(x + aS)]=1300000*[1/75-1/76]=228V

利用變電所設(shè)備安全跨步電壓公式計(jì)算西面桿塔附近的安全跨步電壓:

Ek=50+0.2ρ=50+0.2 *1000=250V

由此可見,當(dāng)100 kA的雷電擊中線路的避雷線或桿塔時(shí),桿塔附近是很危險(xiǎn)的,村民反映雷雨天經(jīng)過桿塔下面受電擊麻木是當(dāng)然的,離開桿塔75m遠(yuǎn)的地方對人員才相對安全。

3.3雷電磁感應(yīng)危害頗大

桿塔和電力線受雷擊,在其周圍將產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場,這種電磁場在周圍導(dǎo)體還會(huì)感應(yīng)出較大電位。該村受到雷擊的民房離高壓線路均不到100m,桿塔離最近的民房4m。這里計(jì)算100KA雷電擊中高壓線路高壓桿塔4m處的磁場:

H0=i0/ (2πSa)=100000/2*3.14*4=3981(A/m)。

其中i0是雷電流(A),Sa是雷擊點(diǎn)與屏蔽空間的平均距離(m)。

根據(jù)GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》電子計(jì)算機(jī)環(huán)境電磁場不應(yīng)大于800A/m,由此可見,雷電磁場對近處民房內(nèi)的電子產(chǎn)品,已構(gòu)成極大的危害。

強(qiáng)大的雷電流擊中電力線路電波在入地的過程中,由于雷電流陡度di/dt的作用,在其周圍不閉合的導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)脈沖電壓,即感應(yīng)雷。其電壓值為:

Em=2*10-7*L*ln(L+X)/X*di/dt

公式中:Em-感應(yīng)電壓(KV);L-金屬開口環(huán)長度;X-金屬開口環(huán)距雷擊點(diǎn)距離。

根據(jù)現(xiàn)場低壓電原線、電話線、有線電視線交錯(cuò)著,可看成一個(gè)個(gè)開口環(huán)。在100m處的民房中,假設(shè)有10m的開口環(huán),波頭時(shí)間t=2.5us 的100KA雷擊高壓線路時(shí)的感應(yīng)電壓為:Em=2*10-7*10*ln[(10+100)/100]*105/2.5*10-6=1.91KV

這樣大的感應(yīng)電壓勢必給電子設(shè)備造成破壞,造成線路跳火,引起燃燒爆炸事故。

3.4架空線路的雷電感應(yīng)過電壓特高

雷云在起電、移動(dòng)和先導(dǎo)放電的過程中,對架空線會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng),使之產(chǎn)生異號靜電位,一旦雷云對地放電,導(dǎo)線中的束縛電荷成為自由電荷,以沖擊波的形式對稱地向線路兩端移動(dòng),低壓電源、電話線等架空線路的雷電感應(yīng)過電壓,可用下列公式計(jì)算:

Ug =25*(I*hc/S)=25*(100000*12/8)= 300KV

式中:Ug—感應(yīng)過電壓幅值(kV);I—雷電流幅值(kA),取100kV; hc—導(dǎo)線距地高度(m),取12m; S—雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線垂直距離(m),取100m。

300kV的過電壓,足以摧毀家用電器,并可以發(fā)生線路燃燒,引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

4電子產(chǎn)品的普及使用增加雷擊事故

隨著社會(huì)的進(jìn)步,電子產(chǎn)品發(fā)展迅速,在農(nóng)村也迅速普及開來。電話、有線電視都要布線,這些線路如不注意防雷措施,恰好是“引雷入室”的通道。還有科學(xué)的進(jìn)步,家用電器微電子集成程度越來越高,同時(shí),它們抵御過電壓的能力卻越來越低,即很容易受雷擊而損壞。這也是雷擊事故逐年增加的一個(gè)因素。

5采取的應(yīng)對措施和建議

①通過防雷宣傳,使村民掌握基本的雷電防護(hù)知識,特別是野外防雷知識。

②加裝防雷裝置,提高全村的防雷水平。這主要包括直擊雷防護(hù)和雷電電磁脈沖防護(hù)等方面:各民房安裝防直擊雷措施;改善低壓線路的布局,并宜將低壓線路埋地做屏蔽處理后再引入民房內(nèi),并在入戶處安裝電涌保護(hù)器,以降低強(qiáng)雷電流從各線路上侵入;增加有線電視、電話線路及低壓線路和高壓鐵塔和高壓線的安全距離,并規(guī)范布線,信號線路宜埋地做屏蔽敷設(shè),并加裝信號電涌保護(hù)器;對貴重的家用設(shè)備做等電位連接技術(shù)處理。

③對110KV高壓線路進(jìn)行改向,不要跨過村莊,遠(yuǎn)離村莊,否則對110KV高壓線路進(jìn)行技術(shù)改造。這主要包括以下幾個(gè)方面:將高壓線路和桿塔在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行加高處理,從而增大安全距離;使高壓避雷線上的雷電流能進(jìn)行多支路分流,限制避雷線上產(chǎn)生的雷電從距離民房最近的村西口高壓桿塔處對地泄放;改變各高壓桿塔的的地網(wǎng)結(jié)構(gòu),增補(bǔ)人工地網(wǎng),使其符合技術(shù)要求,而且盡量爭取有很低阻值;正確鋪設(shè)人工地網(wǎng),各接地體距行人道處不應(yīng)小于3m,當(dāng)小于3m時(shí),接地體局部埋深應(yīng)大于1m,或鋪設(shè)瀝青碎石地面,來防止接地體泄雷電流時(shí),路上行人產(chǎn)生跨步電壓危險(xiǎn)。

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