底南村屡遭雷击原因探究

张赛忠　钟万强　郑　鸽　项欣乐

摘要:对当地易遭雷击的地理环境和气候条件、高压电力线路增加雷击概率及其引发的后果、相关的电力、通信、广播电视等基础设施的防雷缺陷、村民缺乏科学防雷意识等方面进行分析研究,提出了底南村屡遭雷击的应对措施和建议。

关键词:防雷减灾;农村雷灾;对策

中图分类号:X928.2文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)08-0071-02

浙江省文成县周壤乡底南自然村的200多村民,一遇雷电天气,就“闻雷色变”,2000年高压线路经过村里后,雷击就很频繁,电器被击坏、人畜被击伤等事故近20起。如2008年8月13日,有8户家庭受雷击,造成冰箱3台、电视机12台、电风扇3台、电话机12台损坏,3人在室内受雷击,导致全身麻木2分钟左右后才恢复。底南村的雷电灾害引起了文成县和温州市两级党委政府的特别关注,曾组织相关单位、专家四五次到该村调查研究。这里就对该村屡遭雷击成因进行分析研究,并提出应对措施和建议。

1环境概况

周壤乡底南村坐东(图1)朝西(图2),左右是山坡,山坡上居70多户人家,中间是梯田,整个地形呈马蹄。110kV输电线路穿村中央而过,低压电源线、电话线、有线电视线架空经过高压线路下面,与高压线的距离约5m至8m,并且布局交错无章。距离民房最近的高压杆塔(图2)实测接地电阻13.0Ω,与民房的水平距离约为4米。高压杆塔距最近电话电视线路约0.3m。高压线路与人员主要经过通道附近山坡路最短的垂直距离约为8m,与房屋的垂直最短距离约10m,与两侧树木的距离约为3m。东面山顶高压杆塔(图1)与西面杆塔距离约600m,西面杆塔再与其下游山顶杆塔距离约400m,只有村子西面(图2)这支塔处水田边,并在水田里做了地网,成了3支杆塔的雷电流集中对地泄放点。村民房屋及家用电器均没有采取任何防雷装置。

2特殊的地理位置是雷暴多发的背景

2.1水田引发雷击

底南村村中央是成片的梯田,傍山而建的农房傍也是水田或离水田很近,由于水也是一种导体,土壤中的水分含量较大时,也很容易吸引雷电。而且水田与陆地交界处正是最易遭雷击的地方。

2.2马蹄形地形招徕雷暴

底南村地形呈马蹄形,开口朝西,村西口就是落差很大的山谷悬崖,这种地形就是非常典型的强对流多发地形,沿山谷上来的气流受地形抬升,再加在此堆积的水气条件和能量条件一具备就形成雷雨云,而且云底离地面近,有水田和高压线路的吸引,雷电就很容易与高压线路接触,释放强大的雷电流,产生雷击事故。

2.3是全县雷暴的主要通道

文成县主要有3条雷暴路径:一条是东北路径,文成县的东北与青田接壤地区经文成瑞安交界到瑞安境内;一条是西北路径,从文成西北经底南村附近再进入瑞安境内;另一条是西南路径,从文成西南经底南村附近进入文成瑞安青田交界。而且西北路径和西南路径是文成县80%以上的雷暴走向,因此,底南村是文成县主要的雷暴通道。

3高压线路加剧雷电灾害发生

3.1高压线路的设置增加雷击几率

高耸建(构)筑物易使地表的电场分布发生了严重的畸变,容易构成雷电发展条件,加上离放电云层近,易遭受雷击,通常年雷击次数和当地年均雷暴日成正比,和建(构)筑物高度的平方成正比。根据美国学者统计得出的经验公式,年平均雷击次数 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,文成县70天; k₁——落雷不均系数,对发电厂变电所 k₁=8～12,一般易受雷击的建筑物,k₁=1.5～2.0,这里取2.0 ;k₂——建筑材料影响系数,金属材料k₂=1.5,高压线路取1.5,非金属材料 k₂=0.15,农房取0.15; H——建(构)筑物高度(m),高压避雷线及杆塔高相对农房取20m,农房取10m。

经过计算高压线路和农房的年平均雷击次数为:0.126次和0.00315次。

由此可以看出,高压线路的设置,该村受雷击的概率大大增加,而且是雷击机会增加了39倍。

下面再按照GB50057-94(2000年)《建筑物防雷设计规范》的年预计雷击次数计算公式对图2民房进行计算:N=kNgAe

其中,k=1.5,Ng=6.01[次/(km2•a)],年雷暴日70天,民房的长、宽、高均取10m,代入公式计算出民房的年预计雷击次数为0.07次/年。

根据DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》:雷暴日为40天的地区避雷线或导线平均高度为h的线路每100km 每年的雷击次数为NL= 0.28(b+4h),b为两根避雷线之间的距离,这里b取6m;h取20m,则

NL=0.28(b+4h)=0.28(6+4*20)=24.08(次/年)

那么,在底南村的110kV高压线路(考虑击在2000m的线路上对该村均有较大影响)的年预计雷击次数是0.48次/年, 与该民房的年预计雷击次数为0.07次/年相比,高压线路的设置使得民房遭受雷击的概率增加了5.86倍,高压线路计算还是用雷暴日40天的。

因此,根据理论计算还是高压线路设置后的实际情况,高压线路的设置在很大程度上增加了该村庄的雷击概率。

3.2雷击瞬间产生危险的地电位和跨步电压

当一个100KA的雷电击中电力线或杆塔时,杆塔脚产生的瞬间电位计算:

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

1300KV的高电位,将会对周围造成严重的地电位反击。

在大地表面两点之间的电位差:一点位于x处,另外一点位于x + aS处,其中假设aS等于1m,则为跨步电压ΔVS,即当一个人站在大地表面这个位置,在两腿之间存在的大地表面电位:

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

式中UE是等于接地电位的接地电压(假设基准地的电位等于零)。接地电位可以采取以下公式描述:UE = I * Ri =ρI/2πx

在此求离接地点30 m、75 m处的跨步电压:

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

利用变电所设备安全跨步电压公式计算西面杆塔附近的安全跨步电压:

Ek=50+0.2ρ=50+0.2 *1000=250V

由此可见,当100 kA的雷电击中线路的避雷线或杆塔时,杆塔附近是很危险的,村民反映雷雨天经过杆塔下面受电击麻木是当然的,离开杆塔75m远的地方对人员才相对安全。

3.3雷电磁感应危害颇大

杆塔和电力线受雷击,在其周围将产生强大的磁场,这种电磁场在周围导体还会感应出较大电位。该村受到雷击的民房离高压线路均不到100m,杆塔离最近的民房4m。这里计算100KA雷电击中高压线路高压杆塔4m处的磁场:

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

其中i0是雷电流(A),Sa是雷击点与屏蔽空间的平均距离(m)。

根据GB50174-93《电子计算机机房设计规范》电子计算机环境电磁场不应大于800A/m,由此可见,雷电磁场对近处民房内的电子产品,已构成极大的危害。

强大的雷电流击中电力线路电波在入地的过程中,由于雷电流陡度di/dt的作用,在其周围不闭合的导体内会产生感应脉冲电压,即感应雷。其电压值为:

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

公式中:Em-感应电压(KV);L-金属开口环长度;X-金属开口环距雷击点距离。

根据现场低压电原线、电话线、有线电视线交错着,可看成一个个开口环。在100m处的民房中,假设有10m的开口环,波头时间t=2.5us 的100KA雷击高压线路时的感应电压为:Em=2*10-7*10*ln[(10+100)/100]*105/2.5*10-6=1.91KV

这样大的感应电压势必给电子设备造成破坏,造成线路跳火,引起燃烧爆炸事故。

3.4架空线路的雷电感应过电压特高

雷云在起电、移动和先导放电的过程中,对架空线会产生静电感应,使之产生异号静电位,一旦雷云对地放电,导线中的束缚电荷成为自由电荷,以冲击波的形式对称地向线路两端移动,低压电源、电话线等架空线路的雷电感应过电压,可用下列公式计算:

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

式中:Ug—感应过电压幅值(kV);I—雷电流幅值(kA),取100kV; hc—导线距地高度(m),取12m; S—雷击点与导线垂直距离(m),取100m。

300kV的过电压,足以摧毁家用电器,并可以发生线路燃烧,引发火灾爆炸事故。

4电子产品的普及使用增加雷击事故

随着社会的进步,电子产品发展迅速,在农村也迅速普及开来。电话、有线电视都要布线,这些线路如不注意防雷措施,恰好是“引雷入室”的通道。还有科学的进步,家用电器微电子集成程度越来越高,同时,它们抵御过电压的能力却越来越低,即很容易受雷击而损坏。这也是雷击事故逐年增加的一个因素。

5采取的应对措施和建议

①通过防雷宣传,使村民掌握基本的雷电防护知识,特别是野外防雷知识。

②加装防雷装置,提高全村的防雷水平。这主要包括直击雷防护和雷电电磁脉冲防护等方面:各民房安装防直击雷措施;改善低压线路的布局,并宜将低压线路埋地做屏蔽处理后再引入民房内,并在入户处安装电涌保护器,以降低强雷电流从各线路上侵入;增加有线电视、电话线路及低压线路和高压铁塔和高压线的安全距离,并规范布线,信号线路宜埋地做屏蔽敷设,并加装信号电涌保护器;对贵重的家用设备做等电位连接技术处理。

③对110KV高压线路进行改向,不要跨过村庄,远离村庄,否则对110KV高压线路进行技术改造。这主要包括以下几个方面:将高压线路和杆塔在适当的位置进行加高处理,从而增大安全距离;使高压避雷线上的雷电流能进行多支路分流,限制避雷线上产生的雷电从距离民房最近的村西口高压杆塔处对地泄放;改变各高压杆塔的的地网结构,增补人工地网,使其符合技术要求,而且尽量争取有很低阻值;正确铺设人工地网,各接地体距行人道处不应小于3m,当小于3m时,接地体局部埋深应大于1m,或铺设沥青碎石地面,来防止接地体泄雷电流时,路上行人产生跨步电压危险。

参考文献:

[1] 张赛忠,董赛丽.文成县雷暴及其灾害特征分析[A].第二届浙江省防雷减灾科技论坛[C],2008.

[2] 机械工业部.GB50057-94(2000年)建筑物防雷设计规范[S].北京:中国计划出版社,2000.

[3] 电力工业部.DL/T620-1997,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京:中国电力出版社,1997.

[4] 李家启.索塔大桥雷电防护必要性探讨[J].中国雷电防护,2005.