塔式起重机的防雷分析

摘 要：本文通过对塔式起重机防雷的研究，对使用塔式起重机金属结构作为防雷装置作了分析，并提出了为达到良好的防雷效果而应满足的几个条件。

关键词：塔式起重机；防雷装置；分析

1 引 言

塔式起重机普遍工作于室外，自身高度通常高过附近建筑物或独立于空地之中，受到雷击的可能性很大。因此，为了防止雷击时造成设备损坏和人员伤亡对露天工作的塔式起重机均应有合适的防雷保护措施。GB6067.1-2010《起重机械安全规程第1部分：总则》第8.8.7条有如下要求：“对于安装在野外且相对周围地面处在较高位置的起重机，应考虑避除雷击对其高位部件和人员造成损坏或伤害。”当前，部分塔式起重机在塔顶和臂架头部安装了避雷装置。通过工作中的总结，笔者认为：塔式起重机的防雷可以利用金属结构作为接闪器和引下线，利用电气设备及金属结构的接地装置作为防雷接地装置，而不必另设防雷装置。

2 塔式起重机金属结构作为接闪器及引下线

一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。避雷针、避雷线、避雷带及避雷网都可以作为接闪器，都是利用它们高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地。接闪器端部的形状，对其保护效能没有影响，接闪器涂漆可以防止锈蚀，对防雷作用也没有影响。因此，对塔式起重机防雷没有必要在起重机的突出部位焊上直立的钢筋或固定直立的金属棒作为接闪器，涂漆的起重机金属结构完全可以作为接闪器。

参照GB50057-2010《建筑物防雷设施规范》第4.4.5条规定：“建筑物宜利用钢筋混凝土屋面、梁、柱、基础内的钢筋作为引下线和接地装置。”即以女儿墙内的钢筋作为接闪器，以柱作为引下线，以基础作为接地装置”。因此，接闪器及引下线均可以人为地设置，或者直接利用建筑物的金属导体。所以，塔式起重机利用金属结构作为接闪器及引下线应是允许的，关键是起重机金属结构能否满足接闪器及引下线对机械强度和耐腐蚀性的要求，以及能否满足承受雷电流的热破坏作用。GB50057-2010《建筑物防雷设施规范》规定了接闪器及引下线的材料、规格及最小尺寸，经对比，可见起重机的金属结构能满足有关接闪器及引下线的要求。此外，因为塔式起重机的金属结构并不是一个整体，而是由塔帽、过渡节、回转机构、臂架节、标准节等金属构件组成，它们之间由高强度螺栓连接形成整体结构。因此，为了保证金属结构之间有良好的导电连通性，对于高强度螺栓的紧固必须采用力矩扳手以达到设计要求。所以，起重机利用金属结构作为接闪器及引下线是允许的、可行的，不必另行设置防雷装置。

3 雷电流的影响

起重机遭雷击时，雷电流沿金属结构经接地装置入地。这时在金属结构及接地装置上升高的电位，等于电流与阻抗的乘积。雷电流的幅值和雷电流变化率很大，在接地装置及不同高度的金属结构上，由于电阻及电感的作用，电位升高的幅值也很大，极易产生反击闪络。这会不会对司机室内和起重机附近工作人员以及起重上电气设备产生损坏或伤害？分别论述如下：

3.1 雷击对起重机司机的伤害

塔式起重机利用金属结构作为防雷接闪器及引下线。依据法拉第原理，雷击起重机时，高压电流通过金属结构入地，司机室处在高压电场中，此时的司机室相当于法拉第笼，高压电场不能穿透它。虽然笼子出现了高电位，笼内与笼子是等电位，笼内司机的电位也同样升高，但由于司机与笼子始终是等电位的，所以人在其中而金属结构对人不发生电击现象。此时，这与小鸟站在一根高压线上不受电击是相似的，也与穿金属均压服带电作业相似，这种等电位防雷是法拉第原理的应用。因此，雷击时司机室内的人员不会受到伤害。但必须强调：司机室金属构架与起重机金属结构必须有可靠的金属连接，同时，构架之间的连接应采用跨接线，以保证引下线连通性良好。

国家电网公司武汉高压所通过大型模拟试验和现场测试，全面证实了高压线塔等电位防雷的可靠性。高压线塔遭雷击时，线塔本身作为接闪器及引下线，把雷电流导入大地，而金属底座内与塔身等电位的实验物体并没有受到伤害。

3.2 对起重机上电气设备的损坏

塔式起重机遭到雷击时，金属结构的电位将瞬时提高，但起重机上电气设备的电气回路另有一个它自己的电位。例如，低压电力电源正常情况下对大地电位为220V，这个电位不一定和电气设备外壳（金属结构）电位同时升高相同的数值。电气设备外壳与设备供电电源回路之间将瞬时存在相当高的电位差，于是可能发生电击放电，击穿绝缘，损坏设备。为此应在供电电源引入起重机的进线处，起重机的电气设备上，设置与其电源电压相对应的电涌保护器，并与电气设备和金属结构的接地连接在一起，防止雷击时损坏电气设备。

3.3 对起重机附近地面上工作人员的伤害

塔式起重机附近地面的工作人员与大地同电位，电位不会立即随金属结构及接地装置的电位升高而升高，金属结构与附近地面上工作人员存在相当高的电位差，会造成高压电弧触电，或者由于跨步电压的作用，对地面工作人员造成伤害。

为了防止雷击对附近工作人员的伤害，雷雨时应禁止在起重机金属结构、大车轨道及接地装置附近停留。但是起重机即使装有合适的避雷装置，雷击时站在避雷装置的引下线或接地装置附近地面上，同样会受到伤害。对此，应采用以下措施：

（2）用网状接地装置对地面作均衡电位处理。

（3）用护栏、警告牌使进入距引下线及接地装置3m范围内地面的可能性减小到最低限度。

4 接地装置的要求

对于无特殊要求的塔式起重机，应采用TN-S接零保护系统供电。GB/T5031-2008《塔式起重机》第5.5.5.9条规定：“为避免雷击，塔机主体结构、电机机座和所有电气设备的金属外壳、导线的金属保护管均应可靠接地，其接地电阻不大于4Ω，采用多处重复接地时，其接地电阻不大于10Ω。塔式起重机通常采用固定基础，深度可达2m以上，基础内部设有钢筋网与土层接触，可以视其为接地网。对于沿地面行走的塔式起重机，则应在其每侧大车轨道设置接地装置，一般每侧不得少于两处。通过在工作中的实际测量，以上方式通常能满足接地电阻的要求。减小接地电阻，雷击时可降低金属结构电位的升高值；可减轻对起重机附近地面工作人员和电气设备的伤害及损坏。

对于一些特殊地形地貌区域，例如岩石地区、高土壤电阻率地区，塔式起重机接地方式如采用常规方法接地电阻往往偏大。对此，应采用必要的应对措施。如：

（1）采用电阻率较低的土壤（例如黑土、粘土或沙质粘土等）加上适量的食盐和木炭，置换埋设接地装置区域的高电阻率土壤，以达到降低土壤电阻率的效果。

5 结 论

根据以上分析，塔式起重機只要满足以下三个条件：

（1）金属结构之间具有良好的导电连通性。

（2）在电气回路上设置适当的电涌保护器。

（3）符合要求的接地装置。

则不必另行设置独立的避雷装置，利用整体金属结构作为接闪器和引下线，可以达到良好的防雷效果。

参考文献

[1]范俊祥.塔式起重机[M].北京：中国建材工业出版社，2004.

[2]孙桂林等.起重机械安全技术手册[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[3]严尊湘.塔式起重机基础工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]中国机械工业联合会.建筑物防雷设计规范[M].北京：中国计划出版社，2010.

[5]中国机械工业联合会.塔式起重机[M].北京：中国标准出版社，2008.

作者简介：郭晓东（1974-），男，汉族，湖南张家界人，大学本科，工程师，从事特种设备检验工作。