可移动孤立构筑物防雷必要性分析

张颖杰， 敬金华

（深圳中广核工程设计有限公司， 广东 深圳518000）

0 引言

对于安全要求的日益提高， 对于自然界不可避免的雷电的防护永远是一个热门话题，它与人们的人身、财产安全息息相关。 工业构筑物是否需要防雷，也是一个在工程实践中经常遇到的问题。 随着人们对安全越来越加重视，对于某些特殊临时构筑物的防雷必要性的分析也日趋重要，现就结合某项目实例阐述采取防雷措施的必要性。

在实际工程项目中， 偶尔会遇到某些处于空旷区域的孤立构筑物。这些构筑物与其他建筑距离较远，而且其又是突出周围地表的高点，而且需要人员控制操作，出于人员安全考虑，明显需要考虑是否采取防雷措施。但这种孤立构筑物又不是固定不动的建筑物，而是可以移动的，在某一时段在某地架设后运行一段时间， 之后会移到其他地方继续运行。 这就让是否采取防雷保护措施成为了一个问题，如果采取防雷保护措施架设避雷线并接地，那么在构筑物移动到其他地方时防雷接地设施需要重新施工。这就给该构筑物的移动造成了一定的影响。那么如何确定该可移动孤立构筑物是否需要防雷接地措施就成为了一个需要解决的问题。

1 工程实例概况

在某海外采矿项目就有这样一个案例， 该项目采购了一台可移动的破碎机， 而且该移动破碎机布置在露天采矿矿区附近， 露天采矿矿区为地势平坦植物稀少的荒漠。 具体位置为位于露天矿的一号矿坑和二号矿坑之间的空旷区域，距离主厂区直线距离约为3.6km。 其实际包络尺寸为200m×150m×8m（长L×宽W×高H）。并且该移动破碎机展开固定后，全年不间断运行，运行人员数最多为5 人。图1 为移动破碎机实景图。

图1 移动破碎机实景图

该移动破碎机布置在混凝土硬化地面上，工作时需展开，展开后距地面最高高度近8m，明显高出周围其他实体， 其动力来源33kV 架空线，且33kV 架空线经电缆与移动破碎机相连，其相对位置如图2 所示。

图2 移动破碎机位置图

33kV 架空线路则与132kV 矿坑移动变压器相连接，132kV 矿坑移动变压器位于132kV 矿坑环网下方， 如图3 所示。

图3 132kV 移动变压器位置图

2 工程实例的初步分析

根据IEC 62305-2：2010《雷电防护 第2 部分：风险管理》[1]，首先要评估该建筑物防雷保护需求，这就需要明确该移动破碎机针对于雷电防护有哪些风险。 在IEC 62305-2：2010 中，风险如下：①R1：致人死亡的风险；②R2：为大众服务的公共设施损失的风险；③R3：文化遗产损失的风险；④R4：经济损失的风险。

而且在评估物体的雷电防护措施的需求时， 仅考虑如下风险：

（1）对于建筑物，考虑风险R1、R2和R3。

（2）对于公共设施，考虑风险R2。

由于移动破碎机并非公共建筑或文化遗产， 可以将其视为一般建筑物。 所以对于该移动破碎机应考虑的风险仅为R1，致人死亡的风险。

根据IEC 62305-2：2010 表1，致人死亡的风险R1应考虑如下风险：①雷击中建筑物S1；②雷击建筑物邻近区域S2；③雷击入户线路S3；④雷击入户线路邻近区域S4。

2.1 雷击中建筑物S1 包含RA，RB 和RC

（1)在建筑物外围3m 区域内，由触摸和跨步电压导致的对活体的伤害与RA有关。 在此情况下，建筑物内的风险是可以忽略不计的。对于农业财产情况，L1型损失和夹带动物损失的L4型损失可能会发生。

（3）在建筑内由危险火花所引发的火灾或爆炸，对整个环境可能造成威胁， 此情况下导致的实体损害与RB有关。 所有的损失类型（L1， L2，L3，L4）可能都会出现。

（4）RC 与雷电电磁脉冲防护引起的内部系统失效有关。在任何情况下，L2和L4型损失都会涉及。对于有爆炸危险的建筑物和医院或是内部系统失效直接危及生命的建筑物，L1型损失也要加以考虑。

2.2 雷击建筑物邻近区域S2 包含RM 和RU

（1）RM 与雷电电磁脉冲防护引起的内部系统失效有关。在任何情况下，L2和L4型损失都会涉及。对于有爆炸危险的建筑物和医院或是内部系统失效直接危及生命的建筑物，L1型损失也要加以考虑。

（2）RU 与建筑物内由于触摸和跨步电压导致的对活体的伤害相关，这是由于雷电流注入入户线路引起的。 L1型损失可能会出现。

2.3 雷击入户线路S3 包含RV 和RW

（1）RV 与雷电流通过或沿着入户公共设施导入所致的实体损害有关。 （火灾或爆炸，通常是在入户线路的入口处，外部装置和金属部件之间产生的火花导致的。 ）所有的损失类型（L1，L2，L3，L4）都可能会出现。

（2）RW与入户线路中存在并导入建筑物的感应过电压引起的内部系统失效有关。 在任何情况下， L2和L4型损失都会涉及。 对于有爆炸危险的建筑物和医院或是内部系统失效直接危及生命的建筑物，L1型损失也要加以考虑。

2.4 雷击入户线路邻近区域S4 包含RZ

（1）RZ与入户线路中存在并导入建筑物的感应过电压引起的内部系统失效有关。 在任何情况下，L2和L4型损失都会涉及。对于有爆炸危险的建筑物和医院或是内部系统失效直接危及生命的建筑物，L1型损失也要加以考虑。

对于移动破碎机而言， 由于其并不是仅对于有爆炸风险和拥有挽救生命的电气设备的医院及内部系统失效直接危及生命的建筑物， 所以该雷击中建筑物的风险应考虑RA，RB，RU和RV，也就是R1=RA+RB+RU+RV。

3 工程实例的具体计算

通过以上初步分析， 我们知道了该工程实例应考虑的雷击风险，那么下面就可以依据标准具体计算风险值如下：

3.1 RA 值的计算

ND为雷击建筑物的年度平均次数，计算公式如下：

NG为 雷 击 大 地 密 度 [次/（km2·a）]， 依 据 标 准SANS 10313：2005《The protection of structures against lightning》表4，距离移动破碎机现场最近城市）NG 为0.5 次/（km2·a）[2]。

AD为孤立建筑物的截收面积，移动破碎机为不规则建筑物，包络尺寸为200m×150m×8m（长L×宽W×高H）其计算公式如下：

CD为建筑物位置校正系数， 由于移动破碎机为孤立构筑物， 周围没有其他设施， 根据表A.1 位置影响系数CD，其建筑物位置校正系数为1。

PA为雷击建筑物导致的对活体伤害的概率， 其计算公式如下：PA=PTA×PB=1×1=1

依据表B.1 和表B.2，由于该移动碎石机没有采取防护措施，其PTA值选取为1，PB值选取也为1。

LA为对活体伤害导致的损失，其计算公式如下：

rt为下降系数，依据表C.3，由于该移动碎石机布置在混凝土硬化地面上，rt 值选取为10-2。

LT为触摸和跨步电压伤害引起的损失， 依据表C.1，LT值选取为10-2。

nz为分区中的人数。

nt为建筑物中的总人数。

tz为人员每年在分区中停留的小时数。

基于保守考虑以及移动破碎机布置在露天的情况，nz，nt和tz值均选取最大值，即nz=nt=5 人，tz为8760h。

3.2 RB 值的计算

ND为雷击建筑物的年度平均次数，如前所述。

PB为雷击建筑物导致实体损害的概率， 依据表B.2，由于该移动破碎机无雷电防护系统，所以PB值为1。

LB为实体损害导致的损失，其计算公式如下：

其中，rp为采用措施减小火灾后果影响下降系数，依据表C.3，由于该移动破碎机配置有灭火器，故rp值选取为0.5。 hz为增大相对损失量的系数，由于该移动破碎机为5 名操作人员的机械设备，可以认为其为无特殊风险，故hz 值选为1。 rf为火灾风险下降系数，依据表C.5，由于该移动破碎机仅包含可燃物， 电缆和输送皮带等非金属物品，且布置在露天，故rf值选为10-3。 LF为实体损害引起的损失，依据表C.1，由于该移动破碎机属于工业用途，故LF值选为2×10-2。

3.3 RU 值的计算

NL为雷击进入建筑物的线路的年度平均次数， 其计算公式如下：

其中NG为0.5 次/（km2·a），如前所述。

AL为雷击线路的截收面积，AL=40×LL，LL为线路区段的长度。 该移动破碎机动力电源来自3km 长的33kV 架空线，所以LL为3×103m。

依据表A.2，线路安装因子CI值为1。

依据表A.3，该线路与变压器相连，所以线路类型因子CT值为0.2。

依据表A.4，只有农村与实例相接近，故线路环境因子CE值为1。

NDJ为雷击邻近建筑物的年度平均次数，其计算公式如下：

其中ADJ=L×W+2×（3×H）×（L+W）+π×（3×H）2=13×2.44+6×3.2×（13+2.44）+ 9π×72≈1713.61m2， 移动变电站的尺寸为13m×2.44m×3.2m（长L×宽W×高H）。 依据表A.2， 该移动变电站位于132kV 正下方， 所以CDJ值选为0.25。 依据表A.4，该线路与变压器相连，所以CT值选为0.2。

PU为雷击线路导致的对活体伤害的概率， 其计算公式如下：

其中PTU为雷击入户线路因接触电压导致人和动物伤害的概率，依据表B.6，该移动破碎机具有电气绝缘，故PTU值为10-2。

PEB取决于放雷等点位链接以及浪涌保护器所依据的雷电防护等级，依据表B.7，该移动破碎机布置在室外的设备，所以安装了三级浪涌保护器，故PEB值为0.05。

PLD为雷击线路导致内部系统失效的概率，依据表B.8，为移动破碎机提供电源的非屏蔽架空线与设备不在同一等电位连接排连接，故PLD值为1。

CLD取决于线路的屏蔽、接地和隔离条件，与PLD选择时原因一致，故CLD值为1。

LU为对活体伤害导致的损失，其计算公式如下：

在本案例中LU与LA的取值一致，详见LA计算过程。

3.4 RV 值的计算

NL为雷击进入建筑物的线路的年度平均次数， 如前所述。

NDJ为雷击邻近建筑物的年度平均次数，如前所述。

PV为雷击线路导致实体损害的概率，其计算公式如下：

PEB、PLD和CLD的取值，详见PU计算过程。

LV为实体损害导致的损失，其计算公式如下：

综上所诉，可以得到如下R1值：

根据IEC 62305-2：2010 表5， 可承受风险的典型值RT对于人员死亡为1×10-5， 可见经过计算对于该移动破碎机遭雷击致人死亡的风险R1小于可承受风险的典型值RT，所以该移动破碎机可以不采取防雷保护措施。

4 结束语

通过以上分析及计算我们发现，主要影响工业建筑物的雷击风险主要是致人死亡的风险，而在此风险中，主要影响其风险值高低的主要是雷击中建筑物时，由触摸和跨步电压导致的对活体的伤害的风险RA与在建筑内由危险火花所引发的火灾或爆炸，对整个环境可能造成威胁的风险RB，进而可以看出，影响以上两个风险的主要参数为雷击建筑物的年度平均次数ND和建筑物损失率L。 对于一般的没有爆炸风险的混凝土工业建筑， 在没有雷击防护措施情况下，其PA值和LA值基本固定，分别为1 和1×10-4，雷击建筑物的年度平均次数ND对于风险值大小的影响较大， 即雷击大地密度和孤立建筑物的截收面积为主要影响风险值计算结果的参数。 如果这两个参数的乘积大于1×10-1，那么风险值RA计算结果将会超过可承受风险的典型值RT，1×10-5，总的风险值R1也会超过RT值，即，

RA=ND×PA×LA＞1×10-1×1×1×10-4＞1×10-5，RB值亦然。

这时防雷接地措施就必须予以考虑以保证总的风险值R1小于可承受风险的典型值RT。 所以在实际工作中，为了节省时间，可以通过快速计算ND值来评估采取防雷接地措施的必要性。

可见在实际工程中并不是所有的建筑物或构筑物均需要采取雷电防护措施， 其可以通过IEC 62305-2：2010《雷电防护 第2 部分：风险管理》进行计算相关风险以评估确定。这不但为工程建设提供了依据，而且也节省了一部分工程投资避免了浪费。