于鐵路通信站避雷針架設(shè)問(wèn)題的探討-

關(guān)于鐵路通信站避雷針架設(shè)問(wèn)題的探討廣州雷迅電子[摘要]：本文依據(jù)GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)路中感應(yīng)電壓、電流及能量的計(jì)算公式，通過(guò)對(duì)鐵路通信站不同位置架設(shè)的避雷針在LPZ1區(qū)經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的空間內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算和分析，為鐵路通信站避雷針架設(shè)的問(wèn)題提供了制定依據(jù)。[關(guān)鍵詞]：鐵路通信站避雷針架設(shè)位置磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)路感應(yīng)電壓、電流1、前言我國(guó)進(jìn)入90年代以后，各種通信站相繼進(jìn)行了無(wú)人值守改造，大量控制和保護(hù)設(shè)備改為微機(jī)型，為強(qiáng)化通信的可靠性，一點(diǎn)多址小微波進(jìn)入主控室，大大小小的微波塔與主控室并行而立，出現(xiàn)了幾種避雷針鐵塔的架設(shè)方式，有的在區(qū)域設(shè)立獨(dú)立避雷針，有的在建筑旁邊設(shè)立獨(dú)立避雷針，有的在建筑頂部設(shè)立獨(dú)立避雷針，這些改造往往由不同專業(yè)部門(mén)分別完成，缺乏系統(tǒng)性的雷電防護(hù)合計(jì)，給雷電防護(hù)工作帶來(lái)了一系列問(wèn)題。本文依據(jù)這三種常見(jiàn)的避雷針架設(shè)方式，從雷電電磁脈沖防護(hù)的角度進(jìn)行了一些探討，以便更好的解決這些問(wèn)題。2、主控室〔LPZ1區(qū)〕電磁環(huán)境的分析按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規(guī)范》建立的建筑物模型，我們將主控室〔LPZ1區(qū)〕等效為一個(gè)有5m×5m建筑鋼筋包裹起來(lái)的矩形環(huán)路，依據(jù)雷電電磁脈沖的特性對(duì)以上三種避雷針的架設(shè)方式進(jìn)行分析如下：、建筑物頂部架設(shè)避雷針的狀況如圖2所示，當(dāng)建筑物頂部架設(shè)避雷針鐵塔時(shí)，按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規(guī)范》提供的二類建筑物雷擊參數(shù)，首次雷擊雷電流參數(shù)為：150KA；后續(xù)雷擊雷電流參數(shù)為：；則：LPZ1區(qū)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度為：H1=KH·iO·w/(dw)(A/m)[2-1]H0=i0/〔2·π·Sa〕〔A/m〕[2-2]SF=20·log[〔〕/]〔dB〕[2-3]dS/1=ω·〔m〕[2-4]式中：H0——LPZ0區(qū)空間無(wú)衰減的磁場(chǎng)強(qiáng)度〔A/m〕；H1——LPZ1區(qū)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場(chǎng)強(qiáng)度〔A/m〕；i0——雷電流值〔A〕；Sa——雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離〔m〕；SF——屏蔽系數(shù)〔dB〕；ω——屏蔽網(wǎng)格的寬度〔m〕；dS/1——LPZ1區(qū)內(nèi)空間的安全距離〔m〕；dw——被合計(jì)點(diǎn)距LPZ1區(qū)屏蔽壁的最短距離〔m〕；dl/r——被合計(jì)點(diǎn)距LPZ1區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x〔m〕；圖1建筑物頂部架設(shè)避雷針鐵塔示意圖依據(jù)以上公式計(jì)算得，建筑頂部架設(shè)避雷針，當(dāng)建筑天面的建筑鋼筋網(wǎng)格為5m×5m時(shí)，在建筑物首次雷擊〔25kHz〕的狀況下，位于LPZ1區(qū)空間中心位置的計(jì)算如下：SF=20·log[〔〕/]≈4.6dB；dS/1=ω·≈；H1=KH·iO·w/(dw)≈1899A/m;〔相當(dāng)于〕上式中：W=5m；；dl/r；當(dāng)鐵塔遭雷擊時(shí)，建筑頂層沿鋼筋柱引下線1m布置有導(dǎo)線直徑為16mm2，包裹面積為2m×2m的設(shè)備供電電源時(shí)，其環(huán)路的感應(yīng)電壓和電流計(jì)算如下：·—·(+··[()/(1+)]··[()/(1+)]}·10-6=[2.26-3.2+4.26+4.26]×10-6×10-6H開(kāi)路電壓UOC在波頭時(shí)間T1期間，UOC的最大值UOC/max：UOC/max=μO(píng)·b·ln(1+/)·KH·(w/)·iO/max/T1=2803.9(V)如果忽略導(dǎo)線的歐姆〔最壞狀況〕，短路電流為iSC的最大值iSC/max：iSC/max=μO(píng)·b·ln(1+/)·KH·(w/)·iO/max/L=、建筑物外部架設(shè)獨(dú)立避雷針的狀況如圖3所示，當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔時(shí)，按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規(guī)范》提供的二類建筑物雷擊參數(shù)，首次雷擊雷電流參數(shù)為：150KA；后續(xù)雷擊雷電流參數(shù)為：；依據(jù)本文部分的計(jì)算依據(jù)，我們分別來(lái)討論當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離X為3m；5m；10m；20m；30m時(shí)的狀況。圖2建筑物外部架設(shè)獨(dú)立避雷針鐵塔示意圖a、當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離X為3m時(shí)，依據(jù)二類建筑物滾球半徑R=45m；當(dāng)建筑物位于避雷針保護(hù)范圍以內(nèi)時(shí)，如其接閃點(diǎn)距離建筑物L(fēng)PZ1區(qū)的壁或頂之間的最短距離d按3m計(jì)算，則：LPZ1區(qū)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：H1=H0/10SF/20≈4699A/m;〔相當(dāng)于59Gs〕H1/f/max·if×150KA÷3m=H1/S/max·is×÷3m=首次雷擊〔T1=10μs〕磁場(chǎng)強(qiáng)度H1/f感應(yīng)的電壓和電流分別為：UOC/f/max＝·b·l·H1/f/max≈630ViSC/f/max＝·10-6·b·l·H1/f/max/L≈831A后續(xù)雷擊〔T1μs〕磁場(chǎng)強(qiáng)度H1/S感應(yīng)的電壓和電流為：UOC/S/max＝·b·l·H1/S/max≈6300ViSC/S/max＝·10-6·b·l·H1/S/max/L≈b、同上狀況，當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離X為5m、10m；20m；30m時(shí)如下表：鐵塔與建筑物的距離LPZ1區(qū)空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)首次雷擊感應(yīng)電壓和電流后續(xù)雷擊感應(yīng)電壓和電流H1H1/f/maxH1/S/maxUOC/f/max(V)iSC/f/max(A)UOC/S/max(V)iSC/S/max(A)X=3m469912506308316300X=5m7503783780X=10m37518918906X=20m945X=30m47012563630依據(jù)GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房制定規(guī)范》第條的要求，主機(jī)房?jī)?nèi)的磁場(chǎng)干擾環(huán)境強(qiáng)度不應(yīng)大于800A/m。因此，當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔時(shí)，依據(jù)上述計(jì)算，對(duì)本文3部分所定義的建筑物，鐵塔距離建筑物的距離應(yīng)該大于17.6m。如受周邊環(huán)境的限制，無(wú)法達(dá)到此要求的時(shí)候，從經(jīng)濟(jì)的角度合計(jì)，不如將避雷針鐵塔架設(shè)在建筑物頂部，然后對(duì)建筑物進(jìn)行金屬網(wǎng)格屏蔽。、當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔時(shí)，LPZ1區(qū)內(nèi)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線如下列圖：由此圖可以看出，隨著避雷針距離建筑物的距離的增大，因避雷針接閃而造成的對(duì)建筑物內(nèi)部LPZ1區(qū)內(nèi)經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度、首次雷擊和后續(xù)雷擊的環(huán)路感應(yīng)電壓與電流逐漸降低。當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離小于5米時(shí)，其LPZ1區(qū)內(nèi)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場(chǎng)強(qiáng)度比在建筑物頂部架設(shè)鐵塔時(shí)LPZ1區(qū)內(nèi)空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度還要大，不如架設(shè)在建筑物頂部。依據(jù)GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房制定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)第條的要求，如果建筑物外部需要架設(shè)避雷針鐵塔，則鐵塔距離建筑物的距離不宜小于米。3、建筑物屏蔽網(wǎng)格的選擇依據(jù)GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規(guī)范》第六章：防雷擊電磁脈沖；第三節(jié)：屏蔽、接地和等電位連接的要求中關(guān)于LPZ1區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式，對(duì)建筑物采用電磁屏蔽措施的時(shí)候，按照GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房制定規(guī)范》的要求，主機(jī)房?jī)?nèi)的磁場(chǎng)干擾環(huán)境強(qiáng)度不應(yīng)大于800A/m，即不大于10Gs，關(guān)于無(wú)金屬網(wǎng)格做電磁屏蔽的建筑物，經(jīng)計(jì)算此時(shí)LPZ1區(qū)內(nèi)的安全距離Sa≈3.96m.。顯然，從機(jī)房?jī)?nèi)場(chǎng)地合理利用的角度講這是不經(jīng)濟(jì)的。并且GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房制定規(guī)范》只適用與面積大于140m2的電子計(jì)算機(jī)機(jī)房，關(guān)于面積小于140m2的電子計(jì)算機(jī)機(jī)房〔如移動(dòng)、聯(lián)通、鐵路等的機(jī)站〕這是無(wú)法接受的。因此必需對(duì)建筑物采納金屬網(wǎng)格做電磁屏蔽。那么該如何合理的對(duì)建筑物進(jìn)行電磁屏呢？關(guān)于二類防雷建筑物，當(dāng)建筑物天面使用1m×1m金屬網(wǎng)格做屏蔽時(shí)：SF=20·log[〔〕/]≈17.91dBH1=KH·iO·w/(dw)≈379A/m〔相當(dāng)于〕dS/1=ω·=1.79m這對(duì)面積大于140m2的電子計(jì)算機(jī)機(jī)房是合適的。如假設(shè)機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備無(wú)金屬框架或者機(jī)房的面積較小只有幾十平方米，則需要用更小的金屬網(wǎng)格對(duì)建筑物進(jìn)行屏蔽。關(guān)于二類防雷建筑物，當(dāng)建筑物天面使用0.4m×0.4m金屬網(wǎng)格做屏蔽時(shí)：SF=20·log[〔〕/]=26.55dBH1=KH·iO·w/(dw)≈152A/m〔相當(dāng)于〕dS/1=ω·≈1m此時(shí)的設(shè)備擺放安全距離dS/1約為1m，是最正確屏蔽效果。如此的設(shè)置可大大節(jié)約建筑物機(jī)房?jī)?nèi)的空間使用率，是解決建筑物頂部機(jī)房問(wèn)題的最好方法。6、引下線對(duì)建筑物L(fēng)PZ1區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響依據(jù)本文2部分圖1所示，建筑物頂部通過(guò)建筑物直擊雷防護(hù)裝置接閃時(shí)，按照IEC推舉的雷電流的分布概率，80%的雷電流峰值為30～50KA，我們假設(shè)此時(shí)雷電流參數(shù)為：40KA，假設(shè)此建筑物由10條柱內(nèi)鋼筋組做引下線，則每條柱內(nèi)鋼筋組上所分擔(dān)的雷電流為4KA。則，在LPZ1區(qū)內(nèi)距離引下線小于10Gs，即800A/m的電磁場(chǎng)界面的位置Sa為：Sa=Sa=Sa即設(shè)備在LPZ1擺放時(shí)距離引下線的最小安全距離。同樣狀況，假設(shè)此建筑物不是使用柱內(nèi)鋼筋組做引下線，而是獨(dú)立設(shè)置引下線，假設(shè)引下線有4條，則依據(jù)前述例子，每條柱內(nèi)鋼筋組上所分擔(dān)的雷電流為10KA。則，在LPZ1區(qū)內(nèi)距離引下線小于10Gs，即800A/m的電磁場(chǎng)界面的位置為：Sa=Sa=由此可見(jiàn)，這樣做對(duì)面積較小的電子計(jì)算機(jī)機(jī)房是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)建筑物遭受直擊雷時(shí)，雷電流的95%沿著建筑物的外墻引下線流入地，而在建筑物中間的柱子流過(guò)的電流約為5%；因此，在分析時(shí)我們一般只合計(jì)建筑外層柱內(nèi)鋼筋組的數(shù)量。值得一提的是：選擇建筑物內(nèi)層柱內(nèi)鋼筋組做建筑的電氣接地干線時(shí)，可大大降低雷擊時(shí)在該接地干線上產(chǎn)生過(guò)高的雷擊電壓。綜上所述，關(guān)于鐵路通信站來(lái)說(shuō)，避雷針不宜架設(shè)在建筑物頂部，如因條件限制，需要架設(shè)在建筑物頂部時(shí)，必需用金屬網(wǎng)格做好雷電電磁脈沖的屏蔽工作。關(guān)于面積大于140m2的電子信息設(shè)備機(jī)房，金屬網(wǎng)格的寬度不宜小于1m×1m。對(duì)面積較小只有幾十平方米的電子信息設(shè)備機(jī)房，要達(dá)到有效利用機(jī)房面積的目的，則需使用0.4m×0.4m金屬網(wǎng)格對(duì)建筑物進(jìn)行電磁屏蔽。建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離不宜小于20米，當(dāng)建筑物內(nèi)部有大量電子設(shè)備時(shí)，宜利用金屬網(wǎng)格對(duì)建筑物進(jìn)行電磁屏蔽，網(wǎng)格寬度不宜小于1m×1m。要達(dá)到最正確屏蔽效果，則需使用0.4m×金屬網(wǎng)格對(duì)建筑物進(jìn)行電磁屏蔽。關(guān)于引下線的選擇，宜使用建筑物柱內(nèi)鋼筋組做引下線，而不宜獨(dú)立設(shè)置引下線。4、結(jié)論A、關(guān)于鐵路通信站來(lái)說(shuō)，避雷針不宜架設(shè)在建筑物頂部，如因條件限制，需要架設(shè)在建筑物頂部時(shí)，必需在建筑物天面用金屬網(wǎng)格做好雷電電磁脈沖的屏蔽工作，而不能依靠設(shè)備自身的金屬框架做屏蔽網(wǎng)格進(jìn)行電磁場(chǎng)衰減。在工程制定中不應(yīng)該選擇做為機(jī)房?jī)?nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的制定依據(jù)進(jìn)行屏蔽網(wǎng)格和安全距離的制定，而應(yīng)該按照GB50174-93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房制定規(guī)范》的要求按10Gs做為機(jī)房?jī)?nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的制定依據(jù)進(jìn)行屏蔽網(wǎng)格和安全距離的制定。網(wǎng)格寬度不宜小于1m×1m。要達(dá)到最正確屏蔽效果，則需使用0.4m×金屬網(wǎng)格對(duì)建筑物進(jìn)行電磁屏蔽。B、隨著避雷針距離建筑物的距離的增大，因避雷針接閃而造成的對(duì)建筑物內(nèi)部LPZ1區(qū)內(nèi)經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度、首次雷擊和后續(xù)雷擊的環(huán)路感應(yīng)電壓與電流逐漸降低。通過(guò)計(jì)算，建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離不宜小于20米，當(dāng)建筑物內(nèi)部有大量電子設(shè)備時(shí)，宜利用金屬網(wǎng)格對(duì)建筑物進(jìn)行電磁