大沙河收費(fèi)站雷擊事故分析報(bào)告
作者: 羅佳俊 時(shí)間: 2008-07-01
本文章共4733字


一、概述：
2008年6月25日13點(diǎn)15分左右，據(jù)監(jiān)控機(jī)房工作人員介紹，大沙河收費(fèi)站院區(qū)附近20米范圍內(nèi)雷閃不斷，造成監(jiān)視器瞬間黑屏，幾秒鐘后回復(fù)正常；雷電過(guò)后，電話(huà)交換機(jī)損壞，票務(wù)室收費(fèi)計(jì)算機(jī)主機(jī)網(wǎng)卡損壞，站長(zhǎng)室電話(huà)保密盒損壞；配電線(xiàn)路跳閘。院區(qū)外面有一棵樹(shù)被劈3米多長(zhǎng)，地面有破碎的木屑。
二、雷電基本理論
閃電分為云閃和地閃兩類(lèi)，地閃又分為正地閃和負(fù)地閃兩種，正地閃的發(fā)生概率僅占全部地閃的10%～15%左右，負(fù)地閃的發(fā)生概率約為85%～90%，但是正地閃的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)地閃，大部分雷電流集中在20KA—100KA之間，低于20KA和高于100KA的雷電較少，從大沙河收費(fèi)站被雷擊中的樹(shù)木情況分析，在院區(qū)周?chē)陌l(fā)生的閃電中，有正地閃出現(xiàn)，根據(jù)破壞程度分析，此次正地閃的強(qiáng)度在100KA以上，所以破壞力極強(qiáng)。
雷擊造成的破壞途徑有三個(gè)，一是直擊雷，二是感應(yīng)雷，三是雷電波侵入。
直擊雷：指雷雨云對(duì)大地和建筑物放電的現(xiàn)象。它以強(qiáng)大的沖擊電流、熾熱的溫度、猛烈的沖擊波以及強(qiáng)烈的電磁輻射損壞放電通道，直接擊在建筑物構(gòu)架上和人員身上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等而造成建筑物等損壞以及人員傷亡。一般建筑物的防雷保護(hù)措施是在屋頂安裝避雷帶或者避雷針，并做好相應(yīng)的接地措施。
感應(yīng)雷：在雷云之間放電或雷云對(duì)地放電時(shí)，在附近的戶(hù)外傳輸信號(hào)線(xiàn)路、埋地電力線(xiàn)、設(shè)備間連線(xiàn)上產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線(xiàn)路中間或終端的電子設(shè)備遭到損壞。
雷電波侵入：遠(yuǎn)方落雷以電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)等方式通過(guò)高壓輸電線(xiàn)路、低壓電源線(xiàn)路、通信線(xiàn)以及金屬管道等途徑侵入建筑物，通過(guò)電阻耦合、電容耦合、電感耦合等途徑破壞建筑物內(nèi)的電子信息設(shè)備。
三、事故原因分析
1、大沙河收費(fèi)站辦公樓已經(jīng)安裝避雷帶，且接地阻值符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.2條相關(guān)規(guī)定。因此，建筑物本身已經(jīng)具備直擊雷防護(hù)功能。
2、閃電時(shí)發(fā)生總配電室、UPS機(jī)房斷路器跳閘。現(xiàn)場(chǎng)情況為：電涌保護(hù)器工作狀態(tài)正常，從而判斷此次跳閘不是由電涌保護(hù)器沒(méi)有動(dòng)作造成的。去年（2007年）施工時(shí)，據(jù)該站電工介紹，除雷雨電氣外，平時(shí)各收費(fèi)站跳閘現(xiàn)象也是經(jīng)常性的，也就是說(shuō)跳閘事件非常頻繁。
跳閘情況一般有三種原因：1、過(guò)電壓（電流）2、漏電流過(guò)大3、短路。
A、 現(xiàn)在，室內(nèi)配電線(xiàn)路上已經(jīng)安裝電源電涌保護(hù)器，所以，有過(guò)電壓時(shí)，電涌保護(hù)器會(huì)動(dòng)作，將過(guò)電流直接泄入大地，避免電路開(kāi)關(guān)因過(guò)電壓、過(guò)電流跳閘。排除線(xiàn)路上有過(guò)電壓過(guò)電流的可能。
B、 跳閘后，手動(dòng)合上，配電線(xiàn)路正常工作，如果某點(diǎn)發(fā)生短路故障，斷路器將無(wú)法合上，所以排除線(xiàn)路某點(diǎn)的短路可能性。
C、 排除掉以上兩種情況后分析，頻繁的跳閘現(xiàn)象是由短路流造成的。該收費(fèi)站的電源線(xiàn)路由三相高壓線(xiàn)路架空引入變壓器，降為低壓后引入配電室。變壓器高壓側(cè)裝有氧化鋅浪涌保護(hù)器，架空電源線(xiàn)路無(wú)避雷線(xiàn)保護(hù)。
架空電源線(xiàn)路防雷有四項(xiàng)基本原則：1.盡量使導(dǎo)線(xiàn)不受雷擊；2.雷擊之后盡量使絕緣不閃絡(luò)；3.閃絡(luò)之后盡量不建立穩(wěn)定的工頻電弧；4.工頻電弧建立之后盡量不跳閘。再把這四項(xiàng)基本原則濃縮一下，即歸根結(jié)底就是一句話(huà)：雷擊最好不要跳閘，這就是架空導(dǎo)線(xiàn)防雷的根本目的。

由于架空線(xiàn)路不是每個(gè)電桿都安裝有浪涌保護(hù)器，且電源線(xiàn)路上沒(méi)有加裝避雷線(xiàn)作為架空線(xiàn)路的直擊雷防護(hù)措施， 它們的絕緣通常只有三個(gè)盤(pán)型絕緣子或更小，即這些線(xiàn)路的絕緣電氣強(qiáng)度很低，實(shí)際上任何一次雷擊架空線(xiàn)路都可以引起線(xiàn)路的閃絡(luò)，所以線(xiàn)路上加了浪涌保護(hù)器也無(wú)用，因?yàn)樽陨項(xiàng)l件太差了。所以我國(guó) 35千伏及以下的送電線(xiàn)路，一般不沿全線(xiàn)裝設(shè)避雷線(xiàn)。既然第一道防線(xiàn)被攻破了，那么我們實(shí)施第二道防線(xiàn)（雷擊在線(xiàn)路上時(shí)很容易產(chǎn)生閃絡(luò)電壓，電力系統(tǒng)的電壓為工頻電壓，雷電的變化速度很快，所以稱(chēng)為沖擊電壓。沖擊電壓有正有負(fù)，所以有正極性沖擊電壓和負(fù)極性沖擊電壓之說(shuō)，雷電流絕大多數(shù)屬于負(fù)極性沖擊電壓，線(xiàn)路的絕緣閃絡(luò)就是與絕緣子表面相接觸的空氣放電了），雷擊到線(xiàn)路上發(fā)生閃絡(luò)擊穿后，電網(wǎng)的工頻電流將沿著閃絡(luò)路徑流過(guò)，這是接地的短路電流，如果此電流的電弧穩(wěn)定燃燒，則將發(fā)生線(xiàn)路的跳閘．因此這次跳閘事故很可能是由絕緣閃絡(luò)電壓引起的短路造成的。
3、雷電電磁脈沖（LEMP）是打雷時(shí)產(chǎn)生的作為干擾源的強(qiáng)大電流及其電磁場(chǎng)。它的感應(yīng)范圍很大，對(duì)建筑物、人身和各種電氣設(shè)備及管線(xiàn)都會(huì)有不同程度的危害。建筑物內(nèi)的雷電電磁脈沖干擾指以下三種情況：
1) 天空中雷電波的電磁敷設(shè)對(duì)建筑物內(nèi)電力線(xiàn)路、信號(hào)線(xiàn)路和電子設(shè)備的干擾。
2) 建筑物的防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流對(duì)建筑物內(nèi)的電力線(xiàn)路、信號(hào)線(xiàn)路和電子設(shè)備的干擾。
3) 外部各種強(qiáng)、弱電架空線(xiàn)路或電纜線(xiàn)路傳來(lái)的電磁波對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。
現(xiàn)代電子技術(shù)日益向高精度、高靈敏度、高頻率和高可靠性方向發(fā)展。這些電子設(shè)備非常靈敏，但耐壓很低，一般電子設(shè)備都承受不了±5V的電壓波動(dòng)。
1971年美國(guó)通用研究公司R.D希爾的仿真試驗(yàn)通過(guò)建立模式得出：由于雷擊電磁脈沖的干擾，對(duì)當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)而言，在無(wú)屏蔽狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.07GS（5.57A/m）時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作；當(dāng)環(huán)境磁感應(yīng)強(qiáng)度大于2.4GS（191A/m）時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)生永久性損壞。


以大沙河收費(fèi)站區(qū)外雷擊樹(shù)的那一點(diǎn)為落雷點(diǎn)，計(jì)算辦公樓屋頂附近的電磁強(qiáng)度和監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)的電磁強(qiáng)度。
LPZ0區(qū)（直擊雷防護(hù)區(qū)或非防護(hù)區(qū)）——閃擊于格柵形大空間屏蔽以外的情況下，當(dāng)無(wú)屏蔽時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度H0應(yīng)按下式計(jì)算：
H0=i0/（2·π·Sa） （A/m）
式中i0——雷電流（A），按三類(lèi)防雷建筑首次雷擊的參數(shù)選擇為100KA。
Sa——雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離，取30米。
經(jīng)過(guò)計(jì)算，H0=530.8A/m（6.7GS） （1—1）
LPZ1區(qū)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度為：


H1 = H0/10SF/20 (A/m)
SF= 20·log[（ ）/ ] （dB）

式中：
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）；
SF ——屏蔽系數(shù)（dB）；
W——格柵形屏蔽網(wǎng)格的寬度
R——格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑；
經(jīng)過(guò)計(jì)算：H1=54 A/m（0.68GS） （1—2）
通過(guò)以上公式計(jì)算得知，在2008年6月25日13點(diǎn)15分左右發(fā)生閃電的瞬間，雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，會(huì)對(duì)無(wú)屏蔽的信息設(shè)備產(chǎn)生永久性損壞（此時(shí)無(wú)屏蔽的電磁強(qiáng)度為6.7GS），對(duì)有屏蔽、但屏蔽一般的信息設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作(此時(shí)的電磁強(qiáng)度為0.68GS)。大沙河收費(fèi)站監(jiān)控機(jī)房的顯示器機(jī)柜后蓋敞開(kāi)，但整體機(jī)柜接地，且顯示器輸入端安裝有信號(hào)浪涌保護(hù)器。經(jīng)計(jì)算，2008年6月25日13點(diǎn)15分左右閃電產(chǎn)生的雷電電磁強(qiáng)度為0.68GS，大于《計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-93第3.2.3條主機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)不應(yīng)大于800A/m（0.07GS）的規(guī)定，于是設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致顯示器短時(shí)黑屏，閃電過(guò)后恢復(fù)正常。因此，在現(xiàn)有屏蔽狀況條件下，產(chǎn)生顯示器短時(shí)黑屏的現(xiàn)象是比較正常的，如果沒(méi)有接地和安裝浪涌保護(hù)器的話(huà)，根據(jù)計(jì)算得出，此時(shí)的電磁強(qiáng)度為6.7GS，大于2.4GS，設(shè)備會(huì)發(fā)生永久性的損壞。
4、進(jìn)入票務(wù)室的五類(lèi)網(wǎng)絡(luò)雙絞線(xiàn)和進(jìn)入站長(zhǎng)室、監(jiān)控機(jī)房電話(huà)交換機(jī)的電話(huà)雙絞線(xiàn)均由屋面架空引入（電話(huà)雙絞線(xiàn)均沒(méi)有安裝相應(yīng)的防浪涌裝置，票務(wù)室的計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡處安裝有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器）如圖：
線(xiàn)路架空引入室內(nèi)這種情況是絕對(duì)不允許的。架空引入或與避雷帶平行敷設(shè)的線(xiàn)纜在閃電時(shí)，強(qiáng)大的瞬變磁場(chǎng)會(huì)在線(xiàn)纜上感生出極大的過(guò)電壓過(guò)電流，或著是線(xiàn)纜被直擊雷擊中時(shí)，雷電波會(huì)沿著線(xiàn)纜侵入到終端設(shè)備，從而對(duì)設(shè)備造成損壞。
格柵形屏蔽建筑物附近遭受雷擊時(shí)在LPZ1區(qū)內(nèi)，無(wú)屏蔽的線(xiàn)路構(gòu)成的環(huán)路，其開(kāi)路最大感應(yīng)電壓Uoc/max=μo·b·l·H1/max/T1(V)
μo——真空的磁導(dǎo)系數(shù)，其值等于4π·10-7[V·s/(A·m)]
b——環(huán)路的寬（m）
l——環(huán)路的長(zhǎng)（m）
H1/max——LPZ1區(qū)內(nèi)最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）
T1——雷電流的波頭時(shí)間（s）
經(jīng)過(guò)計(jì)算，Uoc/max=1598V 其中，b-4m l-6m H1/max-530 A/m T1-10μs
從上述計(jì)算可以看出，當(dāng)建筑物頂部直擊雷防護(hù)裝置接閃時(shí)，其機(jī)房?jī)?nèi)部（LPZ1區(qū)）電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)及其相應(yīng)的接地線(xiàn)所包裹的環(huán)路中的開(kāi)路電壓UOC是非常大的，足以造成設(shè)備的損壞。進(jìn)入大沙河收費(fèi)站票務(wù)室的網(wǎng)線(xiàn)和進(jìn)入監(jiān)控機(jī)房、站長(zhǎng)室的電話(huà)線(xiàn)構(gòu)成的環(huán)路電壓最大值UOC/max為1598V，遠(yuǎn)高于電子信息設(shè)備（I類(lèi)設(shè)備）的1500V的耐壓。所以造成電話(huà)交換機(jī)、票務(wù)室計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡、站長(zhǎng)室電話(huà)保密器損壞，由于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器的額定電壓只有12V，所以安裝在網(wǎng)卡前的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器也可能由于持續(xù)過(guò)大的電壓損壞或者由于持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有一部分電流沒(méi)有從浪涌保護(hù)器泄放掉，從而侵入網(wǎng)卡，造成網(wǎng)卡損壞。實(shí)際當(dāng)中的線(xiàn)路走向要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在計(jì)算所用的數(shù)值。所以信號(hào)、電源線(xiàn)路一定要埋地并穿金屬管進(jìn)入室內(nèi)，這樣才能保證設(shè)備在雷雨天氣時(shí)避免遭受雷電的干擾而損壞。




四、結(jié)論
通過(guò)上述分析，該次雷擊事故的重點(diǎn)在于電話(huà)交換機(jī)，站長(zhǎng)室電話(huà)保密器和票務(wù)室計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡損壞。由于在去年的防雷改造中，辦公樓已安裝避雷帶，監(jiān)控機(jī)房安裝了視頻信號(hào)電涌保護(hù)器，并且在機(jī)房?jī)?nèi)部做了等電位連接，所以在該次雷擊中，建筑物本身沒(méi)有遭受到雷擊的破壞，而監(jiān)控機(jī)房的顯示器只是出現(xiàn)了短時(shí)的黑屏，如果沒(méi)有上述防雷改造的話(huà)，此次雷擊造成的后果就不看設(shè)想了。
關(guān)于電話(huà)交換機(jī)和站長(zhǎng)室電話(huà)保密器的損壞是在情理之中的。這兩條線(xiàn)路均為架空引入，與屋頂避雷帶纏繞或平行敷設(shè)，且沒(méi)有加裝相應(yīng)的電話(huà)信號(hào)浪涌保護(hù)器，所以在6月25日13點(diǎn)15分左右的強(qiáng)雷暴天氣中造成損壞。
票務(wù)室計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡前端安裝有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器，但是網(wǎng)卡損壞（甲方介紹），由于網(wǎng)線(xiàn)位于LPZO區(qū)，可直接遭受直擊雷擊，所以，由于頻繁的雷閃，造成較大的過(guò)電壓，將浪涌保護(hù)器損壞，雷電流直接侵入網(wǎng)卡，從而將網(wǎng)卡損壞；還有一種可能是雷電流持續(xù)過(guò)長(zhǎng)，有一部分雷電流沒(méi)有被泄放掉，而侵入網(wǎng)卡，導(dǎo)致網(wǎng)卡最終損壞。具體情況，待取回原有浪涌保護(hù)器，用專(zhuān)業(yè)儀器測(cè)試后給出定論。
因此，防雷必須采取內(nèi)部和外部想結(jié)合的措施，綜合屏蔽、接地、等電位、合理布線(xiàn)、安裝浪涌保護(hù)器等措施進(jìn)行全面的防護(hù)。大沙河收費(fèi)站辦公樓天面，信號(hào)線(xiàn)與避雷帶纏繞、且無(wú)采取屏蔽措施，是造成這次雷擊事故的最主要的原因。這就要求在雷電防護(hù)工作中，甲方要積極配合，將屋面纏繞的線(xiàn)纜全部埋地穿管引入室內(nèi)，并在設(shè)備前端加裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，只有這樣在能防患于未然。