于鐵路通信站避雷針架設(shè)問題的探討.doc

1、關(guān)于鐵路通信站避雷針架設(shè)問題的探討廣州雷迅電子摘 要:本文依據(jù)GB 50057-94 2000版?建筑物防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)路中感應(yīng)電壓、 電流及能量的計算公式，通過對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)磁場強度的計算和分析，為鐵路通信站避雷針架設(shè)的問題提供了設(shè)計依據(jù)。關(guān)鍵詞:鐵路通信站避雷針架設(shè)位置磁場強度 環(huán)路感應(yīng)電壓、電流1、前言我國進(jìn)入90年代以后，各種通信站相繼進(jìn)行了無人值守改造，大量控制和保護設(shè)備改為微機型，為加強通信的可靠性，一點多址小微波進(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)立獨立避雷針，有的

2、在建筑旁邊設(shè)立獨立避雷 針，有的在建筑頂部設(shè)立獨立避雷針，這些改造往往由不同專業(yè)部門分別完成，缺乏系統(tǒng)性的 雷電防護考慮，給雷電防護工作帶來了一系列問題。本文根據(jù)這三種常見的避雷針架設(shè)方式， 從雷電電磁脈沖防護的角度進(jìn)行了一些探討，以便更好的解決這些問題。2、主控室LPZ1區(qū)電磁環(huán)境的分析按照GB 50057-94 2000版?建筑物防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?建立的建筑物模型，我們將主控室LPZ1區(qū)等效為一個有5m x 5m建筑鋼筋包裹起來的矩形環(huán)路，依據(jù)雷電電磁脈沖的特性對以上三種避雷針的架設(shè)方式進(jìn)行分析如下：2.1、建筑物頂部架設(shè)避雷針的情況GB 50057-94 2000版?建筑物防雷設(shè)計規(guī)150K

3、A ;后續(xù)雷擊雷電流參數(shù)為：如圖2所示，當(dāng)建筑物頂部架設(shè)避雷針鐵塔時，按照 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:37.5KA ;那么：LPZ1區(qū)的電磁場強度為:l/rHi = Kh io w/(dw)(A/m)2-1H0 = i0/ (2 n Sa)(A/m )2-28.5SF= 20 log()廣118 106/r2(dB)2-3SFds/1= 3 10(m)2-4:H0LPZ0區(qū)空間無衰減的磁場強度A/m );H1LPZ1區(qū)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場強度A/m);i0-雷電流值A(chǔ);Sa -一雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離m);SF -屏敝系數(shù)dB;3屏蔽網(wǎng)格的寬度m;dS/

4、1LPZ1區(qū)內(nèi)空間的平安距離m;式中:m);(m);dw 被考慮點距LPZ1區(qū)屏蔽壁的最短距離 dl/r 被考慮點距LPZ1區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯xi SC/max= pO d l/w) Kh (w/ dl/r ) io/max/L=357.1A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 x 5m時，在建筑物首次雷擊25kHz的情況下，位于LPZ1區(qū)空間中心位置的計算如下：8.5SF = 20 log () / 118 10 /rr4.6 dB ;SFdS/1= 3 10 2.3m;dl /rH1 = Kh io w/(dw)1899A

5、/m;(相當(dāng)于 23.8Gs)上式中：W=5m ; dw=2.5m ; di/r=2.5m ；當(dāng)鐵塔遭雷擊時，建筑頂層沿鋼筋柱引下線1 m布置有導(dǎo)線直徑為16mm2，包裹面積為2m x 2m的設(shè)備供電電源時，其環(huán)路的感應(yīng)電壓和電流計算如下：2bL = 0.8 l b 0.8 (l +b )+0.4 l 丨 n ( r )/(1 +2b+0.4 b 丨 n ( r )/(1 +1 (J2開路電壓Uoc在波頭時間Ti期間,Uoc/max = 2 b ln1+ 1 /d如果忽略導(dǎo)線的歐姆最壞情況b ) 10-6 = 2.26 -3.2 +4.26+4.26 x 10-6 =7.58 x 10-6 H

6、Uoc的最大值U OC/max :l/r- dl /r) Kh (w/) io/max/T1 = 2803.9(V)，短路電流為isc的最大值iSC/max：2.2、建筑物外部架設(shè)獨立避雷針的情況如圖3所示，當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔時，按照GB 50057-94 (2000版)?建筑物防雷設(shè)計規(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：37.5KA ；依據(jù)本文2.1局部的計算依據(jù)，我們分別來討論當(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時的情況。圖2建筑物外部架設(shè)獨立避雷針鐵塔示意圖a、當(dāng)建筑物

7、外部架設(shè)避雷針鐵塔距離建筑物的距離X為3m時，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范圍以內(nèi)時，如其接閃點距離建筑物L(fēng)PZ1區(qū)的壁或頂之間的最短距離d按3m計算，那么:LPZ1區(qū)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場強度為：Hi = H0/10sf/204699 A/m;(相當(dāng)于 59Gs)Hi/f/max =0.025 i f/d=0.025 X 150KA 十 3 m=1250 A/mH1/ s/max=0.025 i s/d=0.025 X 37.50KA - 3 m=312.5 A/m首次雷擊(T 1=10 gs)磁場強度Hf感應(yīng)的電壓和電流分別為：Uoc/f/max = 0.

8、126 b l H 1/ f/max 630Vi SC/f/max=1.26 10-6 b l H1/ f/max/L 831A后續(xù)雷擊(T1=0.25 e)磁場強度H1/S感應(yīng)的電壓和電流為：UOC/S/max = 5.04 b l HS/max 疋 6300Vi SC/S/max =1.26 10- 6 b l Hs/max/L 207.8Ab、同上情況，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時如下表：鐵塔與建筑 物的距離LPZ1區(qū)空間的磁場強度(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/maxH 1/ S/maxU OC/

9、f/max (V)i SC/f/max (A)U OC/S/max (V)i SC/S/max (A)X= 3m46991250312.56308316300207.8X= 5m2819.4750187.5378498.63780124.7X= 10m1409.737593.75189249.3189062.3X= 20m704.8187.546.8894.5124.794531.2X= 30m47012531.256383.163020.8依據(jù)GB 50174-93?電子計算機機房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?第3.2.3條的要求，主機房內(nèi)的磁場干擾環(huán)境強度不應(yīng)大于800 A/m。因此，當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵

10、塔時，依據(jù)上述計算，對本文3局部所定義的建筑物，鐵塔距離建筑物的距離應(yīng)該大于17.6 m。如受周邊環(huán)境的限制，無法到達(dá)此要求的時候，從經(jīng)濟的角度考慮，不如將避雷針鐵塔架設(shè)在建筑物頂部，然后對建筑物進(jìn)行金屬網(wǎng) 格屏蔽。2.3、當(dāng)建筑物外部架設(shè)避雷針鐵塔時,圖：LPZ1區(qū)內(nèi)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場強度曲線如下由此圖可以看出，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強度、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，其LPZ1區(qū)內(nèi)空間經(jīng)屏蔽網(wǎng)格衰減后的磁場強度比在建筑物頂部架設(shè)

11、鐵塔時LPZ1區(qū)內(nèi)空間的磁場強度還要大，不如架設(shè)在建筑物頂部。依據(jù)GB 50174-93?電子計算機機房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)? 避雷針鐵塔，那么鐵塔距離建筑物的距離不宜小于標(biāo)準(zhǔn)第3.2.3條的要求，如果建筑物外部需要架設(shè)17.6 米。3、建筑物屏蔽網(wǎng)格的選擇依據(jù)GB 50057-94 2000版?建筑物防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?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)電磁場強度的計算公式，對建筑物采取電磁屏蔽措施的時候，按照GB 50174-93?電子計算機機房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?的要求，主機房內(nèi)的磁場干擾環(huán)境強度 不應(yīng)大于800 A/m，即不大于10Gs,對于無金屬網(wǎng)格做電磁屏蔽的建筑

12、物，經(jīng)計算此時LPZ1區(qū)內(nèi)的平安距離Sa- 3.96 m.。顯然，從機房內(nèi)場地合理利用的角度講這是不經(jīng)濟的。并且GB50174-93?電子計算機機房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?只適用與面積大于140 m2的電子計算機機房，對于面積小于140 m2的電子計算機機房如移動、聯(lián)通、鐵路等的機站這是無法接受的。因此必須對 建筑物采用金屬網(wǎng)格做電磁屏蔽。那么該如何合理的對建筑物進(jìn)行電磁屏呢？對于二類防雷建筑物，當(dāng)建筑物天面使用1m x 1m金屬網(wǎng)格做屏蔽時:8.5-17.91 dBSF = 20 log () / 118 10 /rHi = K h io w/(dw dl/r )379 A/m (相當(dāng)于 4.8Gs)SF

13、ds/1= 3 10=1.79 m這對面積大于140 m2的電子計算機機房是適宜的。如假設(shè)機房內(nèi)的設(shè)備無金屬框架或者機房的面 積較小只有幾十平方米，那么需要用更小的金屬網(wǎng)格對建筑物進(jìn)行屏蔽。對于二類防雷建筑物，當(dāng)建筑物天面使用0.4 m X 0.4 m金屬網(wǎng)格做屏蔽時:8.5l / r)152 A/m (相當(dāng)于 1.9Gs)SF = 20 log () / 118 106/=26.55 dBH1 = K h iO w/(dwSFds/1= 3 10 心 1 m此時的設(shè)備擺放平安距離 ds/1約為1m,是最正確屏蔽效果。如此的設(shè)置可大大節(jié)約建筑物機房內(nèi) 的空間使用率，是解決建筑物頂部機房問題的最

14、好方法。6、引下線對建筑物L(fēng)PZ1區(qū)內(nèi)電磁場強度的影響依據(jù)本文2局部圖1所示，建筑物頂部通過建筑物直擊雷防護裝置接閃時，按照IEC推薦的雷電流的分布概率，80%的雷電流峰值為3050KA，我們假設(shè)此時雷電流參數(shù)為：40KA，假設(shè)此建筑物由10條柱內(nèi)鋼筋組做引下線，那么每條柱內(nèi)鋼筋組上所分擔(dān)的雷電流為4KA。那么，在LPZ1區(qū)內(nèi)Sa為:距離引下線小于10Gs,即卩800 A/m的電磁場界面的位置730.8mu 丄 4104 10Sa=2 B 210 10 4I 4 103 0.8mSa=2 H 2800Sa即設(shè)備在LPZ1擺放時距離引下線的最小平安距離。同樣情況，假設(shè)此建筑物不是使用柱內(nèi)鋼筋組做

15、引下線，而是獨立設(shè)置引下線，假設(shè)引下線有4條，那么依據(jù)前述例子，每條柱內(nèi)鋼筋組上所分擔(dān)的雷電流為10KA。那么，在LPZ1區(qū)內(nèi)距離引下線小于10Gs,即卩800 A/m的電磁場界面的位置為：UoSa= 2II 410 710 1034 2mB210 1010 103 -2mSa=2 H 由此可見,2 800這樣做對面積較小的電子計算機機房是不經(jīng)濟的。當(dāng)建筑物遭受直擊雷時，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的電流約為5%;因此，在分析時我們一般只考慮建筑外層柱內(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，可大大降低雷擊時在該接地

16、干線 上產(chǎn)生過高的雷擊電壓。綜上所述，對于鐵路通信站來說，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，必須用金屬網(wǎng)格做好雷電電磁脈沖的屏蔽工作。對于面積大于140 m2的電子信息設(shè)備機房，金屬網(wǎng)格的寬度不宜小于 1mx 1m。對面積較小只有幾十平方米的電子信息設(shè)備機 房，要到達(dá)有效利用機房面積的目的，那么需使用0.4 m X 0.4 m金屬網(wǎng)格對建筑物進(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，宜利用金屬網(wǎng)格對建筑物進(jìn)行電磁屏蔽，網(wǎng)格寬度不宜小于1mX 1m。要到達(dá)最正確屏蔽效果， 那么需使用0.4 mx 0.4m金

17、屬網(wǎng)格對建筑物進(jìn)行電磁屏蔽。對于引下線的選擇，宜使用建筑物柱內(nèi)鋼 筋組做引下線，而不宜獨立設(shè)置引下線。4、結(jié)論A、對于鐵路通信站來說，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，必須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)行電磁場衰減。在工程設(shè)計中不應(yīng)該選擇 2.4GS做為機房內(nèi)電磁場強度的設(shè)計依據(jù)進(jìn)行屏蔽網(wǎng)格和平安距離的設(shè)計，而應(yīng)該按照GB 50174-93?電子計算機機房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?的要求按10GS做為機房內(nèi)電磁場強度的設(shè)計依據(jù)進(jìn)行屏蔽網(wǎng)格和平安距離的設(shè)計。網(wǎng)格寬度不 宜小于1mX 1m。要到達(dá)最正確屏蔽效果，那么需使用0.4 mx 0.4m金屬網(wǎng)格對建筑物進(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強度、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 計算，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