基于雷电电磁场计算的雷击事故分析

基于雷电电磁场计算的雷击事故分析

高少杰

（中国石油管道局工程有限公司设计分公司河北廊坊065000）

摘要：随着油气管道建设项目地域的不断扩大，站场数量的不断增加，很多站场、阀室位于多雷区或者强雷区，使站场、阀室发生雷击灾害的概率大大增加。其中就有某油气管道站场发生雷击造成了工业电视、火炬控制柜等设备的损坏。本文通过雷电电磁场、感应电压、冲击电流的计算，剖析了雷击事故的原因。

关键词：感应电压；冲击电流；雷电电磁场；雷击事故

1雷电电流

雷电也称为闪电，它是发生于大气中的一种瞬态（1s以内）的、大电流（峰值电流平均高达几十kA）、高电压、高功率（其峰值功率可达1亿kW）、长距离（几十km）的放电现象。

闪电在雷击的过程产生了强大的雷电流（目前观测到的最大雷电电流为430kA）和高电压（雷电通道两端电位差可达上万伏）。

2雷电电磁场的传播

雷电电磁场随着雷电流的变化而变化，随着时间的增长，雷电电磁场有一个峰值，之后逐渐衰减；随着观测距离的增大，雷电电磁的峰值达到观测点的时间变长，峰值也在减小，这就说明雷电电磁场在空间传播过程中有一定的衰减。

3雷击事故

某站场站控室火炬远程点火控制箱中的温显模块被雷击损坏，雷击时可看到控制箱的火花。放空火炬的点火测温器安装于放空火炬顶部，由电缆连接至就地控制箱，经就地控制箱端子转接至远程点火控制箱。现场查验就地控制箱和远程点火控制箱时，发现均未设置浪涌保护器。初步判定雷击时感应过电压超过了设备的耐压造成了模块的损坏。

4磁场强度及屏蔽计算

由于建筑物钢筋结构有多种形式，当具有现浇密网格钢筋的笼式避雷网结构或全钢结构板式外墙板和屋面板的建筑物屏蔽体时，有较满意的屏蔽性能。

所谓屏蔽效能，其定义为同一地点无屏蔽时的电磁场强度与有屏蔽体后的电磁场强度之比，实际中通常用分贝（dB）来标示为：

（1）

SE—屏蔽效能

E0—无屏蔽时电场强度，V/m

E1—有屏蔽后的电场强度，V/m

H0—无屏蔽时的磁场强度，A/m

H1—有屏蔽体后的磁场强度，A/m

当大空间屏蔽体上有门、窗等开孔时，在靠近门、窗孔洞处的屏蔽效果将受影响。

4.1闪电击于建筑物以外附近时的磁场强度

1）当建筑物和房间无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度，也就是相当于处于LPZ0A和LPZ0B区内的磁场强度

H0=i0/（2πSa）（2）

其中：H0—无屏蔽无衰减磁场强度（A/m）

i0—最大雷电流（A）

Sa—雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（m）

2）当建筑物或房间有屏蔽时，在格栅型大空间屏蔽内，也即LPZ1区内的磁场强度

H1=H0/10SF/20（3）

其中H1—格栅形大空间屏蔽内的磁场强度（A/m）

SF—屏蔽系数（dB）；见表1

表1栅格大空间屏蔽的屏蔽系数

4.2感应电压计算

2）格栅型屏蔽建筑物遭直击雷击时，LPZ1区内环路的感应电压：

图1环路中的感应电压和电流

5站场附近雷电数据

根据收集到站场附近的雷电数据，最大的负闪强度为-262.3kA。采用此雷电流参数对站场雷击事故进行分析。

6站场感应电压的定量分析

最大雷击电流为：-262kA

格栅型屏蔽网格宽度为：6m

计算模型如下：

1）采用屏蔽系数公式计算：

2）LPZ0A和LPZ0B区磁场强度

3）LPZ1区磁场强度

4）在闪电直接击在接闪器或屋顶防雷网上的情形

5）雷击发生在建筑物附近时，LPZ1区内产生的感应电压

6）雷击直接击中建筑物时，LPZ1区内产生的感应电压

7）电缆进线处引入的雷电电流

7结语

通过计算可见，当雷击发生在附近时，感应电压为1.85kV；雷击直接击中建筑物时，感应电压高达4.14kV；电源进线处的雷击电流达到了43.6kA，而其放空火炬控制箱却并未安装SPD进行电压和雷电流的抑制，造成雷电流直接侵入设备，设备的耐冲击电压仅为1.5kV，感应电压远高于其设备的耐压，因此造成了该控制柜的击毁。

参考文献：

[1]贡丹丹，智能建筑弱电系统的防雷工程设计研究，规划与设计，2017（9）：94-95

[2]吴昆朋，汽车加油站防雷防静电技术探讨，理论研究，2017（5）：242