大沙河收費站雷擊事故分析報告
作者: 羅佳俊 時間: 2008-07-01
本文章共4733字


一、概述：
2008年6月25日13點15分左右，據監控機房工作人員介紹，大沙河收費站院區附近20米范圍內雷閃不斷，造成監視器瞬間黑屏，幾秒鐘后回復正常；雷電過后，電話交換機損壞，票務室收費計算機主機網卡損壞，站長室電話保密盒損壞；配電線路跳閘。院區外面有一棵樹被劈3米多長，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，地閃又分為正地閃和負地閃兩種，正地閃的發生概率僅占全部地閃的10%～15%左右，負地閃的發生概率約為85%～90%，但是正地閃的能量遠遠大于負地閃，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，從大沙河收費站被雷擊中的樹木情況分析，在院區周圍的發生的閃電中，有正地閃出現，根據破壞程度分析，此次正地閃的強度在100KA以上，所以破壞力極強。
雷擊造成的破壞途徑有三個，一是直擊雷，二是感應雷，三是雷電波侵入。
直擊雷：指雷雨云對大地和建筑物放電的現象。它以強大的沖擊電流、熾熱的溫度、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射損壞放電通道，直接擊在建筑物構架上和人員身上，因電效應、熱效應和機械效應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措施是在屋頂安裝避雷帶或者避雷針，并做好相應的接地措施。
感應雷：在雷云之間放電或雷云對地放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連線上產生電磁感應并侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損壞。
雷電波侵入：遠方落雷以電磁感應和靜電感應等方式通過高壓輸電線路、低壓電源線路、通信線以及金屬管道等途徑侵入建筑物，通過電阻耦合、電容耦合、電感耦合等途徑破壞建筑物內的電子信息設備。
三、事故原因分析
1、大沙河收費站辦公樓已經安裝避雷帶，且接地阻值符合《建筑物防雷設計規范》第3.4.2條相關規定。因此，建筑物本身已經具備直擊雷防護功能。
2、閃電時發生總配電室、UPS機房斷路器跳閘。現場情況為：電涌保護器工作狀態正常，從而判斷此次跳閘不是由電涌保護器沒有動作造成的。去年（2007年）施工時，據該站電工介紹，除雷雨電氣外，平時各收費站跳閘現象也是經常性的，也就是說跳閘事件非常頻繁。
跳閘情況一般有三種原因：1、過電壓（電流）2、漏電流過大3、短路。
A、 現在，室內配電線路上已經安裝電源電涌保護器，所以，有過電壓時，電涌保護器會動作，將過電流直接泄入大地，避免電路開關因過電壓、過電流跳閘。排除線路上有過電壓過電流的可能。
B、 跳閘后，手動合上，配電線路正常工作，如果某點發生短路故障，斷路器將無法合上，所以排除線路某點的短路可能性。
C、 排除掉以上兩種情況后分析，頻繁的跳閘現象是由短路流造成的。該收費站的電源線路由三相高壓線路架空引入變壓器，降為低壓后引入配電室。變壓器高壓側裝有氧化鋅浪涌保護器，架空電源線路無避雷線保護。
架空電源線路防雷有四項基本原則：1.盡量使導線不受雷擊；2.雷擊之后盡量使絕緣不閃絡；3.閃絡之后盡量不建立穩定的工頻電弧；4.工頻電弧建立之后盡量不跳閘。再把這四項基本原則濃縮一下，即歸根結底就是一句話：雷擊最好不要跳閘，這就是架空導線防雷的根本目的。

由于架空線路不是每個電桿都安裝有浪涌保護器，且電源線路上沒有加裝避雷線作為架空線路的直擊雷防護措施， 它們的絕緣通常只有三個盤型絕緣子或更小，即這些線路的絕緣電氣強度很低，實際上任何一次雷擊架空線路都可以引起線路的閃絡，所以線路上加了浪涌保護器也無用，因為自身條件太差了。所以我國 35千伏及以下的送電線路，一般不沿全線裝設避雷線。既然第一道防線被攻破了，那么我們實施第二道防線（雷擊在線路上時很容易產生閃絡電壓，電力系統的電壓為工頻電壓，雷電的變化速度很快，所以稱為沖擊電壓。沖擊電壓有正有負，所以有正極性沖擊電壓和負極性沖擊電壓之說，雷電流絕大多數屬于負極性沖擊電壓，線路的絕緣閃絡就是與絕緣子表面相接觸的空氣放電了），雷擊到線路上發生閃絡擊穿后，電網的工頻電流將沿著閃絡路徑流過，這是接地的短路電流，如果此電流的電弧穩定燃燒，則將發生線路的跳閘．因此這次跳閘事故很可能是由絕緣閃絡電壓引起的短路造成的。
3、雷電電磁脈沖（LEMP）是打雷時產生的作為干擾源的強大電流及其電磁場。它的感應范圍很大，對建筑物、人身和各種電氣設備及管線都會有不同程度的危害。建筑物內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對建筑物內電力線路、信號線路和電子設備的干擾。
2) 建筑物的防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對建筑物內的電力線路、信號線路和電子設備的干擾。
3) 外部各種強、弱電架空線路或電纜線路傳來的電磁波對建筑物內電子設備的干擾。
現代電子技術日益向高精度、高靈敏度、高頻率和高可靠性方向發展。這些電子設備非常靈敏，但耐壓很低，一般電子設備都承受不了±5V的電壓波動。
1971年美國通用研究公司R.D希爾的仿真試驗通過建立模式得出：由于雷擊電磁脈沖的干擾，對當時的計算機而言，在無屏蔽狀態下，當環境磁感應強度大于0.07GS（5.57A/m）時，計算機會發生誤動作；當環境磁感應強度大于2.4GS（191A/m）時，設備會發生永久性損壞。


以大沙河收費站區外雷擊樹的那一點為落雷點，計算辦公樓屋頂附近的電磁強度和監控機房內的電磁強度。
LPZ0區（直擊雷防護區或非防護區）——閃擊于格柵形大空間屏蔽以外的情況下，當無屏蔽時所產生的無衰減磁場強度H0應按下式計算：
H0=i0/（2·π·Sa） （A/m）
式中i0——雷電流（A），按三類防雷建筑首次雷擊的參數選擇為100KA。
Sa——雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離，取30米。
經過計算，H0=530.8A/m（6.7GS） （1—1）
LPZ1區的電磁場強度為：


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

式中：
H1 ——LPZ1區空間經屏蔽網格衰減后的磁場強度（A/m）；
i0 ——雷電流值（A）；
SF ——屏蔽系數（dB）；
W——格柵形屏蔽網格的寬度
R——格柵形屏蔽網格導體的半徑；
經過計算：H1=54 A/m（0.68GS） （1—2）
通過以上公式計算得知，在2008年6月25日13點15分左右發生閃電的瞬間，雷電產生的雷電電磁脈沖，會對無屏蔽的信息設備產生永久性損壞（此時無屏蔽的電磁強度為6.7GS），對有屏蔽、但屏蔽一般的信息設備發生誤動作(此時的電磁強度為0.68GS)。大沙河收費站監控機房的顯示器機柜后蓋敞開，但整體機柜接地，且顯示器輸入端安裝有信號浪涌保護器。經計算，2008年6月25日13點15分左右閃電產生的雷電電磁強度為0.68GS，大于《計算機機房設計規范》GB50174-93第3.2.3條主機房內磁場干擾環境場強不應大于800A/m（0.07GS）的規定，于是設備產生誤動作，導致顯示器短時黑屏，閃電過后恢復正常。因此，在現有屏蔽狀況條件下，產生顯示器短時黑屏的現象是比較正常的，如果沒有接地和安裝浪涌保護器的話，根據計算得出，此時的電磁強度為6.7GS，大于2.4GS，設備會發生永久性的損壞。
4、進入票務室的五類網絡雙絞線和進入站長室、監控機房電話交換機的電話雙絞線均由屋面架空引入（電話雙絞線均沒有安裝相應的防浪涌裝置，票務室的計算機網卡處安裝有網絡信號浪涌保護器）如圖：
線路架空引入室內這種情況是絕對不允許的。架空引入或與避雷帶平行敷設的線纜在閃電時，強大的瞬變磁場會在線纜上感生出極大的過電壓過電流，或著是線纜被直擊雷擊中時，雷電波會沿著線纜侵入到終端設備，從而對設備造成損壞。
格柵形屏蔽建筑物附近遭受雷擊時在LPZ1區內，無屏蔽的線路構成的環路，其開路最大感應電壓Uoc/max=μo·b·l·H1/max/T1(V)
μo——真空的磁導系數，其值等于4π·10-7[V·s/(A·m)]
b——環路的寬（m）
l——環路的長（m）
H1/max——LPZ1區內最大的磁場強度（A/m）
T1——雷電流的波頭時間（s）
經過計算，Uoc/max=1598V 其中，b-4m l-6m H1/max-530 A/m T1-10μs
從上述計算可以看出，當建筑物頂部直擊雷防護裝置接閃時，其機房內部（LPZ1區）電源線、信號線及其相應的接地線所包裹的環路中的開路電壓UOC是非常大的，足以造成設備的損壞。進入大沙河收費站票務室的網線和進入監控機房、站長室的電話線構成的環路電壓最大值UOC/max為1598V，遠高于電子信息設備（I類設備）的1500V的耐壓。所以造成電話交換機、票務室計算機網卡、站長室電話保密器損壞，由于網絡信號浪涌保護器的額定電壓只有12V，所以安裝在網卡前的網絡信號浪涌保護器也可能由于持續過大的電壓損壞或者由于持續時間過長，有一部分電流沒有從浪涌保護器泄放掉，從而侵入網卡，造成網卡損壞。實際當中的線路走向要遠遠大于現在計算所用的數值。所以信號、電源線路一定要埋地并穿金屬管進入室內，這樣才能保證設備在雷雨天氣時避免遭受雷電的干擾而損壞。




四、結論
通過上述分析，該次雷擊事故的重點在于電話交換機，站長室電話保密器和票務室計算機網卡損壞。由于在去年的防雷改造中，辦公樓已安裝避雷帶，監控機房安裝了視頻信號電涌保護器，并且在機房內部做了等電位連接，所以在該次雷擊中，建筑物本身沒有遭受到雷擊的破壞，而監控機房的顯示器只是出現了短時的黑屏，如果沒有上述防雷改造的話，此次雷擊造成的后果就不看設想了。
關于電話交換機和站長室電話保密器的損壞是在情理之中的。這兩條線路均為架空引入，與屋頂避雷帶纏繞或平行敷設，且沒有加裝相應的電話信號浪涌保護器，所以在6月25日13點15分左右的強雷暴天氣中造成損壞。
票務室計算機網卡前端安裝有網絡信號浪涌保護器，但是網卡損壞（甲方介紹），由于網線位于LPZO區，可直接遭受直擊雷擊，所以，由于頻繁的雷閃，造成較大的過電壓，將浪涌保護器損壞，雷電流直接侵入網卡，從而將網卡損壞；還有一種可能是雷電流持續過長，有一部分雷電流沒有被泄放掉，而侵入網卡，導致網卡最終損壞。具體情況，待取回原有浪涌保護器，用專業儀器測試后給出定論。
因此，防雷必須采取內部和外部想結合的措施，綜合屏蔽、接地、等電位、合理布線、安裝浪涌保護器等措施進行全面的防護。大沙河收費站辦公樓天面，信號線與避雷帶纏繞、且無采取屏蔽措施，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工作中，甲方要積極配合，將屋面纏繞的線纜全部埋地穿管引入室內，并在設備前端加裝相應的浪涌保護器，只有這樣在能防患于未然。