于铁路通信站避雷针架设问题的探讨-

关于铁路通信站避雷针架设问题的探讨广州雷迅电子[摘要]：本文依据GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定规范》标准中环路中感应电压、电流及能量的计算公式，通过对铁路通信站不同位置架设的避雷针在LPZ1区经屏蔽网格衰减后的空间内磁场强度的计算和分析，为铁路通信站避雷针架设的问题提供了制定依据。[关键词]：铁路通信站避雷针架设位置磁场强度环路感应电压、电流1、前言我国进入90年代以后，各种通信站相继进行了无人值守改造，大量控制和保护设备改为微机型，为强化通信的可靠性，一点多址小微波进入主控室，大大小小的微波塔与主控室并行而立，出现了几种避雷针铁塔的架设方式，有的在区域设立独立避雷针，有的在建筑旁边设立独立避雷针，有的在建筑顶部设立独立避雷针，这些改造往往由不同专业部门分别完成，缺乏系统性的雷电防护合计，给雷电防护工作带来了一系列问题。本文依据这三种常见的避雷针架设方式，从雷电电磁脉冲防护的角度进行了一些探讨，以便更好的解决这些问题。2、主控室〔LPZ1区〕电磁环境的分析按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定规范》建立的建筑物模型，我们将主控室〔LPZ1区〕等效为一个有5m×5m建筑钢筋包裹起来的矩形环路，依据雷电电磁脉冲的特性对以上三种避雷针的架设方式进行分析如下：、建筑物顶部架设避雷针的状况如图2所示，当建筑物顶部架设避雷针铁塔时，按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定规范》提供的二类建筑物雷击参数，首次雷击雷电流参数为：150KA；后续雷击雷电流参数为：；则：LPZ1区的电磁场强度为：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区空间无衰减的磁场强度〔A/m〕；H1——LPZ1区空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度〔A/m〕；i0——雷电流值〔A〕；Sa——雷击点与屏蔽空间之间的平均距离〔m〕；SF——屏蔽系数〔dB〕；ω——屏蔽网格的宽度〔m〕；dS/1——LPZ1区内空间的安全距离〔m〕；dw——被合计点距LPZ1区屏蔽壁的最短距离〔m〕；dl/r——被合计点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离〔m〕；图1建筑物顶部架设避雷针铁塔示意图依据以上公式计算得，建筑顶部架设避雷针，当建筑天面的建筑钢筋网格为5m×5m时，在建筑物首次雷击〔25kHz〕的状况下，位于LPZ1区空间中心位置的计算如下：SF=20·log[〔〕/]≈4.6dB；dS/1=ω·≈；H1=KH·iO·w/(dw)≈1899A/m;〔相当于〕上式中：W=5m；；dl/r；当铁塔遭雷击时，建筑顶层沿钢筋柱引下线1m布置有导线直径为16mm2，包裹面积为2m×2m的设备供电电源时，其环路的感应电压和电流计算如下：·—·(+··[()/(1+)]··[()/(1+)]}·10-6=[2.26-3.2+4.26+4.26]×10-6×10-6H开路电压UOC在波头时间T1期间，UOC的最大值UOC/max：UOC/max=μO·b·ln(1+/)·KH·(w/)·iO/max/T1=2803.9(V)如果忽略导线的欧姆〔最坏状况〕，短路电流为iSC的最大值iSC/max：iSC/max=μO·b·ln(1+/)·KH·(w/)·iO/max/L=、建筑物外部架设独立避雷针的状况如图3所示，当建筑物外部架设避雷针铁塔时，按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定规范》提供的二类建筑物雷击参数，首次雷击雷电流参数为：150KA；后续雷击雷电流参数为：；依据本文部分的计算依据，我们分别来讨论当建筑物外部架设避雷针铁塔距离建筑物的距离X为3m；5m；10m；20m；30m时的状况。图2建筑物外部架设独立避雷针铁塔示意图a、当建筑物外部架设避雷针铁塔距离建筑物的距离X为3m时，依据二类建筑物滚球半径R=45m；当建筑物位于避雷针保护范围以内时，如其接闪点距离建筑物LPZ1区的壁或顶之间的最短距离d按3m计算，则：LPZ1区空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度为：H1=H0/10SF/20≈4699A/m;〔相当于59Gs〕H1/f/max·if×150KA÷3m=H1/S/max·is×÷3m=首次雷击〔T1=10μs〕磁场强度H1/f感应的电压和电流分别为：UOC/f/max＝·b·l·H1/f/max≈630ViSC/f/max＝·10-6·b·l·H1/f/max/L≈831A后续雷击〔T1μs〕磁场强度H1/S感应的电压和电流为：UOC/S/max＝·b·l·H1/S/max≈6300ViSC/S/max＝·10-6·b·l·H1/S/max/L≈b、同上状况，当建筑物外部架设避雷针铁塔距离建筑物的距离X为5m、10m；20m；30m时如下表：铁塔与建筑物的距离LPZ1区空间的磁场强度(A/m)首次雷击感应电压和电流后续雷击感应电压和电流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依据GB50174-93《电子计算机机房制定规范》第条的要求，主机房内的磁场干扰环境强度不应大于800A/m。因此，当建筑物外部架设避雷针铁塔时，依据上述计算，对本文3部分所定义的建筑物，铁塔距离建筑物的距离应该大于17.6m。如受周边环境的限制，无法达到此要求的时候，从经济的角度合计，不如将避雷针铁塔架设在建筑物顶部，然后对建筑物进行金属网格屏蔽。、当建筑物外部架设避雷针铁塔时，LPZ1区内空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度曲线如下列图：由此图可以看出，随着避雷针距离建筑物的距离的增大，因避雷针接闪而造成的对建筑物内部LPZ1区内经屏蔽网格衰减后的空间的磁场强度、首次雷击和后续雷击的环路感应电压与电流逐渐降低。当建筑物外部架设避雷针铁塔距离建筑物的距离小于5米时，其LPZ1区内空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度比在建筑物顶部架设铁塔时LPZ1区内空间的磁场强度还要大，不如架设在建筑物顶部。依据GB50174-93《电子计算机机房制定规范》标准第条的要求，如果建筑物外部需要架设避雷针铁塔，则铁塔距离建筑物的距离不宜小于米。3、建筑物屏蔽网格的选择依据GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定规范》第六章：防雷击电磁脉冲；第三节：屏蔽、接地和等电位连接的要求中关于LPZ1区内电磁场强度的计算公式，对建筑物采用电磁屏蔽措施的时候，按照GB50174-93《电子计算机机房制定规范》的要求，主机房内的磁场干扰环境强度不应大于800A/m，即不大于10Gs，关于无金属网格做电磁屏蔽的建筑物，经计算此时LPZ1区内的安全距离Sa≈3.96m.。显然，从机房内场地合理利用的角度讲这是不经济的。并且GB50174-93《电子计算机机房制定规范》只适用与面积大于140m2的电子计算机机房，关于面积小于140m2的电子计算机机房〔如移动、联通、铁路等的机站〕这是无法接受的。因此必需对建筑物采纳金属网格做电磁屏蔽。那么该如何合理的对建筑物进行电磁屏呢？关于二类防雷建筑物，当建筑物天面使用1m×1m金属网格做屏蔽时：SF=20·log[〔〕/]≈17.91dBH1=KH·iO·w/(dw)≈379A/m〔相当于〕dS/1=ω·=1.79m这对面积大于140m2的电子计算机机房是合适的。如假设机房内的设备无金属框架或者机房的面积较小只有几十平方米，则需要用更小的金属网格对建筑物进行屏蔽。关于二类防雷建筑物，当建筑物天面使用0.4m×0.4m金属网格做屏蔽时：SF=20·log[〔〕/]=26.55dBH1=KH·iO·w/(dw)≈152A/m〔相当于〕dS/1=ω·≈1m此时的设备摆放安全距离dS/1约为1m，是最正确屏蔽效果。如此的设置可大大节约建筑物机房内的空间使用率，是解决建筑物顶部机房问题的最好方法。6、引下线对建筑物LPZ1区内电磁场强度的影响依据本文2部分图1所示，建筑物顶部通过建筑物直击雷防护装置接闪时，按照IEC推举的雷电流的分布概率，80%的雷电流峰值为30～50KA，我们假设此时雷电流参数为：40KA，假设此建筑物由10条柱内钢筋组做引下线，则每条柱内钢筋组上所分担的雷电流为4KA。则，在LPZ1区内距离引下线小于10Gs，即800A/m的电磁场界面的位置Sa为：Sa=Sa=Sa即设备在LPZ1摆放时距离引下线的最小安全距离。同样状况，假设此建筑物不是使用柱内钢筋组做引下线，而是独立设置引下线，假设引下线有4条，则依据前述例子，每条柱内钢筋组上所分担的雷电流为10KA。则，在LPZ1区内距离引下线小于10Gs，即800A/m的电磁场界面的位置为：Sa=Sa=由此可见，这样做对面积较小的电子计算机机房是不经济的。当建筑物遭受直击雷时，雷电流的95%沿着建筑物的外墙引下线流入地，而在建筑物中间的柱子流过的电流约为5%；因此，在分析时我们一般只合计建筑外层柱内钢筋组的数量。值得一提的是：选择建筑物内层柱内钢筋组做建筑的电气接地干线时，可大大降低雷击时在该接地干线上产生过高的雷击电压。综上所述，关于铁路通信站来说，避雷针不宜架设在建筑物顶部，如因条件限制，需要架设在建筑物顶部时，必需用金属网格做好雷电电磁脉冲的屏蔽工作。关于面积大于140m2的电子信息设备机房，金属网格的宽度不宜小于1m×1m。对面积较小只有几十平方米的电子信息设备机房，要达到有效利用机房面积的目的，则需使用0.4m×0.4m金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。建筑物外部架设避雷针铁塔距离建筑物的距离不宜小于20米，当建筑物内部有大量电子设备时，宜利用金属网格对建筑物进行电磁屏蔽，网格宽度不宜小于1m×1m。要达到最正确屏蔽效果，则需使用0.4m×金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。关于引下线的选择，宜使用建筑物柱内钢筋组做引下线，而不宜独立设置引下线。4、结论A、关于铁路通信站来说，避雷针不宜架设在建筑物顶部，如因条件限制，需要架设在建筑物顶部时，必需在建筑物天面用金属网格做好雷电电磁脉冲的屏蔽工作，而不能依靠设备自身的金属框架做屏蔽网格进行电磁场衰减。在工程制定中不应该选择做为机房内电磁场强度的制定依据进行屏蔽网格和安全距离的制定，而应该按照GB50174-93《电子计算机机房制定规范》的要求按10Gs做为机房内电磁场强度的制定依据进行屏蔽网格和安全距离的制定。网格宽度不宜小于1m×1m。要达到最正确屏蔽效果，则需使用0.4m×金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。B、随着避雷针距离建筑物的距离的增大，因避雷针接闪而造成的对建筑物内部LPZ1区内经屏蔽网格衰减后的空间的磁场强度、首次雷击和后续雷击的环路感应电压与电流逐渐降低。通过计算，建筑物外部架设避雷针铁塔距离建筑物的距离不宜小于20米，当建筑物内部有大量电子设备时，宜利用金属网格对建筑物进行电磁