關于鐵路通信站避雷針架設問題的探討廣州雷迅電子[摘要]：本文依據GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規范》標準中環路中感應電壓、電流及能量的計算公式，通過對鐵路通信站不同位置架設的避雷針在LPZ1區經屏蔽網格衰減后的空間內磁場強度的計算和分析，為鐵路通信站避雷針架設的問題提供了制定依據。[關鍵詞]：鐵路通信站避雷針架設位置磁場強度環路感應電壓、電流1、前言我國進入90年代以后，各種通信站相繼進行了無人值守改造，大量控制和保護設備改為微機型，為強化通信的可靠性，一點多址小微波進入主控室，大大小小的微波塔與主控室并行而立，出現了幾種避雷針鐵塔的架設方式，有的在區域設立獨立避雷針，有的在建筑旁邊設立獨立避雷針，有的在建筑頂部設立獨立避雷針，這些改造往往由不同專業部門分別完成，缺乏系統性的雷電防護合計，給雷電防護工作帶來了一系列問題。本文依據這三種常見的避雷針架設方式，從雷電電磁脈沖防護的角度進行了一些探討，以便更好的解決這些問題。2、主控室〔LPZ1區〕電磁環境的分析按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規范》建立的建筑物模型，我們將主控室〔LPZ1區〕等效為一個有5m×5m建筑鋼筋包裹起來的矩形環路，依據雷電電磁脈沖的特性對以上三種避雷針的架設方式進行分析如下：、建筑物頂部架設避雷針的狀況如圖2所示，當建筑物頂部架設避雷針鐵塔時，按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規范》提供的二類建筑物雷擊參數，首次雷擊雷電流參數為：150KA；后續雷擊雷電流參數為：；則：LPZ1區的電磁場強度為：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區空間無衰減的磁場強度〔A/m〕；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〕；Sa——雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離〔m〕；SF——屏蔽系數〔dB〕；ω——屏蔽網格的寬度〔m〕；dS/1——LPZ1區內空間的安全距離〔m〕；dw——被合計點距LPZ1區屏蔽壁的最短距離〔m〕；dl/r——被合計點距LPZ1區屏蔽頂的最短距離〔m〕；圖1建筑物頂部架設避雷針鐵塔示意圖依據以上公式計算得，建筑頂部架設避雷針，當建筑天面的建筑鋼筋網格為5m×5m時，在建筑物首次雷擊〔25kHz〕的狀況下，位于LPZ1區空間中心位置的計算如下：SF=20·log[〔〕/]≈4.6dB；dS/1=ω·≈；H1=KH·iO·w/(dw)≈1899A/m;〔相當于〕上式中：W=5m；；dl/r；當鐵塔遭雷擊時，建筑頂層沿鋼筋柱引下線1m布置有導線直徑為16mm2，包裹面積為2m×2m的設備供電電源時，其環路的感應電壓和電流計算如下：·—·(+··[()/(1+)]··[()/(1+)]}·10-6=[2.26-3.2+4.26+4.26]×10-6×10-6H開路電壓UOC在波頭時間T1期間，UOC的最大值UOC/max：UOC/max=μO·b·ln(1+/)·KH·(w/)·iO/max/T1=2803.9(V)如果忽略導線的歐姆〔最壞狀況〕，短路電流為iSC的最大值iSC/max：iSC/max=μO·b·ln(1+/)·KH·(w/)·iO/max/L=、建筑物外部架設獨立避雷針的狀況如圖3所示，當建筑物外部架設避雷針鐵塔時，按照GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規范》提供的二類建筑物雷擊參數，首次雷擊雷電流參數為：150KA；后續雷擊雷電流參數為：；依據本文部分的計算依據，我們分別來討論當建筑物外部架設避雷針鐵塔距離建筑物的距離X為3m；5m；10m；20m；30m時的狀況。圖2建筑物外部架設獨立避雷針鐵塔示意圖a、當建筑物外部架設避雷針鐵塔距離建筑物的距離X為3m時，依據二類建筑物滾球半徑R=45m；當建筑物位于避雷針保護范圍以內時，如其接閃點距離建筑物LPZ1區的壁或頂之間的最短距離d按3m計算，則：LPZ1區空間經屏蔽網格衰減后的磁場強度為：H1=H0/10SF/20≈4699A/m;〔相當于59Gs〕H1/f/max·if×150KA÷3m=H1/S/max·is×÷3m=首次雷擊〔T1=10μs〕磁場強度H1/f感應的電壓和電流分別為：UOC/f/max＝·b·l·H1/f/max≈630ViSC/f/max＝·10-6·b·l·H1/f/max/L≈831A后續雷擊〔T1μs〕磁場強度H1/S感應的電壓和電流為：UOC/S/max＝·b·l·H1/S/max≈6300ViSC/S/max＝·10-6·b·l·H1/S/max/L≈b、同上狀況，當建筑物外部架設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區空間的磁場強度(A/m)首次雷擊感應電壓和電流后續雷擊感應電壓和電流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依據GB50174-93《電子計算機機房制定規范》第條的要求，主機房內的磁場干擾環境強度不應大于800A/m。因此，當建筑物外部架設避雷針鐵塔時，依據上述計算，對本文3部分所定義的建筑物，鐵塔距離建筑物的距離應該大于17.6m。如受周邊環境的限制，無法達到此要求的時候，從經濟的角度合計，不如將避雷針鐵塔架設在建筑物頂部，然后對建筑物進行金屬網格屏蔽。、當建筑物外部架設避雷針鐵塔時，LPZ1區內空間經屏蔽網格衰減后的磁場強度曲線如下列圖：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部LPZ1區內經屏蔽網格衰減后的空間的磁場強度、首次雷擊和后續雷擊的環路感應電壓與電流逐漸降低。當建筑物外部架設避雷針鐵塔距離建筑物的距離小于5米時，其LPZ1區內空間經屏蔽網格衰減后的磁場強度比在建筑物頂部架設鐵塔時LPZ1區內空間的磁場強度還要大，不如架設在建筑物頂部。依據GB50174-93《電子計算機機房制定規范》標準第條的要求，如果建筑物外部需要架設避雷針鐵塔，則鐵塔距離建筑物的距離不宜小于米。3、建筑物屏蔽網格的選擇依據GB50057-94〔2000版〕《建筑物防雷制定規范》第六章：防雷擊電磁脈沖；第三節：屏蔽、接地和等電位連接的要求中關于LPZ1區內電磁場強度的計算公式，對建筑物采用電磁屏蔽措施的時候，按照GB50174-93《電子計算機機房制定規范》的要求，主機房內的磁場干擾環境強度不應大于800A/m，即不大于10Gs，關于無金屬網格做電磁屏蔽的建筑物，經計算此時LPZ1區內的安全距離Sa≈3.96m.。顯然，從機房內場地合理利用的角度講這是不經濟的。并且GB50174-93《電子計算機機房制定規范》只適用與面積大于140m2的電子計算機機房，關于面積小于140m2的電子計算機機房〔如移動、聯通、鐵路等的機站〕這是無法接受的。因此必需對建筑物采納金屬網格做電磁屏蔽。那么該如何合理的對建筑物進行電磁屏呢？關于二類防雷建筑物，當建筑物天面使用1m×1m金屬網格做屏蔽時：SF=20·log[〔〕/]≈17.91dBH1=KH·iO·w/(dw)≈379A/m〔相當于〕dS/1=ω·=1.79m這對面積大于140m2的電子計算機機房是合適的。如假設機房內的設備無金屬框架或者機房的面積較小只有幾十平方米，則需要用更小的金屬網格對建筑物進行屏蔽。關于二類防雷建筑物，當建筑物天面使用0.4m×0.4m金屬網格做屏蔽時：SF=20·log[〔〕/]=26.55dBH1=KH·iO·w/(dw)≈152A/m〔相當于〕dS/1=ω·≈1m此時的設備擺放安全距離dS/1約為1m，是最正確屏蔽效果。如此的設置可大大節約建筑物機房內的空間使用率，是解決建筑物頂部機房問題的最好方法。6、引下線對建筑物LPZ1區內電磁場強度的影響依據本文2部分圖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推舉的雷電流的分布概率，80%的雷電流峰值為30～50KA，我們假設此時雷電流參數為：40KA，假設此建筑物由10條柱內鋼筋組做引下線，則每條柱內鋼筋組上所分擔的雷電流為4KA。則，在LPZ1區內距離引下線小于10Gs，即800A/m的電磁場界面的位置Sa為：Sa=Sa=Sa即設備在LPZ1擺放時距離引下線的最小安全距離。同樣狀況，假設此建筑物不是使用柱內鋼筋組做引下線，而是獨立設置引下線，假設引下線有4條，則依據前述例子，每條柱內鋼筋組上所分擔的雷電流為10KA。則，在LPZ1區內距離引下線小于10Gs，即800A/m的電磁場界面的位置為：Sa=Sa=由此可見，這樣做對面積較小的電子計算機機房是不經濟的。當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合計建筑外層柱內鋼筋組的數量。值得一提的是：選擇建筑物內層柱內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干線上產生過高的雷擊電壓。綜上所述，關于鐵路通信站來說，避雷針不宜架設在建筑物頂部，如因條件限制，需要架設在建筑物頂部時，必需用金屬網格做好雷電電磁脈沖的屏蔽工作。關于面積大于140m2的電子信息設備機房，金屬網格的寬度不宜小于1m×1m。對面積較小只有幾十平方米的電子信息設備機房，要達到有效利用機房面積的目的，則需使用0.4m×0.4m金屬網格對建筑物進行電磁屏蔽。建筑物外部架設避雷針鐵塔距離建筑物的距離不宜小于20米，當建筑物內部有大量電子設備時，宜利用金屬網格對建筑物進行電磁屏蔽，網格寬度不宜小于1m×1m。要達到最正確屏蔽效果，則需使用0.4m×金屬網格對建筑物進行電磁屏蔽。關于引下線的選擇，宜使用建筑物柱內鋼筋組做引下線，而不宜獨立設置引下線。4、結論A、關于鐵路通信站來說，避雷針不宜架設在建筑物頂部，如因條件限制，需要架設在建筑物頂部時，必需在建筑物天面用金屬網格做好雷電電磁脈沖的屏蔽工作，而不能依靠設備自身的金屬框架做屏蔽網格進行電磁場衰減。在工程制定中不應該選擇做為機房內電磁場強度的制定依據進行屏蔽網格和安全距離的制定，而應該按照GB50174-93《電子計算機機房制定規范》的要求按10Gs做為機房內電磁場強度的制定依據進行屏蔽網格和安全距離的制定。網格寬度不宜小于1m×1m。要達到最正確屏蔽效果，則需使用0.4m×金屬網格對建筑物進行電磁屏蔽。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部LPZ1區內經屏蔽網格衰減后的空間的磁場強度、首次雷擊和后續雷擊的環路感應電壓與電流逐漸降低。通過計算，建筑物外部架設避雷針鐵塔距離建筑物的距離不宜小于20米，當建筑物內部有大量電子設備時，宜利用金屬網格對建筑物進行電磁