谈通讯铁塔可能增加雷击事故的原因

2024-04-22

谈通讯铁塔可能增加雷击事故的原因（共1篇）

篇1：谈通讯铁塔可能增加雷击事故的原因

谈通讯铁塔可能增加雷击事故的原因

摘要文章从避雷针的防雷保护原理、通讯铁塔年预计雷击次数及通讯铁塔遭雷击后容易引发的后果三个角度解释说明了通讯铁塔增加了铁塔所在位置及附近建筑物或设施遭雷击的概率。

关键词通讯塔；高雷击率；原因解释

中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)071-0178-02

笔者在对全市中小学校防雷安全现状普查过程中，经常听到校方反映明显感觉这两年学校周围的雷多了、近了、声音更大了，再经了解方知这些学校内或离学校很近的地方近些年架设了移动或联通的通信铁塔；另外，笔者所在城市的广播电视台转播塔高100多米，塔体正下方转播机房内设备及附近居民家电脑、电视机等却多次遭到雷击损坏。按照常人理解，有这些高大的铁塔作避雷保护，铁塔附近应该是更安全了，可为什么实际情况却恰恰相反呢？本篇想就此谈一下自己的解释，不当之处，请各位同仁批评指正。

1从避雷针的防雷保护原理来解释

避雷针是较传统的叫法，更科学的叫法是接闪器或接闪杆。

雷电放电开始时为先导放电，梯级先导前端接近地面数十米时，它的趋向受到地面上物体的影响，从先导前端向四周伸出10～100m的“长臂”探索，一旦接触到地面物体或地面前先导相会便发生闪击，这个“长臂”的臂长叫做击距或闪击距离。避雷针的防雷保护作用，在于它能在闪击距离内把雷电引向自身并安全泄入大地：在雷电先导阶段，避雷针顶部聚集电荷，使先导前端和避雷针顶端之间通道中形成了很大（较其它空间区域更大）的电场强度，避雷针迎面先导的产生和发展大大加强该通道中的场强，致使雷电击中避雷针的概率比被保护物高，又由于避雷针的屏蔽和迎面先导作用，所以被保护物遭受雷击的概率很小，这就是避雷针的防雷保护原理。但是，避雷针的引雷效率（接闪效率），即对被保护物的保护作用，与雷电的极性、雷电通道的电荷分布、空间电荷分布、先导头部电位、避雷针的数量和高度、被保护物的高度和相互之间的距离，以及当时的大气条件、地理条件有关，如空气的温度和湿度越高避雷针的保护效果越差等，这就导致了通信铁塔（兼做避雷针）把雷电吸引到铁塔上（引雷成功）或附近区域（引雷失败）两种可能。进一步讲，即便引雷成功了，若铁塔所在位置及附近的信息系统的防雷电感应雷措施、防雷电地电位反击措施不到位，那么这些信息系统设备遭雷击损坏也是难免的，引言中所述广电机房设备及附近居民屡遭雷击便是明证。所以，本人想说避雷针只是把雷电引到了其附近区域，而不能保证引到避雷针本身。这样一来，避雷针附近物体遭到雷击的可能性就提高了，而它是否会因雷击致损则要看这些物体自身的防雷击能力了。

2从年预计雷击次数来解释

为了扩大通讯信号的覆盖范围，就要尽可能地增加天线架设高度（距地面高度50-65m）。这样，当铁塔超过一定高度之后，受雷击的概率将显著增加，根据原CCITT《防雷手册》的资料，铁塔每年受雷击次数的计算式为：

N=r?100（CH+h）2T?K（次/年）

由此公式可以看出，在同一位置，铁塔的年预计雷击次数与塔高呈平方关系。

其中，r―地面落雷密度，我国取r=0.015（次/km2）

C―地形系数，山顶铁塔取0.1~0.3，周围为开阔地及陡坡时取0.3，否则取0.1；介于之间取0.2；非山顶铁塔取0.05~0.1，平地铁塔取0；

H―塔所在位置与周围1Km范围内地平面之间平均差值，在平地H=0；

h―塔高（Km）；

T ―年平均雷暴日；

K―选择性雷击系数，一般取1，雷击区应取1.5-2。

以安阳市（安阳市的年平均雷暴日为28.6天）的50m通信铁塔为例计算，该铁塔的年预计雷击次数N=r?100（CH+h）2T?K = 0.015×100×（0.2×0 + 0.05）2× 28.6×1

经计算，N = 0.10725次/年，即该铁塔预计每9.32年遭受一次雷击。这一预计雷击概率是非常高的。

下面我们可以计算铁塔下机房的预计雷击次数及铁塔附近建筑物的年预计雷击次数做一比较。

1）铁塔下机房的年预计雷击次数。铁塔下机房的预计雷击次数N2在不考虑通讯铁塔的屏蔽作用下：

N2=r?T?K（a + 5h）?（b + 5h）?10-6

上式中：a、b、h分别为机房的长、宽、高（m）。

这里假设某机房的a、b、h分别为15、10、4 m，则该机房的年预计雷击次数N2经计算为0.00045次/年。

由此可见，由于通信铁塔的作用，该区域落雷的概率大约增加了

N/N2（约238）倍。因此，具有通讯铁塔的信息系统的感应雷防护、雷电地电位反击的防护尤为重要。

2）铁塔附近建筑物的年预计雷击次数。根据《建筑物防雷设计规范》相关计算方法，50米的通讯铁塔在一层楼高4m的水平面内的保护半径（滚球半径取60m）约为38m，在一般居民楼楼顶（多为六层楼）20m的水平面内的保护半径约为15m。也就是说通信铁塔对其周围建筑物的保护范围很有限，那么，我们忽略通信铁塔对附近建筑物的防雷保护作用，单独计算建筑物的年预计雷击次数N3。

根据建筑物防雷设计规范附录一的计算方法：

N3＝ kNgAe

式中：N3 ―建筑物预计雷击次数（次/a）；

k ―校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；

Ng―建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2?a）]；

Ae―与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

这里假设某建筑物的长、宽、高分别为80、12、20m，经计算

N3＝0.0438（次/年）。这一概率还不到铁塔雷击概率的1/2，反过来讲由于通信铁塔的存在，该区域内落雷的几率提高了一倍。因此，通信铁塔附近的建筑物若不采取相应的防雷措施那么遭受雷电闪击就在所难免，这也正是学校师生反映近些年感觉雷多了、近了、声音更大了以及电视转播附近居民家电器频遭雷击的原因。

3从雷电击中通信铁塔后可能产生的后果解释

由以上分析可知，高耸的通信铁塔是经常要遭到雷电闪击的，那么，它遭到雷击后会对其周围的建筑物、人员或设备产生什么样的危害后果呢？主要有两个方面，一是反击问题，二是雷电电磁感应问题。

3.1雷电反击问题

通信铁塔本身相当于一个独立避雷针，当该针遭受雷电闪击，将有KA/μs级的高频雷电流流过避雷装置，造成接闪器和引下线上存在很高的电位，该高电位会对附近金属物或电气线路产生反击。为此，《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94第3.3.8条作如下规定：

1）当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间不相连时，其与引下线之间的距离应按下列表达式确定：

当 lx＜5Ri时，Sa3≥0.3kc（Ri +0.1lx）

当lx≥5Ri时，Sa3≥0.075kc（Ri +lx）

式中：Sa3―空气中距离（m）；

Ri ―引下线的冲击接地电阻（Ω）；

lx ―引下线计算点到地面的长度（m）。

2）当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间相连或通过过电压保护器相连时，其与引下线之间的距离应按下列表达式确定：

Sa4≥0.075kc lx

式中：Sa4―空气中距离（m）；

lx―下线计算点到连接点的长度（m）。

举个例子，若当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间不相连（多数都是这样），通讯铁塔地网的接地电阻值为Ri =5欧姆，单根引下线时kc=1，考虑三层楼即9米高度的安全距离Sa3≥0.3kc（Ri +0.1lx），经计算为1.77米。而在我们进行学校防雷安全现状普查时发现实际情况却是一些电气线路直接从铁塔下通过或缠绑在铁塔中部，其安全距离明显达不到这个要求，这就导致很多学校的打铃器多次遭受雷击损坏、或者铁塔附近建筑物被雷电打掉一块混凝土情况发生。

图1雷电电磁感应过电压示意图

3.2雷电电磁感应问题

独立避雷针通过全部的雷电流，在其避雷针及引下线周围有很强烈的电磁感应效应，包括静电感应和电磁感应，使附近导体（金属管道、线缆等）上感应出很高的电动势，它作为干扰源通过连接导体造成信息系统设备因过电压损坏现象。

如图1所示，当雷电直接击中接闪器，引下线上任一点N的电位可表示为：

UN=L0H（di/dt）+ i（r+R）

式中：L0―引下线单位长度的电感，取1.67uH/m；

H―为N点距接地体的高度，m；

di/dt―雷电流陡度；

i―雷电流幅值；

R―接地电阻值；

r―N点距接地体之间引下线本身的电阻。

在该避雷针附近有限长度水平孤立导线P上将有静电感应过电压，其值为：