摘要 由一起工控系统雷击事故着手,从雷电产生的原理分析事故的原因,采取必要的预防措施。
关键词 雷击事故;感应;雷灾危害;预防措施
中图分类号 X928文献标识码 A文章编号 1674-6708(2009)05-0060-02
0 引言
商电铝业集团公司商丘铝厂35kv变电站共有6台整流机组,#1、#2、#3二极管整流机组供70KA系列电解铝用,#4、#5、#6晶闸管整流机组供80KA系列电解铝用。每台电解槽有一台槽控机对电解生产工艺智能控制,所有电解槽的技术参数通过槽控机传输到工控计算机上。根据生产需要,我们对电解槽的技术参数在工控计算机上进行调整,再由工控计算机将所给指令传输到每台槽控机上。2006年8月28日中午,天降暴雨,12时19分35kv变电站正上空遭遇强雷电,瞬间,80KA系列工控计算机系统所有通讯中断,相关人员迅速派检修人员查找问题,发现工控计算机通讯板部分集成块被击爆,扩展槽大板烧坏,槽控箱部分大板、通讯联络板烧坏。
1雷电与雷击事故
雷电是自然界雷云之间或雷云与大地之间的一种放电现象。空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候,经过一些复杂过程,被分别带上了正电荷与负电荷。经过运动,尘埃凝结大气中水分形成质量较重的水滴会到达云层的下部(带负电荷),质量较轻的冰晶物质会到达云层的上部(带正电荷)。由于异性电荷的不断积累,不同极性的云块之间电场强度不断增大,当某处的电场强度超过空气可能承受的击穿强度时,就形成了云间放电。不同极性的电荷通过一定的电离通道互相中和,产生强烈的光和热,就形成“云间放电”(即闪电)。所发出的强光,称之为“闪”,所发出的热,使附近的空气突然膨胀,发出霹雳的轰鸣,称之为“雷”。
带负电荷的云层向下靠近地面时,使附近地面积聚正电荷,从而使地面与雷云之间形成强大的电场。当某处积聚的电荷密度很大,造成电场强度超过雷云与地面之间空气游离的临界值时,雷云向下形成下行先导,地面的物体形成向上闪流,二者相遇即形成对地放电。雷云对地放电打到地面上的闪电即为“落雷”。如果落雷击中人员、建筑物、机电设备和森林树木而造成的危害,这种现象称为“雷击事故”。
雷电发生时可产生几百千安的电流及几百千伏的电压,上万度的高温,猛烈的冲击波,剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应,给人类造成多种危害。雷电危害可分成直击雷、雷电感应和雷电波侵入三种。
1)直击雷
直击雷是雷电直接击中人、畜或建筑物产生热的或机械的破坏,造成人、畜伤亡,建筑物劈裂和引起火灾等危害事故。直接雷击还会在无避雷设备或避雷设备装置不完善时,发生危险的高电压、跨步电压(当雷电流经过接地装置向地面流散时,接地装置附近引起的电位分布不均匀,如有人、畜在这里走动,前后脚所受的电压相差很大,两脚之间的电压差就叫做跨步电压)、接触电压(人接触到雷电流经过的地方,或接触到因雷电流引起电感应的金属物所受到的电压)而可能引起人身伤亡。目前,人们防直击雷的措施很多,比如在建筑物上安装避雷针、避雷网、避雷带,在高压输电线路上方安装避雷线等,进而直击雷造成的灾害已明显减少。
2)电感应
雷电感应是由于附近地区发生雷击时,雷电流的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应造成的。雷电感应破坏也称为二次破坏,由于雷电流变化梯度很大,会产生强大的交变磁场,使得周围的金属构件产生感应电流,这种电流可能向周围物体放电,如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸,而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。
(1)静电感应。当建筑物顶部或其它导体处于雷云与大地间所形成的电场中,建筑物顶部或导体上就会积聚与雷云下部电荷极性相反的大量电荷。雷云放电后,云与大地间的电场突然消失,建筑物顶部或导体上的电荷来不及立即流散,因而产生很高的对地电位,这个对地电位差称为“静电感应电压”。当雷云与放电体间的电场强度超过两者之间空气的击穿强度时,雷云对放电体产生放电,正负电荷在电路中猛烈地中和,而楼顶的感应电荷却不能以相应的速度流散,于是将会产生高达几万伏的感应电压。如果楼顶不采取良好的接地,室内的设备即有可能因感应电压而受损。
雷击时,除建筑物产生很高的感应电压外,在输电线路、通讯线路上同样会发生这种现象。由于感应电压,与雷云极性相反的电荷聚积到一段线路上,成为束缚电荷。当雷云对放电体放电时,雷电通道中的电荷猛烈中和,线路上的束缚电荷变为自由电荷,向导线两边流动,形成感应过电压波。据有关资料介绍,高压输电线路上的感应过电压可达300～400kV;一般配电线路和通讯线路,虽然悬挂高度较低,漏电较大,但感应过电压仍可达几万伏的瞬间高压。这次的雷击事故我们分析可能与此有关。
(2)电磁感应。由于雷电流具有极大的幅值和陡度,在放电通道周围的空间里,会产生强大的变化电磁场。处在这一电磁场中的导体会感应出较大的电动势。如果回路中有些地方接触不良,就会产生局部发热或放电。电磁感应现象还可以使构成闭合回路的金属物体产生感应电流,对设备或建筑物等造成损害。
3)雷电波侵入
由于雷电对架空线路或金属管道的作用,所产生的雷电波可能沿着这些线路或管线侵入室内,危及人身和设备的安全。据有关资料介绍,雷电侵入波造成的事故在雷电事故总数中占有较大的比重。此次雷击后,我们采取预防措施时,分析雷电波侵入的成分也很有可能。
2 雷灾的新特点
一般人们对部分设施直击的防范针对性较强,而对感应雷和雷电侵入波的防范却考虑得不够全面,措施上不尽完善,特别是目前大量的通讯系统、家用电器、电脑网络和工业控制设备等采用集成电路和高灵敏度的电子元器件,内部结构的高度集中化,使设备耐受过电压、过电流的能力下降,难以承受雷电造成突发的强磁场或雷电波的侵害,致使遭受雷击危害较为普遍。所以,目前造成雷电危害的主要原因就是雷电感应和雷电侵入波。近年来,雷灾呈现出新的特点:受灾面大大扩展,特别容易侵入与高新技术最密切的领域,损失和危害程度大大增加;尤其通讯计算机网络精密设备更易遭受雷电破坏,轻者可造成计算机终端和通信设备的接口损坏,使通信中断,大量信息丢失或无法传输;严重者使网络主机损坏,导致网络瘫痪,工作无法进行。计算机网络系统易遭受雷击损坏的设备有:MODEM(调制解调器)、ROUTER(路由器)SWITCH(交换机)HUB、网卡、通信卡、UPS、计算机电源及主板。
在今天的信息时代,电脑、网络和通讯设备越来越发达,智能化建筑增多,电气化设备对电磁环境的要求越来越高,如何才能更有效的避免雷灾带来的损失成为众多企业的心痛之痛。
3 雷击事故的原因分析及预防措施
此次雷击事故给我们公司造成的经济损失很大,事后我们进行了原因分析:所有损坏设备均在通讯线路的首端和末端,而通讯线路就是很长距离的室外架空线路。雷击时,通讯线路产生感应电压,形成的高电压波向通讯线两端流动。通讯线两端的通讯板、控制大板均系+5V电源的高集成电路,耐过电压能力极低,所以成为击穿或烧毁的对象。
我们公司80KA电解铝生产系列已运行8年之久,检查中发现部分电气绝缘趋于老化,部分防雷保护接地线已断裂或达不到标准,针对我们设备的实际情况,采取以下预防措施:
1)根据绝缘避雷理论,我们将屏蔽层破损、绝缘老化的通讯线路予于更换,必要时部分位置加装绝缘垫木、绝缘胶皮等绝缘物;
2)根据防雷接地理论,将通讯板、大板、中继板的“信号地”与箱体可靠连接,箱体可靠接地,消除雷击时“信号地”与防雷接地装置的电位差,从而保护设备。将避雷器(针)、厂房、线路、托线架等设备避雷接地线全部检查,需要更换的予于更换。
4 结论
雷击事故给了我们沉重的打击,“雷灾猛于虎”的事实在高度信息化的时代已逐渐验证。
雷电本身并没有变,而是科学技术的发展,使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域,微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的雷电电磁脉冲的作用,造成微电子设备的失控或者损坏。计算机的广泛应用,生产的高度自动化使我们已离不开微电子,也可以说我们已进入微电子时代,而微电子耐过压能力极低,促使我们的防雷工作“任重而道远”。
参考文献
[1] 苏邦礼.雷电与避雷工程[M].中山大学出版社.
[2] 张文渊.雷电的危害性分析与预防措施[J].
[3] 广东防雷博客.
