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深度分析雷击风险 细研防雷接地良策 －－记惠州石化区基站防雷接地定向泄流技术经验分享 摘要：随着移动基站建设的快速发展，基站引雷一直是困扰选址的原因之一，如何做好基站防雷接地一直是各通信运营商亟须解决的重要问题之一。本文根据惠州大亚湾石化区的工程环境特点，对石化区南边灶基站防雷地网工程进行了详细分析，制定解决方案并实施。成功解决了雷电泄流对临近油（气）管道的影响，为后期类似基站的防雷接地工程积累了宝贵的经验。 关键词：石化区、移动基站、定向泄流 一、建设背景： 惠州大亚湾石油化学工业区位于广东省惠州市南部，南临南海大亚湾，规划总面积27.8平方公里。石化区经过八年来的开发建设，石化区已吸引来自美国、英国、法国、德国、日本等国家和我国台湾、香港等地区的国际化工及相关工业的知名企业落户共计46个。2012年石化区炼油达到2200万吨/年，乙烯规模将达到200万吨/年，累计投入将达到1450亿元人民币，年产值达到1500亿元人民币，已成为惠州市经济发展的主要推动因素和广东省沿海石化产业带的重要组成部分。 大亚湾石化园区内信号是惠州移动多年来的网络黑点和建设难点，随着南边灶村拆迁工作的完成，石化区二期正式开始建设，迫使我司原有岩背、油城基站拆除，无疑使石化园区通话质量更是“雪上加霜”。 石化园区内全部是炼油、化工企业，地面炼油烟囱、贮***比比皆是，地下遍布输油（气）管道，基站可选位置有限。常规的防雷接地体雷电泄流将会对地下油（气）管产生重大影响，为了避免此类影响，防雷方案需做特殊调整。 二、多方联合、专题攻关 2013年初，大亚湾经济开发区管委会发函要求我司协助尽快解决石化园区信号问题以改善招商引资环境，我司领导以此为契机，联合网络优化中心、工程建设中心和大亚湾分公司等部门成立“石化区黑点整治”专项攻关小组。 在攻关小组同心协作下，成功完成了石化区霞涌中海油、霞涌中石化、油城和南边灶共4个黑点选址工作。其中，南边灶基站建设过程中发现中海壳牌公司在离基站8M处有一条800MM输油管，移动基站通信杆是周围最高的建筑物，容易成为接闪器引雷，雷电流泄流时产生的高频瞬变电磁场是否会影响到输油（气）管产生强感应电流，从而导致安全事故的发生？工程建设中心心组织防雷地网、地质勘察、设计和监理等单位成立攻关小组针对此类型基站如何做好防雷接地雷电泄流为课题。攻关小组通过组织实地勘查，地层结构及电性特征分析，结合雷电入地电流泄流原理，制定防雷地网定向泄流方案，实施后经测试效果显著。 （图片1：攻关小组防雷方案会审） 三、深入原理分析 细研解决方案 测试效果显著 1、现场实地勘察、地层结构分析 基站建设位置位于大亚湾石化区石化大道中与油城西路交汇处，地理位置：东经114°33′52.4″，北纬22°44′40.6″。基站施工现场地下情况比较复杂，有石化的输油管道和多条通信线缆从地下通过，见下图片。 (图片2：基站现场环境) (图片3：基站现场环境输油管道标识桩) 根据南边灶基站地质勘察分析，地层结构及电性特征如下表： 从上表可知该地质地貌单一，为海陆交互冲积平地，地形平缓，地基岩土种类较多，相对土壤电阻率较高。从上文实地勘察及地层结构电阻率的分析，对基站防雷地网技术要求较高。 2、雷电冲击电流下接地体泄流的特性 雷电是雷云层接近大地时，地面感应出相反电荷，当电荷积聚到一定程度，产生云和云间以及云和大地间放电，迸发出光和声的现象。雷电入侵的途径根据雷电可分为直击雷、感应雷。 在雷击冲击电流作用下，常规接地装置向土壤泄流的电流密度，形如半球状，其电流密度为δ时，则产生的电场强度 En ＝δρn （δ：电流密度，ρn ：冲击电流流过土壤的电阻率），电流由接地体扩散时地中的电场如右图： 当电流密度增大时，靠近接地装置的电场强度可以达到土壤击穿的强度Enρ时，当En =δρn时，ρn 值反而显著下降，在接地体首端的接地极周围将产生不同的放电区（如右图），电阻率高的土壤产生较大的En ，使ρn 相应地减小，因此接地装置的长度越小，则流过的冲击电流密度越大，土壤的电场强度增大，因而形成了地中的局部火花放电，火花放电区的压降可达1.2 －1.4KV/m。 3、“地网+深井桩”组合，定向泄流技术方案 通过对基站特殊环境、地层结构和冲击电流下接地体泄流的特性分析，防雷地网方案须防止雷电冲击电流通过接地体泄流时产生火花放电区对输油（气）管的影响和保护基站设备，经过攻关小组多次的方案讨论分析决定“地网+深井桩”方案，具体分析原因及实施方案如下： 3.1 首先考虑雷电流的泄流，因为电脉冲在接地中传播速度是有限的，而雷电冲击电流陡度高，高频分量丰富（雷电流的能量频谱显著高于工频电流，据计算8/20μs、1.5/40μs、10/100μs波形的90%峰值电流积累值分别出现在24KHz、87KHz和11KHz附近，其频率为工频电流的102级或更高，这时感抗变得十分重要），而接地体都有一定的电感，使脉冲传播受到阻碍，故当接地体长度达到某一数值时，这时的时间常数已足够大，实际对散逸雷电流已起不到作用。根据南边灶基站特殊环境的要求，防雷地网如按常规防雷地网建设是不可行的，不能够很好对雷电泄流，反而因垂直接地体在油管上方与油管距离太近，在雷击冲击电流作用下产生火花放电引起事故，因此地网的水平和垂直接地体必须避开石化输油管道侧施工。需在通信杆基础及设备安装基础远离油管侧制作常规地网，向远离石化输油管道方向扩展，在有限的可施工区域，通过增加接地网的面积、施放物理降阻剂改善土壤电阻率来改良雷电流泄流通道，将电流往远离油管方向侧定向泄流。 3.2 其次考虑故障电流的泄流，由于故障电流多为低频段的工频电流，时间尺度为毫秒级，这时电感阻抗相对较小，而电阻阻抗成为主要考虑因素，接地网设计中对故障电流的强度的分析计算，以及对接触电压和跨步电压的分析成为关键因素。相对而言对接地网的规模和长度限制较少，但对接地网的接地电阻值经常有比较苛刻的要求。所以结合打深井桩工艺做法制作垂直接地极，即钻2－3个深井制作垂直接地极，以达到显著降低地网的接地电阻，快速泄流电流。 3.3 最后需考虑对于工作接地，作为设备工作的等电位参考点（使电气装置或设备的非载流金属部分保持在等电位），为维持设备的等电位，其基本要求是把所有接地系统连接起来，这就是共用接地的概念。排放设备漏电或静电电流，减小电嗓声（电嗓声会产生干扰，引起精密电子设备的数据出错），所以深井桩垂直接地极通过水平接地体与前面常规地网可靠电气联接，组成新的综合共用接地网。 3.4 防雷地网实施方案 1）地网铺设方向: 为了保障基站周边油气管道设施的安全，建设在石化区的移动基站地网应相对避免铺设在油（气）管道的上方。同时为了避免基站杆塔接闪时，雷电能量泄流对油气管道的影响，应将地网铺设在基站远离油气管道的一侧。 2）深井桩垂直接地体：可看成是短垂直接地极在长度上的延伸，主要利用增加接地极的长度、电阻率较低的深层土壤、在接地极周围形成低电阻率材料填充区，等于有效加大了接地体几何直径等措施来降低接地电阻。 深井桩垂直接地体的电阻计算： 在布设深井桩之前，先估算单个接地体的工频接地电阻,计算公式如下：
上端出土的管形接地体计算公式 (公式1) 埋在土中的管形接地体计算公式 (公式2) 式中： R——接地体的接地电阻；（Ω） ρ——土层电阻率；（Ω·m） 场地土层电阻率的的计算：根据已施工的通信杆基础（钻孔灌注桩）实测的工频接地电阻R1，采用公式（1）反算，得出土层的电阻率后，再根据预设的深井桩的直径及长度，采用公式（2）计算预设的单根接地体的接地电阻R2，原则上实测的R2≤0.5R1时，即可满足定向泄流的要求。 根据计算，结合场地施工条件，制作2根深井桩，桩深20米，桩间隔10米即可。 3）增加地网敷设面积:水平接地体采用40*4mm热镀锌扁钢，垂直接地体采用50×5mm热镀锌角钢，按照移动通信基站地网相关规范，根据基站现场实际环境，以增加接地网面积。 4）施放长效防腐降阻剂:在基站埋设水平接地极和深井桩接地极处施放长效防腐降阻剂，回填土1/3时踩实，直至填平以后再踩实，最终需高出地面5～10公分。 5）增设辐射接地极:根据南边灶基站现场实际环境及实际情况，新增辐射状接地极延伸到空草地。 （图片4：地网敷设施工设计图） 4、地网施工技术规范要求 1） 接地体上端距地面不应小于0.7m。 2）垂直接地体长度宜为1.5-2.5m，垂直接地体间距为其自身长度的1.5-2倍。若遇到土壤电阻率不均匀的地方，下层的土壤电阻率低，可以适当加长。当垂直接地体埋设有困难时，可设多根环形水平接地体，彼此间隔为1-1.5m，且应每隔3-5m相互焊接连通一次。 （接地极规格及安装示意图） 3） 接地装置的焊接长度：对扁钢，其焊接长度应为宽度的2倍；对圆钢，其焊接长度应为其直径的10倍。扁钢与扁钢搭接采用左右错开，两面满焊。扁钢与角钢之间的焊接采用三面满焊。 （接地装置焊接示意图） 4） 接地体之间所有焊接点，均应进行防腐处理。 5） 接地沟宽0.4m～0.5m、深0.7m～0.8m，如遇到地下为石头而无法开挖至该深度时，应根据实际情况处理，但不得有水平接地体或垂直接地体露出地表面； （接地装置敷设示意图） 6） 回填要求：必须用泥土回填，禁止使用建筑垃圾、其他杂土；回填1/3时，需人工踩实，再回填1/3时，再踩实，直至填平以后再踩实，最终需高出地面5～10公分,若铺水泥则不用高出地面。 （接地极地沟回填方法示意图） 7） 深井桩：为了保证地网的接地效果，应在地网远离油气管道的一侧设置两个或两个以上的深井接地桩，深度应大于15米，施工时用专用机械钻孔，孔径为80~150mm，深井桩和地网的连接应采用水平接地体焊接，焊点处应做防腐处理。 8） 降阻剂：在地网和深井桩的回填时，应使用降阻剂。 8.1施前检查项目及要求： 垂直接地极居孔中央放置，水平接地极水平居中，离沟底距离不小于40mm且较均匀。 8.2调制降阻剂 按水：降阻剂=0.4~0.6:1.0的重量比加水并充分搅拌直至成粘糊状。水平接地用水量以刚好能够润湿全部干粉并可搅拌成糊状即可。垂直接地孔用降阻剂加水量可视情况取高值。过大的加水量会延长施工时间。 8.3浇灌、包覆、检视 将调制好的糊状降阻剂轻轻倒入（以防泥石、杂物混入降阻剂中）接地沟、孔内直至全部无遗漏地包覆住接地极，并初测包覆厚度不小于40mm，钻孔四壁充实，不足时要补充。 8.4复检与回填夯实 待降阻剂初凝后，详细检查降阻剂包覆应表面均匀、充分无遗漏、无杂物混入，包覆体厚度最薄处不少于40mm，不足时要补充降阻剂。检查无误后，轻轻回填无硬物和树枝的细土，厚度要达到20mm以上，然后再加其他土壤并夯实。夯实后的回填土表面应略高于周围地平面。 5、严把质量关、测试效果显著 施工质量是保障设计方案成果之根本，地网各工序的施工质量将直接影响最终测试结果，我司组织监理在施工过程中对质量严格把关，特别是对使用材料的检查、地网沟深、扁铁等铁件的焊接工艺以及深井桩，要求在每一个环节都把好质量关口，要按既定施工技术方案进行施工。 （图片5：垂直接地体焊接施工现场） 完工后邀请大亚湾防雷气象局分所进行检测，检试结果基站综合地网接地电阻达到2.1欧，据GB50074-2002《石油库设计规范》第14章第14.3.16条：石油库输油管防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及信息系统的接地等，宜共用接地装置，其接地电阻不应大于4Ω。检测结果低于规范值，达到设计的预计效果，得到石化区中海壳牌公司的认可。 （图片6：防雷地网检测报告） 四、结束语： 防雷减灾必须坚持“预防为主、防治结合”的方针，防雷措施是否得当，关系到基站及周边构筑物的安全问题，事先采取工程性技术措施，科学有效设防，才能最大限度地避免安全隐患、减少雷电灾害。 参考标准及规范：〖1〗中华人民共和国国家标准 GB50057-2010 《建筑物防雷设计规范》； 〖2〗中华人民共和国信息产业部标准 YD5098-2005《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》 〖3〗中华人民共和国国家标准GB50343-2004 《建筑物电子信息系统防雷设计规范》 〖4〗中华人民共和国国家标准 GB50253-2003 《输油管道工程设计规范》 〖5〗中华人民共和国国家标准 GB50183-2004 《石油天然气工程设计防火规范》 同时借鉴了有关IEC、ITU及UL标准及规范，确保本方案建议书的科学性及合理性要求。
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发表于 2014-12-10 19:48:52