鉆塔避雷針的設(shè)計(jì)及安裝

鉆塔避雷針的設(shè)計(jì)及安裝張西坤

（河北建設(shè)勘察研究院有限公司鉆探機(jī)械廠，河北石家莊050031）摘要：概述了鉆塔避雷針防雷原理，分析了鉆塔避雷針保護(hù)范圍和引雷區(qū)域的計(jì)算和確定原則，對(duì)常見的鉆塔避雷針進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)方案，指出了鉆塔避雷針安裝注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：鉆塔；避雷針；保護(hù)范圍；引雷區(qū)域；0引言在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地?zé)崾┕?、地質(zhì)找礦、石油天然氣開發(fā)等領(lǐng)域，由于是露天野外作業(yè)，雨季鉆探施工，在空曠的野外，高聳的鉆塔、矗立的井架直插云端，如何防止雷擊傷害事故的發(fā)生顯得尤為重要，設(shè)計(jì)安裝避雷針是行之有效的防雷措施之一。避雷針能起到防護(hù)作用的原因，是因?yàn)槲恢幂^高，且接地良好，當(dāng)雷電接近避雷針附近，向避雷針主放電，其放電電流由避雷針及其接地裝置傳入地下，從而保護(hù)了一定空間范圍內(nèi)的物體免遭直接雷擊。避雷針組成及工作原理1.1避雷針的組成避雷針由接閃器、接地引下線和接地極三部分串聯(lián)組成。接閃器的位置高于鉆塔頂部；接地引下線的截面積不但應(yīng)根據(jù)雷電流通過時(shí)的發(fā)熱情況計(jì)算，使其不會(huì)因過熱而熔化，而且還要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。接地體不僅要安全地把雷電流由此導(dǎo)入地中，而且還要使雷電流在流入大地時(shí)均勻地分散開去。1.2避雷針的工作原理就其工作原理本質(zhì)而言，避雷針不是避雷，而是利用其高聳空中的有利地位，把雷電引向自身，承受雷擊。同時(shí)把雷電流導(dǎo)入地下，起著保護(hù)其附近比它矮的構(gòu)件或設(shè)備免受雷擊的作用。鉆塔避雷針的保護(hù)范圍2.1折線法確定保護(hù)范圍鉆塔為金屬構(gòu)架，而且高度一般在70米以內(nèi)，防雷適用于采用折線法確定避雷針的保護(hù)范圍（折線法在高度120米以內(nèi)適用），折線法設(shè)計(jì)直觀，計(jì)算簡便，節(jié)省投資，它具有工程合理性的優(yōu)勢(shì)，并經(jīng)過長期豐富的運(yùn)行實(shí)踐，保護(hù)可靠性高。鉆塔避雷針保護(hù)范圍如圖1所示。圖1折線法確定的鉆塔避雷針保護(hù)范圍避雷針在地面上的保護(hù)半徑為r二1.5h式中r——保護(hù)半徑h——避雷針高度在鉆塔高度hx水平面上的保護(hù)半徑為h當(dāng)h>時(shí)r=(h-h)p=hpx2xxah當(dāng)h<時(shí)r二(1.5h-2h)px2xx式中h——鉆塔高度范圍內(nèi)任一水平面高度xr——避雷針在h水平面上的保護(hù)半徑xxh——避雷針的有效高度ap——避雷針的高度影響系數(shù)(考慮避雷針太高時(shí)，保護(hù)半徑不按正比例增大的系數(shù)當(dāng)h<30米時(shí)，p=1當(dāng)30米<h<120米時(shí)，p二5.5：vh當(dāng)h>120米時(shí)，取其等于120米p二5.5/近20沁0.52.2舉例我們用具體例子來計(jì)算鉆塔避雷針的保護(hù)范圍。一座A27m鉆塔，鉆塔從地面到塔頂?shù)目偢邽閔=28m，避雷針尖端高出鉆塔2m。那么避雷針高度h=30m,x避雷針在地面上的保護(hù)半徑r=1.5h=1.5x30=45m避雷針對(duì)鉆塔頂部水平面的保護(hù)半徑r=(h—h)p二(30—28)x1二2mxx避雷針在二層臺(tái)18m的位置的保護(hù)半徑為(二層臺(tái)高度h=18m>h2=282=14m)xr二(h—h)p二(30—18)x1二12mxx圖2A27m鉆塔避雷針保護(hù)范圍實(shí)例由A27m鉆塔的塔頂、二層臺(tái)和底盤結(jié)構(gòu)可知，所有結(jié)構(gòu)沒有接近或超出其保護(hù)半徑的范圍，也就是說都在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，所以絕對(duì)是安全的。鉆塔避雷針的引雷區(qū)域圖3雷擊針地分界面的理論分析圖

我們要重點(diǎn)研究一下如何讓避雷針有效地把附近的雷電引到自身并傳至地下，這樣就要認(rèn)真分析雷擊針地分界問題，即確定避雷針的引雷區(qū)域，圖3為雷擊針地分界面的理論分析圖，據(jù)此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線。圖中L為避雷針尖，其高度為h,P（x,y）為雷電極頭部，其對(duì)地高度為H，E為雷電極正下方的投影點(diǎn)，L、P之間的距離為R。當(dāng)P點(diǎn)維持k二R/H等于某一常數(shù)（約等于1）在圖面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線。分界線以y軸為中心旋轉(zhuǎn)就是立體的分界面。分界面內(nèi)為雷擊避雷針的空域，分界面以外為雷擊大地的空域。分界面附近引下的雷擊地面為散擊區(qū)。鉆塔避雷針的引雷能力強(qiáng)，當(dāng)側(cè)方襲擊來的下行雷電被避雷針引近而未能在針端接閃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)閃電擊中避雷針附近地面的情況，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大，該地面稱為散擊區(qū)。遠(yuǎn)離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區(qū)。高聳的鉆塔和高架避雷針引雷招致雷擊率增高并存在散擊區(qū)，所以防雷專家歷來不主張用高架避雷針保護(hù)鉆塔，主張用短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發(fā)揮它的引雷作用，又避免增加散雷區(qū)。由以上分析避雷針保護(hù)原理可以看出，避雷針的引雷空域和保護(hù)范圍是兩個(gè)不同的概念，引雷區(qū)域是閃電弧道可能分布的空間，它在高空，研究引雷區(qū)域可以充分認(rèn)識(shí)設(shè)置避雷針的必要性就是消除隱患；后者是避雷針能有效地屏蔽被保護(hù)物免于遭受雷擊的空間，它是避雷針?biāo)闹芤欢ǜ叨群桶霃絻?nèi)的低空，研究保護(hù)范圍可以指導(dǎo)對(duì)避雷針進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)安裝，避免因設(shè)計(jì)安裝不當(dāng)造成避雷針的“有形無用”，從而避免事故的發(fā)生；引雷區(qū)域和保護(hù)范圍的空間位置不同，大小不同，作用不同。對(duì)避雷針的保護(hù)范圍、引雷區(qū)域和散擊區(qū)進(jìn)行深入、全面、細(xì)致的分析，能確保避雷針對(duì)鉆塔、鉆機(jī)和人員的可靠保護(hù)。按照以上概念可以計(jì)算和確定出不同鉆塔避雷針高度、地面保護(hù)半徑和散擊區(qū)半徑。表1不同鉆塔的避雷針高度、地面保護(hù)區(qū)半徑和散擊區(qū)半徑（單位：m）鉆塔有效高度H131518242731414555鉆塔總高HZ141619252834465370避雷針高度h151720273036.548.85673.5避雷針有效高度ha塔頂水平面保護(hù)半徑rdd2.24地面保護(hù)區(qū)半徑r22.525.53040.5453338.141.247鉆塔有效高度H131518242731414555鉆塔總高HZ141619252834465370避雷針高度h151720273036.548.85673.5避雷針有效高度ha塔頂水平面保護(hù)半徑rdd2.24地面保護(hù)區(qū)半徑r22.525.53040.5453338.141.247地面散擊區(qū)半徑rS108116127147155170195211241鉆塔避雷針的設(shè)計(jì)及安裝圖4一種鉆塔避雷針設(shè)計(jì)圖我們?cè)O(shè)計(jì)的鉆塔避雷針基本型式如圖所示，有以下特點(diǎn)：（1）避雷針支撐桿部位必須鍍鋅，操作時(shí)注意保護(hù)鍍鋅層；（2） 采用①10mm銅棒制作接收器，堅(jiān)固耐震動(dòng)，導(dǎo)電性好；（3） 用高壓瓷瓶（擊穿電壓大于10kV以上）或酚醛樹脂電木（擊穿電壓大于10kV以上）將避雷針和支撐桿隔開；（4） 避雷針引下線用截面積不小于25mm2的銅質(zhì)電纜或30mm?的鋁質(zhì)電纜；4.2鉆塔避雷針安裝注意事項(xiàng).接閃器瓷瓶或木鉆塔引線繃?yán)K圖5鉆塔避雷針安裝示意圖5）接地極用封底鋼管內(nèi)裝滿大鹽制成，保證接地電阻在4.2鉆塔避雷針安裝注意事項(xiàng).接閃器瓷瓶或木鉆塔引線繃?yán)K圖5鉆塔避雷針安裝示意圖（1）避雷針應(yīng)垂直安裝牢固，垂直度允許偏差為3/1000；（2）避雷針接地極與鉆塔本身、鉆塔繃?yán)K、電機(jī)接地和孔口處的保護(hù)距離應(yīng)大于3m；（3）避雷針應(yīng)安裝在鉆塔頂部，高出塔頂1-3米（見表1）；（4）在避雷針接地裝置附近，由于跨步電壓甚高，人員接近時(shí)有觸電的危險(xiǎn)，一般在避雷針接地裝置附近10米的范圍內(nèi)是比較危險(xiǎn)的；（5）避雷針引下線與鉆塔繃?yán)K距離不小于1米。結(jié)語一定要注意科學(xué)設(shè)計(jì)和安裝鉆探避雷針，不要輕視避雷技術(shù)各種環(huán)節(jié)的科學(xué)原理，更不可輕易自行設(shè)計(jì)安裝避雷針。要確保避雷裝置發(fā)揮效能，不但要正確設(shè)計(jì)、正確安裝，還要經(jīng)常保養(yǎng)，使它經(jīng)常處于良好狀態(tài)，這樣一般就可使鉆塔、鉆機(jī)尤其是施工人員免受雷擊傷害了。參考文獻(xiàn)：蘆洪偉?避雷針保護(hù)范圍計(jì)算方法之比較[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（1）:36-37.馬宏達(dá).避雷針保護(hù)范圍的模擬試驗(yàn)理論與爭議.工科物理,1998S1:柳玲,黃忠儉.常規(guī)避雷針與提前放電避雷針的比較[J].黑龍江氣象,2008（2）:45-46.呂步麟.山區(qū)避雷針保護(hù)范圍的簡化計(jì)