钻塔避雷针的设计及安装

钻塔避雷针的设计及安装张西坤（河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂，河北石家庄050031）摘要：概述了钻塔避雷针防雷原理，分析了钻塔避雷针保护范围和引雷区域的计算和确定原则，对常见的钻塔避雷针进行了设计，给出了详细的结构方案，指出了钻塔避雷针安装注意事项。关键词：钻塔；避雷针；保护范围；引雷区域；0引言在水文地质、工程地质、地热施工、地质找矿、石油天然气开发等领域，由于是露天野外作业，雨季钻探施工，在空旷的野外，高耸的钻塔、矗立的井架直插云端，如何防止雷击伤害事故的发生显得尤为重要，设计安装避雷针是行之有效的防雷措施之一。避雷针能起到防护作用的原因，是因为位置较高，且接地良好，当雷电接近避雷针附近，向避雷针主放电，其放电电流由避雷针及其接地装置传入地下，从而保护了一定空间范围内的物体免遭直接雷击。1避雷针组成及工作原理1.1避雷针的组成避雷针由接闪器、接地引下线和接地极三部分串联组成。接闪器的位置高于钻塔顶部；接地引下线的截面积不但应根据雷电流通过时的发热情况计算，使其不会因过热而熔化，而且还要有足够的机械强度。接地体不仅要安全地把雷电流由此导入地中，而且还要使雷电流在流入大地时均匀地分散开去。1.2避雷针的工作原理就其工作原理本质而言，避雷针不是避雷，而是利用其高耸空中的有利地位，把雷电引向自身，承受雷击。同时把雷电流导入地下，起着保护其附近比它矮的构件或设备免受雷击的作用。2钻塔避雷针的保护范围2.1折线法确定保护范围钻塔为金属构架，而且高度一般在70米以内，防雷适用于采用折线法确定避雷针的保护范围（折线法在高度120米以内适用），折线法设计直观，计算简便，节省投资，它具有工程合理性的优势，并经过长期丰富的运行实践，保护可靠性高。钻塔避雷针保护范围如图1所示。rxhahxh/2h地面上的保护范围hx水平面上的保护范围1.5h图1折线法确定的钻塔避雷针保护范围（1）避雷针在地面上的保护半径为hr5.1式中r——保护半径h——避雷针高度（2）在钻塔高度hx水平面上的保护半径为当phphhrhhaxxx)(2时当phhrhhxxx)25.1(2时式中xh——钻塔高度范围内任一水平面高度xr——避雷针在xh水平面上的保护半径ah——避雷针的有效高度p——避雷针的高度影响系数（考虑避雷针太高时，保护半径不按正比例增大的系数）当130ph米时，当hph5.512030米时，米当h米米时，取其等于1201205.0120/5.5p2.2举例我们用具体例子来计算钻塔避雷针的保护范围。一座A27m钻塔，钻塔从地面到塔顶的总高为xh=28m，避雷针尖端高出钻塔2m。那么避雷针高度h=30m,避雷针在地面上的保护半径mhr45305.15.1避雷针对钻塔顶部水平面的保护半径mphhrxx21)2830()(避雷针在二层台18m的位置的保护半径为（二层台高度mhmhx14228218）mphhrxx121)1830()(图2A27m钻塔避雷针保护范围实例由A27m钻塔的塔顶、二层台和底盘结构可知，所有结构没有接近或超出其保护半径的范围，也就是说都在避雷针的保护范围内，所以绝对是安全的。3钻塔避雷针的引雷区域图3雷击针地分界面的理论分析图30m27m28m45m45m15m我们要重点研究一下如何让避雷针有效地把附近的雷电引到自身并传至地下，这样就要认真分析雷击针地分界问题，即确定避雷针的引雷区域，图3为雷击针地分界面的理论分析图，据此可以求出雷击避雷针和地的理论分界线。图中L为避雷针尖，其高度为h，P（x，y）为雷电极头部，其对地高度为H，E为雷电极正下方的投影点，L、P之间的距离为R。当P点维持k=R/H等于某一常数(约等于1)在图面上运动时，其运动轨迹就是雷击避雷针和地的理论分界线。分界线以y轴为中心旋转就是立体的分界面。分界面内为雷击避雷针的空域，分界面以外为雷击大地的空域。分界面附近引下的雷击地面为散击区。钻塔避雷针的引雷能力强，当侧方袭击来的下行雷电被避雷针引近而未能在针端接闪时，会出现闪电击中避雷针附近地面的情况，使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大，该地面称为散击区。远离避雷针的地方雷击率不受避雷针的影响，称为正常区。高耸的钻塔和高架避雷针引雷招致雷击率增高并存在散击区，所以防雷专家历来不主张用高架避雷针保护钻塔，主张用短针和避雷带防雷就是考虑了既能发挥它的引雷作用，又避免增加散雷区。由以上分析避雷针保护原理可以看出，避雷针的引雷空域和保护范围是两个不同的概念，引雷区域是闪电弧道可能分布的空间，它在高空，研究引雷区域可以充分认识设置避雷针的必要性就是消除隐患；后者是避雷针能有效地屏蔽被保护物免于遭受雷击的空间，它是避雷针四周一定高度和半径内的低空，研究保护范围可以指导对避雷针进行正确的设计安装，避免因设计安装不当造成避雷针的“有形无用”，从而避免事故的发生；引雷区域和保护范围的空间位置不同，大小不同，作用不同。对避雷针的保护范围、引雷区域和散击区进行深入、全面、细致的分析，能确保避雷针对钻塔、钻机和人员的可靠保护。按照以上概念可以计算和确定出不同钻塔避雷针高度、地面保护半径和散击区半径。表1不同钻塔的避雷针高度、地面保护区半径和散击区半径（单位：m）钻塔有效高度H131518242731414555钻塔总高HZ141619252834465370避雷针高度h151720273036.548.85673.5避雷针有效高度ha111222.52.833.5塔顶水平面保护半径rd111222.272.22.22.24地面保护区半径r22.525.53040.5453338.141.247地面散击区半径rs1081161271471551701952112414钻塔避雷针的设计及安装4.1钻塔避雷针设计图图4一种钻塔避雷针设计图我们设计的钻塔避雷针基本型式如图所示，有以下特点：（1）避雷针支撑杆部位必须镀锌，操作时注意保护镀锌层；（2）采用Φ10mm铜棒制作接收器，坚固耐震动，导电性好；（3）用高压瓷瓶（击穿电压大于10kV以上）或酚醛树脂电木（击穿电压大于10kV以上）将避雷针和支撑杆隔开；（4）避雷针引下线用截面积不小于25mm²的铜质电缆或30mm²的铝质电缆；（5）接地极用封底钢管内装满大盐制成，保证接地电阻在15欧姆一下。4.2钻塔避雷针安装注意事项图5钻塔避雷针安装示意图高压瓷瓶（击穿电压大于10kv）或酚醛树脂电木（击穿电压大于10kv）支撑杆（镀锌）1-3m紫铜Ø12大盐钢管接地电阻不大于15欧姆25mm2铜线缆或30mm2铝质线缆接地引下线接闪器钻塔引线接地极绷绳接闪器瓷瓶或电木地面（1）避雷针应垂直安装牢固，垂直度允许偏差为3/1000；（2）避雷针接地极与钻塔本身、钻塔绷绳、电机接地和孔口处的保护距离应大于3m；（3）避雷针应安装在钻塔顶部，高出塔顶1-3米（见表1）；（4）在避雷针接地装置附近，由于跨步电压甚高，人员接近时有触电的危险，一般在避雷针接地装置附近10米的范围内是比较危险的；（5）避雷针引下线与钻塔绷绳距离不小于1米。5结语一定要注意科学设计和安装钻探避雷针，不要轻视避雷技术各种环节的科学原理，更不可轻易自行设计安装避雷针。要确保避雷装置发挥效能，不但要正确设计、正确安装，还要经常保养，使它经常处于良好状态，这样一般就可使钻塔、钻机尤其是施工人员免受雷击伤害了。参考文献：[1]芦洪伟.避雷针保护范围计算方法之比较[J].江西电力职业技术学院学报,2008(1):36-37.[2]马宏达.避雷针保护范围的模拟试验理论与争议.工科物理,1998S1:[3]柳玲,黄忠俭.常规避雷针与提前放电避雷针的比较[J].黑龙江气象,2008(2):45-46.[4]吕步麟.山区避雷针保护范围的简化计算及作图[J].高电压技术,2000(6):53-54.[5]王常余.建筑物防雷设计中几个问题的探讨[J].低压电器,2008(2):16-19.作者简介：张西坤（1968-），男（汉族），河北安平人，河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂教授级高级工程师，机械工程硕士，从事钻探机械的研制开发与技术管理工作，河北省石家庄市和平东路381号，[e-mail]