塔式起重機的防雷分析

摘 要：本文通過對塔式起重機防雷的研究，對使用塔式起重機金屬結構作為防雷裝置作了分析，并提出了為達到良好的防雷效果而應滿足的幾個條件。

關鍵詞：塔式起重機；防雷裝置；分析

1 引 言

塔式起重機普遍工作于室外，自身高度通常高過附近建筑物或獨立于空地之中，受到雷擊的可能性很大。因此，為了防止雷擊時造成設備損壞和人員傷亡對露天工作的塔式起重機均應有合適的防雷保護措施。GB6067.1-2010《起重機械安全規程第1部分：總則》第8.8.7條有如下要求：“對于安裝在野外且相對周圍地面處在較高位置的起重機，應考慮避除雷擊對其高位部件和人員造成損壞或傷害。”當前，部分塔式起重機在塔頂和臂架頭部安裝了避雷裝置。通過工作中的總結，筆者認為：塔式起重機的防雷可以利用金屬結構作為接閃器和引下線，利用電氣設備及金屬結構的接地裝置作為防雷接地裝置，而不必另設防雷裝置。

2 塔式起重機金屬結構作為接閃器及引下線

一套完整的防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。避雷針、避雷線、避雷帶及避雷網都可以作為接閃器，都是利用它們高出被保護物的突出地位，把雷電引向自身，然后通過引下線和接地裝置把雷電流泄入大地。接閃器端部的形狀，對其保護效能沒有影響，接閃器涂漆可以防止銹蝕，對防雷作用也沒有影響。因此，對塔式起重機防雷沒有必要在起重機的突出部位焊上直立的鋼筋或固定直立的金屬棒作為接閃器，涂漆的起重機金屬結構完全可以作為接閃器。

參照GB50057-2010《建筑物防雷設施規范》第4.4.5條規定：“建筑物宜利用鋼筋混凝土屋面、梁、柱、基礎內的鋼筋作為引下線和接地裝置。”即以女兒墻內的鋼筋作為接閃器，以柱作為引下線，以基礎作為接地裝置”。因此，接閃器及引下線均可以人為地設置，或者直接利用建筑物的金屬導體。所以，塔式起重機利用金屬結構作為接閃器及引下線應是允許的，關鍵是起重機金屬結構能否滿足接閃器及引下線對機械強度和耐腐蝕性的要求，以及能否滿足承受雷電流的熱破壞作用。GB50057-2010《建筑物防雷設施規范》規定了接閃器及引下線的材料、規格及最小尺寸，經對比，可見起重機的金屬結構能滿足有關接閃器及引下線的要求。此外，因為塔式起重機的金屬結構并不是一個整體，而是由塔帽、過渡節、回轉機構、臂架節、標準節等金屬構件組成，它們之間由高強度螺栓連接形成整體結構。因此，為了保證金屬結構之間有良好的導電連通性，對于高強度螺栓的緊固必須采用力矩扳手以達到設計要求。所以，起重機利用金屬結構作為接閃器及引下線是允許的、可行的，不必另行設置防雷裝置。

3 雷電流的影響

起重機遭雷擊時，雷電流沿金屬結構經接地裝置入地。這時在金屬結構及接地裝置上升高的電位，等于電流與阻抗的乘積。雷電流的幅值和雷電流變化率很大，在接地裝置及不同高度的金屬結構上，由于電阻及電感的作用，電位升高的幅值也很大，極易產生反擊閃絡。這會不會對司機室內和起重機附近工作人員以及起重上電氣設備產生損壞或傷害？分別論述如下：

3.1 雷擊對起重機司機的傷害

塔式起重機利用金屬結構作為防雷接閃器及引下線。依據法拉第原理，雷擊起重機時，高壓電流通過金屬結構入地，司機室處在高壓電場中，此時的司機室相當于法拉第籠，高壓電場不能穿透它。雖然籠子出現了高電位，籠內與籠子是等電位，籠內司機的電位也同樣升高，但由于司機與籠子始終是等電位的，所以人在其中而金屬結構對人不發生電擊現象。此時，這與小鳥站在一根高壓線上不受電擊是相似的，也與穿金屬均壓服帶電作業相似，這種等電位防雷是法拉第原理的應用。因此，雷擊時司機室內的人員不會受到傷害。但必須強調：司機室金屬構架與起重機金屬結構必須有可靠的金屬連接，同時，構架之間的連接應采用跨接線，以保證引下線連通性良好。

國家電網公司武漢高壓所通過大型模擬試驗和現場測試，全面證實了高壓線塔等電位防雷的可靠性。高壓線塔遭雷擊時，線塔本身作為接閃器及引下線，把雷電流導入大地，而金屬底座內與塔身等電位的實驗物體并沒有受到傷害。

3.2 對起重機上電氣設備的損壞

塔式起重機遭到雷擊時，金屬結構的電位將瞬時提高，但起重機上電氣設備的電氣回路另有一個它自己的電位。例如，低壓電力電源正常情況下對大地電位為220V，這個電位不一定和電氣設備外殼（金屬結構）電位同時升高相同的數值。電氣設備外殼與設備供電電源回路之間將瞬時存在相當高的電位差，于是可能發生電擊放電，擊穿絕緣，損壞設備。為此應在供電電源引入起重機的進線處，起重機的電氣設備上，設置與其電源電壓相對應的電涌保護器，并與電氣設備和金屬結構的接地連接在一起，防止雷擊時損壞電氣設備。

3.3 對起重機附近地面上工作人員的傷害

塔式起重機附近地面的工作人員與大地同電位，電位不會立即隨金屬結構及接地裝置的電位升高而升高，金屬結構與附近地面上工作人員存在相當高的電位差，會造成高壓電弧觸電，或者由于跨步電壓的作用，對地面工作人員造成傷害。

為了防止雷擊對附近工作人員的傷害，雷雨時應禁止在起重機金屬結構、大車軌道及接地裝置附近停留。但是起重機即使裝有合適的避雷裝置，雷擊時站在避雷裝置的引下線或接地裝置附近地面上，同樣會受到傷害。對此，應采用以下措施：

（2）用網狀接地裝置對地面作均衡電位處理。

（3）用護欄、警告牌使進入距引下線及接地裝置3m范圍內地面的可能性減小到最低限度。

4 接地裝置的要求

對于無特殊要求的塔式起重機，應采用TN-S接零保護系統供電。GB/T5031-2008《塔式起重機》第5.5.5.9條規定：“為避免雷擊，塔機主體結構、電機機座和所有電氣設備的金屬外殼、導線的金屬保護管均應可靠接地，其接地電阻不大于4Ω，采用多處重復接地時，其接地電阻不大于10Ω。塔式起重機通常采用固定基礎，深度可達2m以上，基礎內部設有鋼筋網與土層接觸，可以視其為接地網。對于沿地面行走的塔式起重機，則應在其每側大車軌道設置接地裝置，一般每側不得少于兩處。通過在工作中的實際測量，以上方式通常能滿足接地電阻的要求。減小接地電阻，雷擊時可降低金屬結構電位的升高值；可減輕對起重機附近地面工作人員和電氣設備的傷害及損壞。

對于一些特殊地形地貌區域，例如巖石地區、高土壤電阻率地區，塔式起重機接地方式如采用常規方法接地電阻往往偏大。對此，應采用必要的應對措施。如：

（1）采用電阻率較低的土壤（例如黑土、粘土或沙質粘土等）加上適量的食鹽和木炭，置換埋設接地裝置區域的高電阻率土壤，以達到降低土壤電阻率的效果。

5 結 論

根據以上分析，塔式起重機只要滿足以下三個條件：

（1）金屬結構之間具有良好的導電連通性。

（2）在電氣回路上設置適當的電涌保護器。

（3）符合要求的接地裝置。

則不必另行設置獨立的避雷裝置，利用整體金屬結構作為接閃器和引下線，可以達到良好的防雷效果。

參考文獻

[1]范俊祥.塔式起重機[M].北京：中國建材工業出版社，2004.

[2]孫桂林等.起重機械安全技術手冊[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[3]嚴尊湘.塔式起重機基礎工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4]中國機械工業聯合會.建筑物防雷設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2010.

[5]中國機械工業聯合會.塔式起重機[M].北京：中國標準出版社，2008.

作者簡介：郭曉東（1974-），男，漢族，湖南張家界人，大學本科，工程師，從事特種設備檢驗工作。