加油站雷击接触电压分析

加油站雷击接触电压分析

林涛,秦健,刘玉杰

（中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室，重庆市气象安全技术中心，重庆，401147）

摘要：接触电压对人员造成伤害是雷击伤害中一种普发方式，通过对加油站遭受雷击后人员因接触电压造成损伤的计算分析，探索在不同雷电设防等级情况下，对活动人员的人身安全防护。

关键词：加油站；雷电；接触电压；危害

Analysis of lightning contact voltage in gas station

Lin Tao  Qin Jian  Liu Yujie

(China Meteorological Administration Economic Transformation of Climate Resources Key Laboratory, Chongqing Meteorological Safety Technology Center, Chongqing，401147)

Abstract:The damage caused by contact voltage to personnel is a common way of lightning damage. Through the calculation and analysis of the damage caused by contact voltage to the personnel after being struck by lightning at the gas station, the personal safety protection for the active personnel under different lightning protection levels is explored.

Keyword: gas station；thunder and lightning；touch voltage; harm

1  引言 

雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一，也是“电子时代的一大公害”。伴随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，各地的机动车辆也在迅速增加，城市机动车公共加油站这一为之提供能源的配套服务设施也在迅速的增加。加油站在城市交通建设中起着重要的作用，也是城市灾害救助中的重要能源基地。但是，近年来加油站的雷电灾害事故频繁发生，直接威胁到加油站周围人群和建筑物的安全，削弱了加油站作为城市能源枢纽的功能，因此加油站的雷电防护是非常重要的[1]。

目前，国内对加油站的防雷有了一些研究，如帅士春、杨红等对汽车加油站综合防雷[2-3]、陈永峰等对加油站的防雷措施[4]、杨扬等对大型储油罐区雷电防护方式及测雷预警安全措施[5]研究等，但针对加油站罩棚内活动的人群，一旦罩棚遭受雷击，因接触电压造成人员伤亡的情形尚未有相关分析。这使得我们在进行不同加油站的安全设计时，没有具体可供参考的值，也不能根据科学的理论数据来确定加油站罩棚所需要的雷电防护水平。因此，运用雷电灾以及安全评价的有关理论和方法，计算出在不同设防等级雷电设防情况下，其雷击电磁脉冲影响范围及强度，并根据该加油站实际存量，计算出一旦发生雷击起火或爆炸情况下具体的危害范围，这具有十分重要的现实意义[6]。

2  加油站防雷类别划分

某加油站工程位于某城区，总占地面积987 m2，设计为三个储油罐，共储汽油60m3，；有加油机三台，加油枪三支；加油棚为单层，辅助用房为3层（图略），高15m。项目建筑雷电防护按二类防雷建筑物设计。雷电防护分区：钢筋混凝土外部为雷电防护分区的LPZ0区，其中处于接闪器保护范围以外的为LPZ0A区，处于接闪器保护范围以内的为LPZ0B区；铝合金窗、钢筋混凝土构成格栅形大空间屏蔽体内部为雷电防护分区的LPZ1区；如果内部在房间或设备外加装屏蔽体，屏蔽体内部构成雷电防护分区的LPZ2区。

根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）建筑物年预计雷击次数按下式计算： N=kNgAe；Ng=0.024Td

式中N建筑物预计雷击次数（次/a）；

k 雷击次数校正系数；在此类型情况下取2； 

Ng 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2·a）]； 

Ae 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）； 

Td 该地区的年平均雷电日数，

在下列情况下k取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；

将该加油站的尺寸及所属区域雷电参数代入，得到N=kNgAe≈0.0628次/a，故为二类防雷建筑物。 

3 加油站罩棚中活动人群所承受接触电压、电流情况分析

由于该加油站为二类防雷建筑物，冲击电流取I=150kA，罩棚设有2组引下线，分流系数K

C=1/n（加油站采用网格型接闪器），故流过每组引下线的雷电流I=150kA/2=75kA。

根据《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB50156-2021）中第13.2.2条规定，汽车加油加气加氢站的雷电防护接地、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，接地电阻不应大于4Ω。故我们取4Ω来计算。引下线地上高度hx处的电位为：

在这里，我们将人员接触位置高度0┄2.7m带入计算，

则人员承受的接触电压U=20.25kV   

人体阻抗受皮肤状态、接触电压、电流、接触面积、接触压力等多种因素的影响，在很大的范围内变化。角质层的击穿强度只有500～2000V/m，数十伏的电压即可击穿角质层，使人体阻抗大大降低。接触电压在50～100V以下时，随着接触电压升高，人体阻抗明显降低。在角质层击穿后，人体阻抗变化不大。皮肤击穿后，人体阻抗近似等于体内阻抗。人体阻抗取决于一定因素，特别是电流路径，接触电压、电流持续时间、频率，皮肤潮湿度，接触面积，施加的压力和温度等。在工频电压下，人体的阻抗随接触面积增大、电压愈高，而变得愈小。IEC综合了历年来关于人体阻抗的研究成果，严密审查了大量尸体的实测数据，得出人体在50/60Hz交流电时，成人的人体阻抗在1000Ω左右。人体内阻抗是指与人体接触的两电极之间的阻抗。忽略频率对人体内阻的容性及感性分量影响，那么人体内阻差不多是起电阻作用，虽然受电流路径的影响，但其值一般在500Ω左右，这对整个人体阻抗（约100kΩ）来说是相当小的，因此可以近似地认为它是个恒定为500Ω的电阻值。同时，人体对地的冲击接触电阻为600Ω。雷电冲击电压作用在活动人员身上时，电路中的电阻为600+500=1100Ω（500Ω为人体冲击电阻最小值）则通过人体电流I=20250/1100=18.41A。

以此可以计算出当加油站在不同雷电防护设防等级下，采用不同数量引下线时，通过的人体电流，具体见图1。

图1不同数量引下线与流过人体电流

综合中、苏、日的人体和牛的冲击试验结果，以及美国达尔基尔对动物的基础性研究（其结果几十年来为中国、苏、美、日等国在工程中广泛使用，包括美国AIEE接地导则的引用），到目前为止可以列出人体允许的危险电流为以下的结论：

——1.2/50us波形，由公式算出人体允许电流23A。

——由分析雷击事故得出的人体危险电流100A，按较大安全系数2.0，算出安全电流50A。

——由苏联科学院牛的接触电压下试验危险电流160A，按安全系数2，允许安全电流80A，按人与牛体重1:4推算出允许电流20A。

——由我国劳动保护部门的安全技术手册中危险电流曲线，按安全系数算出50us为40A，100us为27A。

——日本试验研究，人体能耐受的冲击电流3.7A。

可见各国研究结果分散性很大，其范围是：3.7A—20A—40A—50A。

所谓危险电流，并非是雷击烧伤致死或对心脏、脑神经破坏致死，而是按达尔基尔理论，采用心脏纤维性颤动，电流过去后不能恢复，而且由于人的差异，是以99.5%的概率为依据。所以一旦该加油站遭受直接雷击，罩棚内活动的人群如接触到引下线钢柱时，极易因雷击过电压引起人身伤亡。

7  结论

一旦加油站罩棚遭受雷击，如加油站只有1到2组引下线，人体接触罩棚引下线极可能因接触电压导致死亡事故的发生；当引下线数量为3到7组时，也会因接触电压引起人员受伤甚至是死亡。故此，当加油站罩棚引下线数量小于10组时，应根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）第4.5.6条规定，在距地面2.7 m以下的引下线用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘层隔离，或用至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离。

参考文献：

[1] 李家启,李良福.雷电灾害典型案例分析[M]. 北京：气象出版社,2006.

[2] 帅士春，成峰. 汽车加油站综合防雷方案探讨[J].贵州气象.2005,29(5):30-31.

[3] 杨红，春陈永，丁丽佳. 浅谈加油站防雷[J]. 广东科技,2009，9：92-93.

[4] 陈永峰.加油站的防雷措施[J]. 石油库与加油站,2005, 14(4):29-31.