1、對爆炸危險環(huán)境建筑物防雷設(shè)施選擇和布置的探討趙 瑛 摘要：隨著人類社會的不斷進步，對雷電的認識已不僅僅局限于自然現(xiàn)象的范疇。我們今天研究雷電，并根據(jù)日趨成熟的雷電理論去防止雷擊所造成的危害，其意義是可想而知的。在電氣工程技術(shù)中，對爆炸危險環(huán)境的建筑物采取必要的防雷設(shè)施不容忽視。爆炸危險環(huán)境建筑物防雷由于其“特殊性”倍受電氣工程技術(shù)人員關(guān)注。本文結(jié)合相關(guān)雷電理論，對有關(guān)的防雷設(shè)施選擇和布置集中進行了闡述，希望借此機會，和業(yè)內(nèi)同行探討。 關(guān)鍵詞：爆炸危險環(huán)境 防雷設(shè)施 相關(guān)原則和結(jié)論 等電位聯(lián)結(jié) 1 引言 隨著世界能源及化工工業(yè)的發(fā)展，電氣工程技術(shù)人員對爆炸危險環(huán)境的接觸越來越廣泛。由于爆炸危險環(huán)
2、境的建筑物遭受雷擊后，會引發(fā)大功率雷電放電，從而形成電火花引起爆炸，造成巨大的破壞和人身傷亡，這樣的例子不少。對這類建筑物采取有效的防雷設(shè)施業(yè)已成為電氣工程技術(shù)人員的重要任務(wù)。這既是難點，也是重點。 2 相關(guān)概念 21 爆炸危險環(huán)境建筑物的防雷劃分 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB5005794根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)以及發(fā)生雷電事故的可能性和后果把爆炸危險環(huán)境的建筑物防雷分為兩類。如表11所示： 表1-1 爆炸危險環(huán)境的建筑物防雷分類 危險區(qū)域 防雷等級 0區(qū)（10區(qū)） 1區(qū) 2區(qū)（11區(qū)） 第一類防雷建筑物 是 電火花容易引起爆炸并造成巨大破壞和人身傷亡者 否 第二類防雷建筑物 是 電火花不易引
3、起爆炸或爆炸不致造成巨大破壞和人身傷亡者 是 另外，有爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐屬于第二類防雷建筑物。那么，上表中0區(qū)（10區(qū)）、1區(qū)和2區(qū)（11區(qū)）又是如何劃分的呢？ 22 爆炸危險環(huán)境的等級劃分 IEC7910標準和我國的爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范GB5005892對爆炸氣體環(huán)境做了如下的闡述： （一）在大氣條件下，易燃氣體、易燃液體的蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物； （二）閃點低于或等于環(huán)境溫度的可燃液體的蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物； （三）在物料操作溫度高于可燃液體閃點的情況下，可燃液體可能泄漏時，其蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物。 上述爆炸氣體環(huán)境根據(jù)爆炸氣體
4、混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，按照下列規(guī)定進行等級分區(qū)： （一）0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸氣體混合物的環(huán)境，或者說存在著連續(xù)級釋放源的區(qū)域； （二）1區(qū)：在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸氣體混合物的環(huán)境，或者說存在著第一級釋放源的區(qū)域； （三）2區(qū)：在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸氣體混合物的環(huán)境，即使出現(xiàn)也是短時間存在爆炸氣體混合物的環(huán)境，或者說存在著第二級釋放源的區(qū)域； （四）當通風良好時，應(yīng)降低爆炸危險區(qū)域等級；當通風不良時，應(yīng)提高爆炸危險區(qū)域等級。 我國的爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范對爆炸粉塵環(huán)境做了如下的闡述： 在大氣條件下，爆炸粉塵、可燃性導(dǎo)電粉塵、可燃性非導(dǎo)電粉塵和可燃纖維與空氣形成
5、爆炸氣體混合物。同樣根據(jù)爆炸粉塵混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，按照下列規(guī)定進行等級分區(qū)： （一）10區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸粉塵混合物的環(huán)境； （二）11區(qū)：有時會將積留下來的粉塵揚起而偶然出現(xiàn)爆炸粉塵混合物的環(huán)境。 對上述這些爆炸危險環(huán)境的一、二類防雷建筑物，其防雷設(shè)施應(yīng)如何選擇和布置呢？ 3 防雷設(shè)施的選擇和布置 為簡便起見，本章節(jié)所列建筑物均為爆炸危險環(huán)境建筑物。另外，雷電的危害主要有三種：直擊雷、感應(yīng)雷和雷電波入侵，本章節(jié)所闡述的建筑物防雷設(shè)施針對前兩種，對于雷電波入侵所采取的措施請參見相關(guān)的技術(shù)文獻。 31接閃器 眾所周知，雷電放電有兩種，一種為云間或云內(nèi)放電；另一種為云對地放電
6、，也就是常說的直擊雷。直擊雷放電主要由雷云負、正先導(dǎo)電荷同地面高聳突出物的正、負先導(dǎo)電荷“中和”而形成，兩者之間的電位可高達數(shù)千萬伏甚至上億伏。地面的突出物越高，則產(chǎn)生上行先導(dǎo)需要的平均雷云下電場E0越小，相對放電電流IL越小。 基于上述原由，如果爆炸危險環(huán)境建筑物沒有防雷設(shè)施，則建筑物以下部位易遭受雷擊，如圖31所示： 為了保護爆炸危險環(huán)境建筑物避免雷擊放電形成電火花引起爆炸，應(yīng)設(shè)置接閃器，接閃器由下列一種或多種設(shè)施組合而成： （一）獨立避雷針； （二）架空避雷線或架空避雷網(wǎng)； （三）直接裝在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)，且避雷網(wǎng)（帶）應(yīng)沿圖31所示易受雷擊的部位敷設(shè)。 避雷針、避雷帶、
7、避雷網(wǎng)保護范圍計算有多種方法，一般來說，我們采用“滾球”計算法，其具體計算過程參見建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB5005794。 表3-1 爆炸危險環(huán)境建筑物防雷設(shè)施選擇和布置形式表 防雷等級 防雷設(shè)施 第一類防雷建筑物 （滾球半徑30m）第二類防雷建筑物 （滾球半徑45m） 架空避雷網(wǎng) 布置尺寸 5m5m或6m4m 不需要 裝在建筑物上的避雷網(wǎng)（帶） 當建筑物太高或其它原因難以裝設(shè)獨立避雷針、架空避雷線、架空避雷網(wǎng)時可以采用這種措施并同建筑物上的避雷針組成混合接閃器，避雷網(wǎng)格布置尺寸如上。 布置尺寸 10m10m或12m8m 相關(guān)備注 當排放物達不到爆炸濃工、長期點火燃燒、一排放就點火燃燒以及發(fā)生事
8、故時才達到爆炸濃度的通風管、安全閥，接閃器保護范圍可僅保護到管帽，無管帽時可以保護到管口。否則，為了防止接閃器在0區(qū)或1區(qū)接閃以及感應(yīng)雷在0區(qū)或1區(qū)放電，無管帽時，接閃器應(yīng)保護到管口上方5m的半球體；有管帽時，保護范圍見表3-2 對裝有阻火器的排放爆炸氣體蒸氣或粉塵的放散管、呼吸閥、排風管等管道，1區(qū)、11區(qū)和2區(qū)爆炸危險環(huán)境的自然通風管 （一）金屬物體可不裝接閃器； （二）在屋面接閃器保護范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝設(shè)接閃器，并和屋面防雷設(shè)施相聯(lián)。 其它同第一類防雷建筑物 表3-2 有管帽的管口接閃器的保護范圍 裝置內(nèi)的壓力與周圍空氣壓 力的壓力差（kPa） 排放物的比重 管帽以上的垂直 高度（
9、m） 距管口處的水平 距離 5 重于空氣 1 2 525 重于空氣 2.5 5 25 輕于空氣 2.5 5 25 重或輕于空氣 5 5 布置接閃器時，應(yīng)該采取表31所涉及的措施，使保護范圍更加全面、合理。 另外，當直擊雷擊中接閃器，且接閃器與被保護建筑物、與被保護建筑物附屬金屬物之間沒有等電位措施時，為防止接閃器產(chǎn)生高電位對這些物體發(fā)生反擊，還應(yīng)使接閃器與這些物體之間保持一定的安全距離，這一點可以通過圖32所示的簡化模型加以理解。表33中則列出了式32簡化以后應(yīng)該在工程中采取的接閃器防雷電反擊距離。 32引下線 當雷電流經(jīng)過接閃器引流后，將通過引下線進入大地“中和”。引下線布置的合理，會大大降
10、低雷電過電壓。在我國的建筑物防雷設(shè)計規(guī)范中，引下線布置應(yīng)注意以下幾點。 對于一類防雷建筑物： （1）金屬屋面周邊每隔1824m應(yīng)采用引下線接地一次；（2）現(xiàn)場澆制的或由預(yù)制構(gòu)件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋宜綁扎或焊接成閉合回路，周邊每隔1824m應(yīng)采用引下線接地一次；（3）建筑物上有接閃器時，其周邊引下線間距不大于12m。 對于二類防雷建筑物： 引下線不應(yīng)少于2根，并應(yīng)沿建筑物四周均勻或?qū)ΨQ布置，其間距不應(yīng)大于18m。 對于一、二類防雷建筑物，沒有采取等電位措施時，應(yīng)滿足表33所列引下線的防雷電反擊距離。 實際上，要保證表33所列安全距離，還是有一定困難的。因此，對于裝有防雷設(shè)施的建筑物，在防
11、雷設(shè)施與其它設(shè)施及建筑物內(nèi)人員無法隔離的情況下，應(yīng)采取等電位聯(lián)結(jié)。這一點也是在工程實際中經(jīng)常采取的措施。 引下線的制作及安裝參見相關(guān)國家標準圖集。如99D562等。 33防雷接地裝置 從圖32和式32可以看出，接地裝置的選擇和布置可以大大影響建筑物的防雷效果，對于獨立避雷針、架空避雷線或架空避雷網(wǎng)應(yīng)有其獨立的防雷接地裝置，應(yīng)滿足表33的安全距離要求。裝在建筑物上的避雷針、避雷網(wǎng)（帶），其接地裝置可以與電氣設(shè)備接地、防雷電感應(yīng)接地合并設(shè)置，取其中接地電阻的最小值，不合并時，須滿足表33的安全距離要求。接地裝置工頻接地電阻值選擇和計算應(yīng)符合電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范。 表3-3 防雷設(shè)施至被保護建筑物
12、,附近金屬的安全距離 防雷等級 防雷設(shè)施 第一類防雷建筑物 第二類防雷建筑 Ri:沖擊接地電阻。 hx:計算點的高度（m）。 h:支柱高度（m）。 T:避雷線的長度 T1:從避雷網(wǎng)中間最低點沿導(dǎo)體至電近支柱的距離（m）。 n:避雷網(wǎng)11的倍數(shù)。 Kc:分流系數(shù)。 架空避雷線Sa1、架空避雷網(wǎng)（接閃器）Sa2 1.Sa10.2Ri+0.03(h+1/2) (h+1/2)5Ri Sa10.05Ri+0.06(h+1/2) (h+1/2)5Ri 2.Sa2(1/n)0.4Ri+0.03(h+11) (h+11)5Ri Sa2(1/n)0.1Ri+0.12(h+11) (h+11)5Ri 安全距離除滿
13、足上述表達式外,還不應(yīng)小于3m 獨立避雷針和架空避雷線、網(wǎng)的支柱或引下線Sa3，建筑物防雷的引下線Sa4 1.Sa30.4(Ri+0.1hx) (hx5Ri) Sa30.1(Ri+0.1hx) (hx5Ri) 安全距離除滿足上述表達式外,還不應(yīng)小于3m1.Sa40.3Kc(Ri+0.1hx) (hx5Ri) Sa40.075Kc(Ri+hx) (hx5Ri) 2.Sa40.075Kchx 當金屬物或電氣線咱與防雷接地裝置汀連時,應(yīng)滿足上述表達式1.相連或通過過電壓保護器相連時,應(yīng)滿足上述表達式. 防雷接地裝置Se1 Sel0.4Ri 安全距離除滿足上述表達式外,還不應(yīng)小于3m Sel0.3Kc
14、Ri 安全距離除滿足上述表達式外,還不應(yīng)小于2m. 另外，防直擊雷的人工接地體距建筑物出入口或人行道不應(yīng)小于3m，小于3m時應(yīng)采取下列措施之一： （1） 水平接地體局部深埋不應(yīng)小于1m；（2） 水平接地體局部應(yīng)包絕緣物，可采用50 80mm厚的瀝青層，其寬度應(yīng)超過接地體2m；（3） 采用瀝青碎石地面或在接地體上面敷設(shè) 5080mm厚的瀝青層，其寬度應(yīng)超過接地體2m；在防雷接地裝置與電氣接地裝置共用或相連的情況下：當?shù)蛪弘娫淳€路采用全長電纜或架空線換電纜引入時，宜在電源線路引入的總配電箱處加裝過電壓保護器；當Y ,Yn0型或D,yn11型接線的配電變壓器在本建筑物內(nèi)或附設(shè)于外墻處時，在高壓側(cè)和低
15、壓側(cè)均應(yīng)裝設(shè)避雷器。防雷接地裝置可采用環(huán)形接地裝置網(wǎng)，以降低各種感應(yīng)過電壓。 另外，接至防雷接地裝置的各種形式接地，除并列管道外不得串聯(lián)接地。 接地裝置的制作及安裝參見相關(guān)國家標準圖集，如86D563等。 34特殊建筑物防雷 有爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐，當其壁厚不小于4mm時，可不裝設(shè)接閃器，但應(yīng)接地，且接地點不應(yīng)少于兩處；兩接地點間距離不宜大于30m，沖擊接地電阻不應(yīng)大于30m 。放散管和呼吸閥應(yīng)滿足表31的要求。 4 相關(guān)原則和結(jié)論 在現(xiàn)實生活中，由于防雷設(shè)施選擇和布置不當造成損失的例子很多，如1987年7月，日本茨縣取手市一幢三層樓頂上安裝的避雷針遭雷擊，雷電涌流不能及時通過引下線瀉入
16、大地，形成局部電位抬高。室內(nèi)電器設(shè)備全部損壞，如果該建筑物為爆炸危險環(huán)境建筑物，后果不堪設(shè)想。 可以看出，對爆炸危險環(huán)境建筑物必須采取防雷設(shè)施，并且要做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。這同時也是對爆炸危險環(huán)境建筑物采取防雷設(shè)施的原則。 通過對爆炸危險環(huán)境防雷設(shè)施的闡述并結(jié)合防雷設(shè)施選擇的原則，作者認為爆炸危險區(qū)域范圍的準確劃分或者說防雷等級的準確劃分是合理選擇爆炸危險環(huán)境防雷設(shè)施的重要出發(fā)點。否則，將會選擇無端復(fù)雜的防雷設(shè)施，人為地提高防雷難度和工程投資。 在規(guī)范允許的情況下，應(yīng)多利用建筑物自身布置防雷設(shè)施，這樣大大可以降低實現(xiàn)表33所列安全距離的難度。 另外，從本文中還可以看出，等電位聯(lián)結(jié)是
17、解決表33所列安全距離難度有效方法，在布置防雷設(shè)施時，應(yīng)該多想想等電位聯(lián)結(jié)的措施，這對降低防雷難度，提高防雷質(zhì)量大有裨益。在工程實際中，還應(yīng)因地制宜，就地取材，盡可能利用鋼制支柱做引下線，對孤立的氣體放空金屬管道，如果裝上阻火器，防雷采用管柱直接接地即可，而阻火器的安裝對工藝專業(yè)來講也是容易做到的。 作者對這類建筑物的防雷也深感棘手，今天，認真考慮個中原由，爭取從中獲取點滴經(jīng)驗，并借此機會和同行探討，懇請各位專家批評指正，心中將不勝感激。 參考文獻 1 解廣潤主編，電力系統(tǒng)過電壓，水利電力出版社，1985年6月； 2 徐永根主編，工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊，水利電力出版社，1994年12月； 3 International Electrotechnical Commission，IEC7910，IEC10241，IECTC81； 4 機械工業(yè)部主編，建筑物防雷設(shè)計規(guī)范，中國計劃出版社，1994年10月； 5 化工部主編，爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范，中國計劃出版社，1992年12月。 本文章出自深圳市鑫森眾能科技有限公司，轉(zhuǎn)載請注明出處，更多下載請到：
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