防雷技術(shù)

爆炸危險環(huán)境建筑物防雷設(shè)施選擇和布置的探討

摘　要：隨著人類社會的不斷進(jìn)步，對雷電的認(rèn)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(jìn)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)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
2．1 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》GB50057－94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1－1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？
2．2 爆炸危險環(huán)境的等級劃分
IEC79－10標(biāo)準(zhǔn)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》GB50058－92對爆炸氣體環(huán)境做了如下的闡述：
（一）在大氣條件下，易燃?xì)怏w、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(jìn)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(dāng)通風(fēng)良好時，應(yīng)降低爆炸危險區(qū)域等級；當(dāng)通風(fēng)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(jìn)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(xiàn)。
3．1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，也就是常說的直擊雷。直擊雷放電主要由雷云負(fù)、正先導(dǎo)電荷同地面高聳突出物的正、負(fù)先導(dǎo)電荷“中和”而形成，兩者之間的電位可高達(dá)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3－1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3－1所示易受雷擊的部位敷設(shè)。
避雷針、避雷帶、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》GB50057－94。

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

表3-2 有管帽的管口接閃器的保護范圍
　

布置接閃器時，應(yīng)該采取表3－1所涉及的措施，使保護范圍更加全面、合理。
        另外，當(dāng)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3－2所示的簡化模型加以理解。表3－3中則列出了式3－2簡化以后應(yīng)該在工程中采取的接閃器防雷電反擊距離。

3．2 引下線
      當(dāng)雷電流經(jīng)過接閃器引流后，將通過引下線進(jìn)入大地“中和”。引下線布置的合理，會大大降低雷電過電壓。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18～24m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18～24m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3－3所列引下線的防雷電反擊距離。
    實際上，要保證表3－3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(biāo)準(zhǔn)圖集。如99D562等。

3．3 防雷接地裝置
        從圖3－2和式3－2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3－3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3－3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,附近金屬的安全距離
　

       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) 50～80mm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(dāng)?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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)圖集，如86D563等。

3．4特殊建筑物防雷
有爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐，當(dāng)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3－1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(dāng)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(jìn)、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(rèn)為爆炸危險區(qū)域范圍的準(zhǔn)確劃分或者說防雷等級的準(zhǔn)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3－3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)是解決表3－3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(rèn)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(xiàn)
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，IEC79－10，IEC1024－1，IEC－TC81；
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。