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1、對爆炸危險環境建築物防雷設施選擇和佈置的探討 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象的範疇。我們今天研究雷電，並根據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。在電氣工程技術中，對爆炸危險環境的建築物採取必要的防雷設施不容忽視。爆炸危險環境建築物防雷由於其“特殊性”倍受電氣工程技術人員關注。本文結合相關雷電理論，對有關的防雷設施選擇和佈置集中進行了闡述，希望借此機會，和業內同行探討。 关键词：爆炸危險環境 防雷設施 相關原則和結論 等電位聯結 1 引言隨著世界能源及化工工業的發展，電氣工程技術人員對爆炸危險環境的接觸越來越廣泛。由於爆炸危險環境的建築
2、物遭受雷擊後，會引發大功率雷電放電，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。對這類建築物採取有效的防雷設施業已成為電氣工程技術人員的重要任務。這既是難點，也是重點。2 相關概念21 爆炸危險環境建築物的防雷劃分建築物防雷設計規範GB5005794根據建築物的重要性、使用性質以及發生雷電事故的可能性和後果把爆炸危險環境的建築物防雷分為兩類。如表11所示：表1-1 爆炸危險環境的建築物防雷分類電火花容易引起爆炸並造成巨大破壞和人身傷亡者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另外，爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐屬於第二類防雷建築物。那麼，上表中0區（10區）、1區
3、和2區（11區）又是如何劃分的呢？22 爆炸危險環境的等級劃分IEC7910標準和我國的爆炸和火災危險環境電力裝置設計規範GB5005892對爆炸氣體環境做了如下的闡述：（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）閃點低於或等於環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）在物料操作溫度高於可燃液體閃點的情況下，可燃液體可能洩漏時，其蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物。上述爆炸氣體環境根據爆炸氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間，按照下列規定進行等級分區：（一）0區：連續出現或長期出現爆炸氣體混合物的環境，或者說存在著連續級釋放源的區域；（二
4、）1區：在正常運行時可能出現爆炸氣體混合物的環境，或者說存在著第一級釋放源的區域；（三）2區：在正常運行時不可能出現爆炸氣體混合物的環境，即使出現也是短時間存在爆炸氣體混合物的環境，或者說存在著第二級釋放源的區域；（四）當通風良好時，應降低爆炸危險區域等級；當通風不良時，應提高爆炸危險區域等級。我國的爆炸和火災危險環境電力裝置設計規範對爆炸粉塵環境做了如下的闡述：在大氣條件下，爆炸粉塵、可燃性導電粉塵、可燃性非導電粉塵和可燃纖維與空氣形成爆炸氣體混合物。同樣根據爆炸粉塵混合物出現的頻繁程度和持續時間，按照下列規定進行等級分區：（一）10區：連續出現或長期出現爆炸粉塵混合物的環境；（二）11區：
5、有時會將積留下來的粉塵揚起而偶然出現爆炸粉塵混合物的環境。對上述這些爆炸危險環境的一、二類防雷建築物，其防雷設施應如何選擇和佈置呢？3 防雷設施的選擇和佈置為簡便起見，本章節所列建築物均為爆炸危險環境建築物。另外，雷電的危害主要有三種：直擊雷、感應雷和雷電波入侵，本章節所闡述的建築物防雷設施針對前兩種，對於雷電波入侵所採取的措施請參見相關的技術文獻。31接閃器 眾所周知，雷電放電有兩種，一種為雲間或雲內放電；另一種為雲對地放電，也就是常說的直擊雷。直擊雷放電主要由雷雲負、正先導電荷同地面高聳突出物的正、負先導電荷“中和”而形成，兩者之間的電位可高達數千萬伏甚至上億伏。地面的突出物越高，則產生上
6、行先導需要的平均雷雲下電場E0越小，相對放電電流IL越小。基於上述原由，如果爆炸危險環境建築物沒有防雷設施，則建築物以下部位易遭受雷擊：為了保護爆炸危險環境建築物避免雷擊放電形成電火花引起爆炸，應設置接閃器，接閃器由下列一種或多種設施組合而成：（一）獨立避雷針；（二）架空避雷線或架空避雷網；（三）直接裝在建築物上的避雷針、避雷帶或避雷網，且避雷網（帶）應沿易受雷擊的部位敷設。避雷針、避雷帶、避雷網保護範圍計算有多種方法，一般來說，我們採用“滾球”計算法，其具體計算過程參見建築物防雷設計規範GB5005794。架空避雷網裝在建築物上的避雷網（帶）當建築物太高或其他原因難以裝設獨立避雷針、架空避雷
7、線、架空避雷網時可以採用這種措施並同建築物上的避雷針組成混合接閃器，避雷網格佈置尺寸如上。相關備註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生事故時才達到爆炸濃度的通風管、安全閥，接閃器保護範圍可僅保護到管帽，無管帽時可以保護到管口。否則，為了防止接閃器在0區或1區接閃以及感應雷在0區或1區放電，無管帽時，接閃器應保護到管口上方5m的半球體；有管帽時，保護範圍見表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、11區和2區爆炸危險環境的自然通風管（一）金屬物體可不裝接閃器；（二）在屋面接閃器保護範圍之外的非金屬物體應裝設接閃器，並和屋面防雷設施
8、相聯。其他同第一類防雷建築物佈置接閃器時，應該採取表31所涉及的措施，使保護範圍更加全面、合理。另外，當直擊雷擊中接閃器，且接閃器與被保護建築物、與被保護建築物附屬金屬物之間沒有等電位措施時，為防止接閃器產生高電位對這些物體發生反擊，還應使接閃器與這些物體之間保持一定的安全距離。表33中則列出了式32簡化以後應該在工程中採取的接閃器防雷電反擊距離。 32引下線當雷電流經過接閃器引流後，將通過引下線進入大地“中和”。引下線佈置的合理，會大大降低雷電過電壓。在我國的建築物防雷設計規範中，引下線佈置應注意以下幾點。對於一類防雷建築物：（1）金屬屋面周邊每隔1824m應採用引下線接地一次；（2）現場澆
9、制的或由預製構件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋宜綁紮或焊接成閉合回路，周邊每隔1824m應採用引下線接地一次；（3）建築物上有接閃器時，其周邊引下線間距不大於12m。對於二類防雷建築物：引下線不應少於2根，並應沿建築物四周均勻或對稱佈置，其間距不應大於18m。對於一、二類防雷建築物，沒有採取等電位措施時，應滿足表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，對於裝有防雷設施的建築物，在防雷設施與其他設施及建築物內人員無法隔離的情況下，應採取等電位聯結。這一點也是在工程實際中經常採取的措施。引下線的製作及安裝參見相關國家標準圖集。如99D562等。33防
10、雷接地裝置從圖32和式32可以看出，接地裝置的選擇和佈置可以大大影響建築物的防雷效果，對於獨立避雷針、架空避雷線或架空避雷網應有其獨立的防雷接地裝置，應滿足表33的安全距離要求。裝在建築物上的避雷針、避雷網（帶），其接地裝置可以與電氣設備接地、防雷電感應接地合併設置，取其中接地電阻的最小值，不合併時，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符合電力裝置的接地設計規範。Ri:衝擊接地電阻。hx:計算點的高度（m）。h:支柱高度（m）。T:避雷線的長度T1:從避雷網中間最低點沿導體至電近支柱的距離（m）。n:避雷網11的倍數。Kc:分流係數。架空避雷線Sa1、架空避雷網（接閃
11、器）Sa21.Sa10.2Ri+0.03(h+1/2)(h+1/2)5RiSa10.05Ri+0.06(h+1/2)(h+1/2)5Ri 2.Sa2(1/n)0.4Ri+0.03(h+11)(h+11)5RiSa2(1/n)0.1Ri+0.12(h+11)(h+11)5Ri 安全距離除滿足上述運算式外，還不應小於3m 獨立避雷針和架空避雷線、網的支柱或引下線Sa3，建築物防雷的引下線Sa41.Sa30.4(Ri+0.1hx)(hx5Ri)Sa30.1(Ri+0.1hx)(hx5Ri) 安全距離除滿足上述運算式外，還不應小於3m 1.Sa40.3Kc(Ri+0.1hx)(hx5Ri)Sa40.0
12、75Kc(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，應滿足上述運算式1.相連或通過過電壓保護器相連時，應滿足上述運算式.防雷接地裝置Se1Sel0.4Ri 安全距離除滿足上述運算式外，還不應小於3mSel0.3KcRi 安全距離除滿足上述運算式外，還不應小於2m.另外，防直擊雷的人工接地體距建築物出入口或人行道不應小於3m，小於3m時應採取下列措施之一：（1） 水平接地體局部深埋不應小於1m；（2） 水平接地體局部應包絕緣物，可採用50 80mm厚的瀝青層，其寬度應超過接地體2m；（3） 採用瀝青碎石地面或在接地體上面敷設 5080mm厚
13、的瀝青層，其寬度應超過接地體2m；在防雷接地裝置與電氣接地裝置共用或相連的情況下：當低壓電源線路採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築物內或附設於外牆處時，在高壓側和低壓側均應裝設避雷器。防雷接地裝置可採用環形接地裝置網，以降低各種感應過電壓。另外，接至防雷接地裝置的各種形式接地，除並列管道外不得串聯接地。接地裝置的製作及安裝參見相關國家標準圖集，如86D563等。34特殊建築物防雷有爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐，當其壁厚不小於4mm時，可不裝設接閃器，但應接地，且接地點不應少於兩處；兩接地點間距離
14、不宜大於30m，衝擊接地電阻不應大於30m 。放散管和呼吸閥應滿足表31的要求。4 相關原則和結論在現實生活中，由於防雷設施選擇和佈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，雷電湧流不能及時通過引下線瀉入大地，形成局部電位抬高。室內電器設備全部損壞，如果該建築物為爆炸危險環境建築物，後果不堪設想。可以看出，對爆炸危險環境建築物必須採取防雷設施，並且要做到安全可靠、技術先進、經濟合理。這同時也是對爆炸危險環境建築物採取防雷設施的原則。通過對爆炸危險環境防雷設施的闡述並結合防雷設施選擇的原則，作者認為爆炸危險區域範圍的準確劃分或者說防雷等級的準確劃
15、分是合理選擇爆炸危險環境防雷設施的重要出發點。否則，將會選擇無端複雜的防雷設施，人為地提高防雷難度和工程投資。在規範允許的情況下，應多利用建築物自身佈置防雷設施，這樣大大可以降低實現表33所列安全距離的難度。另外，從本文中還可以看出，等電位聯結是解決表33所列安全距離難度有效方法，在佈置防雷設施時，應該多想想等電位聯結的措施，這對降低防雷難度，提高防雷質量大有裨益。在工程實際中，還應因地制宜，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，防雷採用管柱直接接地即可，而阻火器的安裝對工藝專業來講也是容易做到的。作者對這類建築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驗，並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，電力系統過電壓，水利電力出版社，1985年6月；2 徐永根主編，工業與民用配電設計手冊，水利電力出版社，1994年12月；3 International Electrotechnical Commission，IEC7910，IEC10241，IECTC81；4 機械工業部主編，建築物防雷設計規範，中國計畫出版社，1994年10月；5 化工部主編，爆炸和火災危險環境電力裝置設計規範，中國計畫出版社，1992年12月。 11
