对爆炸危险环境建筑物防雷设施选择和布置的探讨
□赵 瑛 摘 要： 随着人类社会的不断进步，对雷电的认识已不仅仅局限于自然现象的范畴。我们今天研究雷电，并根据日趋成熟的雷电理论去防止雷击所造成的危害，其意义是可想而知的。在电气工程技术中，对爆炸危险环境的建筑物采取必要的防雷设施不容忽视。爆炸危险环境建筑物防雷由于其“特殊性”倍受电气工程技术人员关注。本文结合相关雷电理论，对有关的防雷设施选择和布置集中进行了阐述，希望借此机会，和业内同行探讨。 关键词： 爆炸危险环境 防雷设施 相关原则和结论 等电位联结 1 引言 随着世界能源及化工工业的发展，电气工程技术人员对爆炸危险环境的接触越来越广泛。由于爆炸危险环境的建筑物遭受雷击后，会引发大功率雷电放电，从而形成电火花引起爆炸，造成巨大的破坏和人身伤亡，这样的例子不少。对这类建筑物采取有效的防雷设施业已成为电气工程技术人员的重要任务。这既是难点，也是重点。 2 相关概念 2．1 爆炸危险环境建筑物的防雷划分 《建筑物防雷设计规范》GB50057－94根据建筑物的重要性、使用性质以及发生雷电事故的可能性和后果把爆炸危险环境的建筑物防雷分为两类。如表1－1所示： 表1-1 爆炸危险环境的建筑物防雷分类 危险区域 防雷等级 0区（10区） 1区 2区（11区） 第一类防雷建筑物 是 电火花容易引起爆炸并造成巨大破坏和人身伤亡者 否 第二类防雷建筑物 是 电火花不易引起爆炸或爆炸不致造成巨大破坏和人身伤亡者 是 另外，有爆炸危险的露天钢制封闭气罐属于第二类防雷建筑物。那么，上表中0区（10区）、1区和2区（11区）又是如何划分的呢？ 2．2 爆炸危险环境的等级划分 IEC79－10标准和我国的《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058－92对爆炸气体环境做了如下的阐述： （一）在大气条件下，易燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾与空气形成爆炸气体混合物； （二）闪点低于或等于环境温度的可燃液体的蒸汽或薄雾与空气形成爆炸气体混合物； （三）在物料操作温度高于可燃液体闪点的情况下，可燃液体可能泄漏时，其蒸汽或薄雾与空气形成爆炸气体混合物。 上述爆炸气体环境根据爆炸气体混合物出现的频繁程度和持续时间，按照下列规定进行等级分区： （一）0区：连续出现或长期出现爆炸气体混合物的环境，或者说存在着连续级释放源的区域； （二）1区：在正常运行时可能出现爆炸气体混合物的环境，或者说存在着第一级释放源的区域； （三）2区：在正常运行时不可能出现爆炸气体混合物的环境，即使出现也是短时间存在爆炸气体混合物的环境，或者说存在着第二级释放源的区域； （四）当通风良好时，应降低爆炸危险区域等级；当通风不良时，应提高爆炸危险区域等级。 我国的《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》对爆炸粉尘环境做了如下的阐述： 在大气条件下，爆炸粉尘、可燃性导电粉尘、可燃性非导电粉尘和可燃纤维与空气形成爆炸气体混合物。同样根据爆炸粉尘混合物出现的频繁程度和持续时间，按照下列规定进行等级分区： （一）10区：连续出现或长期出现爆炸粉尘混合物的环境； （二）11区：有时会将积留下来的粉尘扬起而偶然出现爆炸粉尘混合物的环境。 对上述这些爆炸危险环境的一、二类防雷建筑物，其防雷设施应如何选择和布置呢？ 3 防雷设施的选择和布置 为简便起见，本章节所列建筑物均为爆炸危险环境建筑物。另外，雷电的危害主要有三种：直击雷、感应雷和雷电波入侵，本章节所阐述的建筑物防雷设施针对前两种，对于雷电波入侵所采取的措施请参见相关的技术文献。 3．1接闪器 众所周知，雷电放电有两种，一种为云间或云内放电；另一种为云对地放电，也就是常说的直击雷。直击雷放电主要由雷云负、正先导电荷同地面高耸突出物的正、负先导电荷“中和”而形成，两者之间的电位可高达数千万伏甚至上亿伏。地面的突出物越高，则产生上行先导需要的平均雷云下电场E0越小，相对放电电流IL越小。 基于上述原由，如果爆炸危险环境建筑物没有防雷设施，则建筑物以下部位易遭受雷击，如图3－1所示： 为了保护爆炸危险环境建筑物避免雷击放电形成电火花引起爆炸，应设置接闪器，接闪器由下列一种或多种设施组合而成： （一）独立避雷针； （二）架空避雷线或架空避雷网； （三）直接装在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网，且避雷网（带）应沿图3－1所示易受雷击的部位敷设。 避雷针、避雷带、避雷网保护范围计算有多种方法，一般来说，我们采用“滚球”计算法，其具体计算过程参见《建筑物防雷设计规范》GB50057－94。 表3-1 爆炸危险环境建筑物防雷设施选择和布置形式表 防雷等级 防雷设施 第一类防雷建筑物 （滚球半径30m） 第二类防雷建筑物 （滚球半径45m） 架空避雷网 布置尺寸 ≤5m×5m或6m×4m 不需要 装在建筑物上的避雷网（带） 当建筑物太高或其它原因难以装设独立避雷针、架空避雷线、架空避雷网时可以采用这种措施并同建筑物上的避雷针组成混合接闪器，避雷网格布置尺寸如上。 布置尺寸 ≤10m×10m或12m×8m 相关备注 当排放物达不到爆炸浓工、长期点火燃烧、一排放就点火燃烧以及发生事故时才达到爆炸浓度的通风管、安全阀，接闪器保护范围可仅保护到管帽，无管帽时可以保护到管口。否则，为了防止接闪器在0区或1区接闪以及感应雷在0区或1区放电，无管帽时，接闪器应保护到管口上方5m的半球体；有管帽时，保护范围见表3-2 对装有阻火器的排放爆炸气体蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等管道，1区、11区和2区爆炸危险环境的自然通风管 （一）金属物体可不装接闪器； （二）在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装设接闪器，并和屋面防雷设施相联。 其它同第一类防雷建筑物 表3-2 有管帽的管口接闪器的保护范围 装置内的压力与周围空气压 力的压力差（kPa） 排放物的比重 管帽以上的垂直 高度（m） 距管口处的水平 距离 ＜5 重于空气 1 2 5～25 重于空气 2.5 5 ≤25 轻于空气 2.5 5 ＞25 重或轻于空气 5 5 布置接闪器时，应该采取表3－1所涉及的措施，使保护范围更加全面、合理。 另外，当直击雷击中接闪器，且接闪器与被保护建筑物、与被保护建筑物附属金属物之间没有等电位措施时，为防止接闪器产生高电位对这些物体发生反击，还应使接闪器与这些物体之间保持一定的安全距离，这一点可以通过图3－2所示的简化模型加以理解。表3－3中则列出了式3－2简化以后应该在工程中采取的接闪器防雷电反击距离。 3．2引下线 当雷电流经过接闪器引流后，将通过引下线进入大地“中和”。引下线布置的合理，会大大降低雷电过电压。在我国的《建筑物防雷设计规范》中，引下线布置应注意以下几点。 对于一类防雷建筑物： （1）金属屋面周边每隔18～24m应采用引下线接地一次；（2）现场浇制的或由预制构件组成的钢筋混凝土屋面，其钢筋宜绑扎或焊接成闭合回路，周边每隔18～24m应采用引下线接地一次；（3）建筑物上有接闪器时，其周边引下线间距不大于12m。 对于二类防雷建筑物： 引下线不应少于2根，并应沿建筑物四周均匀或对称布置，其间距不应大于18m。 对于一、二类防雷建筑物，没有采取等电位措施时，应满足表3－3所列引下线的防雷电反击距离。 实际上，要保证表3－3所列安全距离，还是有一定困难的。因此，对于装有防雷设施的建筑物，在防雷设施与其它设施及建筑物内人员无法隔离的情况下，应采取等电位联结。这一点也是在工程实际中经常采取的措施。 引下线的制作及安装参见相关国家标准图集。如99D562等。 3．3防雷接地装置 从图3－2和式3－2可以看出，接地装置的选择和布置可以大大影响建筑物的防雷效果，对于独立避雷针、架空避雷线或架空避雷网应有其独立的防雷接地装置，应满足表3－3的安全距离要求。装在建筑物上的避雷针、避雷网（带），其接地装置可以与电气设备接地、防雷电感应接地合并设置，取其中接地电阻的最小值，不合并时，须满足表3－3的安全距离要求。接地装置工频接地电阻值选择和计算应符合《电力装置的接地设计规范》。 表3-3 防雷设施至被保护建筑物,附近金属的安全距离 防雷等级 防雷设施 第一类防雷建筑物 第二类防雷建筑 Ri:冲击接地电阻Ω。 hx:计算点的高度（m）。 h:支柱高度（m）。 T:避雷线的长度 T1:从避雷网中间最低点沿导体至电近支柱的距离（m）。 n:避雷网11的倍数。 Kc:分流系数。 架空避雷线Sa1、架空避雷网（接闪器）Sa2 1.Sa1≥0.2Ri+0.03(h+1/2) [(h+1/2)＜5Ri] Sa1≥0.05Ri+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] 安全距离除满足上述表达式外,还不应小于3m 独立避雷针和架空避雷线、网的支柱或引下线Sa3，建筑物防雷的引下线Sa4 1.Sa3≥0.4(Ri+0.1hx) (hx＜5Ri) Sa3≥0.1(Ri+0.1hx) (hx≥5Ri) 安全距离除满足上述表达式外,还不应小于3m 1.Sa4≥0.3Kc(Ri+0.1hx) (hx＜5Ri) Sa4≥0.075Kc(Ri+hx) (hx＜5Ri) 2.Sa4≥0.075Kchx 当金属物或电气线咱与防雷接地装置汀连时,应满足上述表达式1.相连或通过过电压保护器相连时,应满足上述表达式. 防雷接地装置Se1 Sel≥0.4Ri 安全距离除满足上述表达式外,还不应小于3m Sel≥0.3KcRi 安全距离除满足上述表达式外,还不应小于2m. 另外，防直击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3m，小于3m时应采取下列措施之一： （1） 水平接地体局部深埋不应小于1m；（2） 水平接地体局部应包绝缘物，可采用50～ 80mm厚的沥青层，其宽度应超过接地体2m；（3） 采用沥青碎石地面或在接地体上面敷设 50～80mm厚的沥青层，其宽度应超过接地体2m；在防雷接地装置与电气接地装置共用或相连的情况下：当低压电源线路采用全长电缆或架空线换电缆引入时，宜在电源线路引入的总配电箱处加装过电压保护器；当Y ,Yn0型或D,yn11型接线的配电变压器在本建筑物内或附设于外墙处时，在高压侧和低压侧均应装设避雷器。防雷接地装置可采用环形接地装置网，以降低各种感应过电压。 另外，接至防雷接地装置的各种形式接地，除并列管道外不得串联接地。 接地装置的制作及安装参见相关国家标准图集，如86D563等。 3．4特殊建筑物防雷 有爆炸危险的露天钢制封闭气罐，当其壁厚不小于4mm时，可不装设接闪器，但应接地，且接地点不应少于两处；两接地点间距离不宜大于30m，冲击接地电阻不应大于30m 。放散管和呼吸阀应满足表3－1的要求。 4 相关原则和结论 在现实生活中，由于防雷设施选择和布置不当造成损失的例子很多，如1987年7月，日本茨县取手市一幢三层楼顶上安装的避雷针遭雷击，雷电涌流不能及时通过引下线泻入大地，形成局部电位抬高。室内电器设备全部损坏，如果该建筑物为爆炸危险环境建筑物，后果不堪设想。 可以看出，对爆炸危险环境建筑物必须采取防雷设施，并且要做到安全可靠、技术先进、经济合理。这同时也是对爆炸危险环境建筑物采取防雷设施的原则。 通过对爆炸危险环境防雷设施的阐述并结合防雷设施选择的原则，作者认为爆炸危险区域范围的准确划分或者说防雷等级的准确划分是合理选择爆炸危险环境防雷设施的重要出发点。否则，将会选择无端复杂的防雷设施，人为地提高防雷难度和工程投资。 在规范允许的情况下，应多利用建筑物自身布置防雷设施，这样大大可以降低实现表3－3所列安全距离的难度。 另外，从本文中还可以看出，等电位联结是解决表3－3所列安全距离难度有效方法，在布置防雷设施时，应该多想想等电位联结的措施，这对降低防雷难度，提高防雷质量大有裨益。在工程实际中，还应因地制宜，就地取材，尽可能利用钢制支柱做引下线，对孤立的气体放空金属管道，如果装上阻火器，防雷采用管柱直接接地即可，而阻火器的安装对工艺专业来讲也是容易做到的。 作者对这类建筑物的防雷也深感棘手，今天，认真考虑个中原由，争取从中获取点滴经验，并借此机会和同行探讨，恳请各位专家批评指正，心中将不胜感激。 参考文献 1． 解广润主编，电力系统过电压，水利电力出版社，1985年6月； 2． 徐永根主编，工业与民用配电设计手册，水利电力出版社，1994年12月； 3． International Electrotechnical Commission，IEC79－10，IEC1024－1，IEC－TC81； 4． 机械工业部主编，建筑物防雷设计规范，中国计划出版社，1994年10月； 5． 化工部主编，爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范，中国计划出版社，1992年12月。
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