1、对爆炸危险环境中建筑物防雷设计的探讨 1 引言随着世界能源及化工工业的开展，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21 爆炸危险环境建筑物的防雷划分建筑物防雷设计标准GB5005794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11所示：表1-1 爆炸危险环境的建筑物防雷分类防雷等级/危险区域0区(10区)1区
2、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？22 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标准GB5005892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
3、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，按照以下规定进行等级分区：（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标准对爆炸粉尘环境做了如下的
4、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，按照以下规定进行等级分区：（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。31
5、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，那么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，那么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防止雷击放电形成电火花引起爆炸，应设置接闪器，接闪器由以下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，
6、且避雷网（带）应沿图31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标准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设施/防雷等级第一类防雷建筑物(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5m5m或6m4m不需要装在建筑物上的避雷网(带)布置尺寸10m10m或12m8m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。相关备注：当排放物达不到爆炸浓工、长期
7、点火燃烧、一排放就点火燃烧以及发生事故时才到达爆炸浓度的通风管、平安阀，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。否那么，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
8、管帽以上的垂直高度（m）距管口处的水平距离5重于空气12525重于空气2.5525 轻于空气2.5525 重或轻于空气55布置接闪器时，应该采取表31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还击，还应使接闪器与这些物体之间保持一定的平安距离，这一点可以通过图3-2所示的简化模型加以理解。表3-3中那么列出了式3-2简化以后应该在工程中采取的接闪器防雷电还击距离。32 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
9、压。在我国的建筑物防雷设计标准中，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1824m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1824m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33所列引下线的防雷电还击距离。实际上，要保证表3-3所列平安距离，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
10、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。33 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33的平安距离要求。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33的平安距离要求。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标准。表3-3 防雷设施至被保护建筑物,附近金属的平安距离防
11、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。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）Sa21Sa10.2Ri 0.03(h 1/2)(h 1/2)5Ri Sa10.05Ri 0.06(h 1/2) (h 1/2)5Ri2Sa2(1/n)0.4Ri 0.03(h 11)(h 11)5Ri Sa2(1/n)0.1Ri 0.12(h 11)(h 11)5Ri平安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
12、柱或引下线Sa3，建筑物防雷的引下线Sa41Sa30.4(Ri 0.1hx)(hx5Ri) Sa30.1(Ri 0.1hx)(hx5Ri)平安距离除满足上述表达式外,还不应小于3m1Sa40.3Kc(Ri 0.1hx)(hx5Ri) Sa40.075Kc(Ri hx) (hx5Ri)2Sa40.075Kchx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Se1Sel0.4Ri平安距离除满足上述表达式外,还不应小于3m Sel0.3KcRi平安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
13、口或人行道不应小于3m，小于3m时应采取以下措施之一：（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5080mm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 5080mm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
14、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。34 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31的要求。4 相关原那么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，并且要做到平安可靠、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那么。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那么，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。否那么，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。在标准允许的情况下，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33所列平安距离的难度。另外，从本
