易燃易爆危险化学品企业防雷设计

●张福泉,朱 奎

(天津市消防总队天津 300090)

雷击灾害被联合国列为十大自然灾害之一。易燃易爆危险化学品企业一般规模大、工作压力高、装置露天,是防火、防雷工作的重中之重。在目前我国没有针对易燃易爆危险化学品企业防雷设计规范的前提下,如何有效的消除雷击火灾隐患,笔者结合工作实际,分析并提出如下防雷设计建议。

1 易燃易爆危险化学品企业环境及雷击火灾隐患特点

易燃易爆危险化学品企业一般位于城郊开阔地带,四周较为空旷,容易遭受雷击,具有以下几个特点：(1)建(构)筑物防直击雷设计不规范。有的易燃易爆危险化学品企业建筑未安装防直击雷设施或明敷防雷引下线未沿外墙最短垂直路径接地。(2)露天装置没有防雷装置。(3)静电防护存在缺陷,储罐、物料管线法兰、呼吸阀和装置等未作跨接或跨接电阻值偏大,未能接地或接地不良,接地电阻值偏大,不符合规范要求。(4)变配电系统存在隐患。有的 380V交流供电线路是架空明线接入企业再地埋引入建筑的,有的是由 10kV电力线架空接入,经变压器后再地埋引入建筑的。在乡村和山区有时根本没有地埋措施,未安装电涌保护器,非常容易遭受感应雷击电磁脉冲侵入。(5)通信网络、数据采集传输系统存在缺陷。有些企业的 ISDN、电话线、监控、消防、场站仪表数据采集设备等线路由户外架空明线布设,未安装电涌保护器等防雷措施。

2 企业建(构)筑物防雷设计

2.1 防雷等级确定

依据计算,并参照 GB50057-94(2000年版)《建筑物防雷设计规范》第 2.0.3条的要求,“具有 1区爆炸危险环境的建筑物,且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者”,易燃易爆危险化学品企业的建(构)筑物应按第二类防雷建筑物进行设计。

2.2 防雷设计

2.2.1 该类建(构)筑物一般由办公楼、控制室、泵房、操作车间、罩棚、配电室及其他附属建筑物组成。防直击雷接闪器设计宜采用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针或由其混合组成。避雷网应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设,并应在整个屋面组成不大于 10m×10m或 12m×8m的网格。罩棚一般采用钢架结构,其棚顶采用金属屋面,可直接利用其作为接闪器,不用再另设避雷针或避雷带(屋顶有其他需要保护的物体除外)。金属屋面厚度,铁板不应小于 4mm,铜板不应小于 5mm,铝板不应小于 7mm。

2.2.2 易燃易爆危险化学品企业的建(构)筑物防雷引下线设计,由于建(构)筑物一般采用钢筋混凝土结构和钢架结构,钢筋混凝土结构应利用桩内两条对角主筋作为自然引下线,引下线间距不大于 18m,引下线不应少于 2根,应沿建筑物周围均匀布置。引下线在适当地点设若干连接板,该连接板可供测量、接人工接地和作等电位连接用;将办公楼及附属建筑物内所有电器设备和金属导体做等电位连接;泵房、操作车间、配电室应设置均压环,均压环必须可靠良好接地,应将均压环与建筑物接地进行可靠焊接。将所有金属物体,包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳以及所有进出金属管道等金属构件进行电气连接,并接至均压环上,以均衡电位。均压环可采用 40mm×4mm的扁铜或镀锌扁钢,间隔1m。均压环与建筑物内等电位排进行可靠连接,不需再另设接地装置。

2.2.3 建(构)筑物防雷接地装置设计,一般采用自然接地体作为接地装置。应将防雷接地、防静电接地、电气设备工作接地、保护接地、信息系统的接地、等电位连接带、建筑物金属构件采用共用接地,达到均压、等电位以减小各种接地设备之间、不同系统之间的电位差。当自然接地体达不到接地电阻要求时,应设置人工接地体。考虑到接地装置使用的长期性和耐腐蚀性,建议接地装置布置依据地形进行设计。人工接地体设置在散水坡 1m以外,可以不破坏散水坡保护面,同时也加大了地网包围的有效面积。在建筑外设计成闭合的环形,可以起到均压环的作用,也可以从不同的方位引入地线作等电位连接使用,可以作为不同位置进入建筑物线缆的外屏蔽层接地线使用。水平接地体通常使用 40mm×4mm镀锌扁钢,埋深 0.6m(深度应大于当地冻土层);垂直接地体使用L50×50×5×2500mm镀锌角钢或垂直接地体间使用非金属接地模块。接地电阻要求,易燃易爆危险化学品企业的地网分为直击雷保护接地电阻≤10Ω、防静电接地电阻≤100Ω、电源工作接地电阻≤10Ω、信号线路直流工作接地电阻≤4Ω四个部分。当采用统一接地时,接地电阻值应按最小值确定。

3 露天装置区防雷设计

易燃易爆危险化学品企业的露天装置有：高大的生产设备;储罐;通过框架或支架安置在高处的生产设备和引向火炬的主管道;安置在地面上的大型压缩机、成群布置的机泵等转动设备;在空旷地区的火炬、烟囱和排气筒;安置在高处易遭受直击雷的照明设施等。

3.1 露天装置区防直击雷设计

3.1.1 接闪器设计。防直击雷接闪器应利用生产设备的金属实体作为防直击雷的接闪器;用作接闪器的生产设备应为整体封闭、焊接结构的金属静设备;转动设备不应用作接闪器;用作接闪器的生产设备应有金属外壳,其易受直击雷的顶部和外侧上部应有足够的厚度,钢制设备的壁厚应大于或等于 4mm。易受直击雷且在附近高大生产设备、框架和大型管架(已用作接闪器)等的防雷保护范围之外的转动设备;不能作为接闪器的金属设备;非金属外壳的静设备等应另行设置接闪器。

3.1.2 引下线设计。高大的生产设备应利用其金属壳体作为引下线;生产设备通过框架或支架安置时,应优先利用金属框架作为引下线;高大炉体、塔体、筒仓、大型设备、框架等应至少使用两根引下线,引下线的间距不应大于 18m;在高空布置、较长的卧式容器和管道(如送往火炬的管道)应在两端设置引下线,长度超过 18m时应增加引下线数量;引下线应以最短的路径直接引到接地体,应按照规范满足截面积和厚度要求,并在地面以上加机械保护。利用柱内纵向主钢筋作为引下线时,柱内纵向主钢筋应采用焊接的方法。

3.1.3 接地装置设计。利用金属外壳作为接闪器的生产设备,至少在金属外壳底部分两处连接到接地体;另行设置的接闪器(针状、线状和网状),均应有引下线直接接到接地体;防直击雷用的每根引下线所直接连接的接地体,其冲击接地电阻不应大于 10Ω。

3.2 露天装置区防感应雷设计

所有金属设备、框架、管道、电缆金属保护层(铠装、钢管、槽板等)和放空管口等,均应连接到接地装置上。金属物体与附近引下线之间的空间距离应按下式确定：

式中,S为空间距离(m);Kc为分流系数(取 0.66);lx为引下线计算点到接地连接点的长度(m)。如果 S不满足要求,应在高于连接点的地方增加接地连接线;平行敷设的金属管道、框架和电缆金属保护层等,当其间净距小于 100mm时应每隔30m进行金属连接,相交或相距处净距小于 100mm时亦应连接。防直击雷接地体应与防感应雷接地体连成一体。

3.3 露天装置区排放设施防雷设计

排放设施,包括放散管、排风管、安全阀、呼吸阀、放料口、取样口、排污口等,其中安装在生产设备易受直击雷的顶部和外侧上部的放空口,应根据排放的物料和浓度、排放的频率或方式、正常或事故排放、手动或自动排放等生产操作性质和安装位置分别进行防雷击保护。储存闪点低于或等于 45℃的可燃液体设备,在生产紧急停车时连续排放,其排放物达到爆炸危险浓度者(包括送火炬系统的管路上的临时放空口,但不包括火炬)或储存闪点低于或等于 45℃的可燃液体贮罐,其呼吸阀不带防爆阻火器的情况下的放空口,应设置接闪器。此时,放空口外的爆炸危险气体空间应处于接闪器的保护范围内,且接闪器的顶端应高出放空口 3m,水平距离应大于 4～5m。

4 供配电系统防雷设计

4.1 380/220V供配电系统宜采用 TN-S系统

在这种配电方式的整个系统(包括分支线路)中,具有单独的中性线(N)和保护接地线(PE),即整个系统中性线与保护接地线始终是分开的,PE线上没有交流电流流过,在整个防雷工程的等电位连接接地系统中,它与等电位连接接地系统保持牢固的连接,所以PE线上电位相等。

4.2 电缆应穿钢管埋地引入并接地

电缆应穿钢管埋地进入厂区,电缆金属外皮或电缆金属保护管两端均应接地。供电系统电缆金属外皮或电缆金属保护管两端均应接地,其目的是屏蔽雷击电磁脉冲,减少或削弱雷电危害,防止雷击事故。供电系统电缆应单独布线,不应与油品、液化石油气和天然气管道、热力管道敷设在同一沟内,避免电缆与其他管道相互影响,引起爆炸火灾事故,电缆沟应充砂填实。

4.3 外来导体等电位连接

外来导体包括金属水管、通讯电缆线及电力电缆铠装外皮或电缆金属管等。所有的水管和电缆应埋地进入配电室或机房,水管和电缆铠装外皮和保护金属管应在进出建筑物时与接地装置相连接,电缆应选用铠装电缆或穿金属管埋地。以上所有接地都要与建(构)筑物、罐区形成等电位连接。

4.4 供配电系统电涌保护器的布置和选择

电涌保护器(SPD)的布置原理如图 1所示。在安装电涌保护器使用导线进行连接时,导线电感在雷电波的频率作用下不能忽略,应考虑多级防护,以有效地抑制外来雷电波入侵和雷电电磁脉冲的危害。为防止电涌保护器遭受雷击损坏后,电源对地短路,需要在电涌保护器前安装空气开关作为短路保护装置。根据 ITU、K 20和 IEC61312-3等规范的规定,两级 SPD之间,必须有一定的线路长度(即一定的感抗或加装退耦装置)来达到避免多级SPD当中出现某一级SPD不启动导通泄流的盲点的要求。规范同时规定,末级 SPD的保护电压水平必须低于被保护设备对浪涌电压的耐受能力。

图1 电涌保护器布置原理

5 电子信息系统防雷设计

易燃易爆危险化学品企业的电子设备主要为：监控设备、通信、消防、数据采集设备等。在雷击发生时,产生巨大瞬变电磁场,在 1km范围内网络、信号及通讯金属连线等都会受感应雷击影响,甚至彻底破坏系统。对于网络、信号及通讯方面的防雷工作是较易被忽视的。电子信息系统防雷应从等电位连接与共用接地系统、屏蔽及布线、防雷与接地、安装电涌保护器进行综合设计。(1)电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管(槽)、屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地和安全保护接地及浪涌保护器接地端等均应以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接。防止过长的连接导线构成较大的环路而增大对空间雷击电磁脉冲干扰(LEMP)的耦合几率,造成泄放雷电流不畅,降低系统安全性。(2)电子信息系统设备主机房宜选择在建筑物中心楼层低的区域,其机房应远离外墙结构柱,设置在雷电防护区内,有条件的,建议安装金属屏蔽网或金属屏蔽室。金属屏蔽网、金属屏蔽室应与等电位接地端子板连接。(3)信号线路电缆应采用金属屏蔽层的线缆或使用金属管进行敷设。室外应以埋地敷设方式进入建筑物;在楼内应采用金属屏蔽槽垂直敷设和水平敷设方式进入机房。(4)在网络、通信、数据传输设备防护方面,依据相关规范对信号系统雷电及过电压防护要求,如在液位检测仪引出的控制线上安装专用电涌保护器。在通信、监控、消防系统进出线分别安装电涌保护器,用于对机房及各系统的保护。

6 结束语

易燃易爆危险化学品企业是雷击火灾高风险单位,应从外部防雷、内部防雷综合设计,注重接闪器、引下线连接与共用接地系统、屏蔽及合理布线、等电位连接与安装电涌保护器等方法。在实际的防雷工程设计中,还需根据各类设备的特点和防护对象的实际情况灵活应用、综合考虑,才能获得良好的效果。

[1]GB 15599-95,石油与石油设施雷电防护规范[S].

[2]GB 50057-94,建筑物防雷设计规范(2000年版)[S].

[3]GB 50343-2004,建筑物电子信息系统防雷设计规范[S].

[4]IEC 61312,雷电电磁脉冲的防护[S].

[5]GB 50174-93,电子计算机机房设计规范[S].

[6]YD/T5098,通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范[S].

[7]高强.雷电与防雷[J].天津化工,2003,17(5).