采用架空接闪线的防直击雷设计

黄 旭, 李红旭

(1.中机中联工程有限公司, 重庆 400039; 2.鲁西化工工程设计有限责任公司, 山东 聊城 252211)

采用架空接闪线的防直击雷设计

黄 旭1, 李红旭2

(1.中机中联工程有限公司, 重庆 400039; 2.鲁西化工工程设计有限责任公司, 山东 聊城 252211)

以某厂房为例，介绍了一类防雷建筑物的防直击雷设计。计算比较了独立接闪杆、架空接闪线的几种不同布置方式,并确定一种数根架空接闪线的方案。在方案比较中,着重分析了双架空接闪线的保护范围及其与防雷设计规范中的不同。采用滚球法对最终方案进行了防雷验算,确认其能起到防直击雷的作用。

一类防雷; 滚球法; 架空接闪线; 直击雷防护

0 引 言

雷电灾害是最严重的自然灾害之一,全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。对于甲类火灾危险性厂房,因其中存有易燃、易爆的物质,当其遭受雷击后,会形成电火花引起爆炸,造成巨大的破坏。因此,设计避免其遭受雷击的防直击雷保护设施极为重要。

1 项目介绍

1.1 厂房工艺简介

某气凝胶工艺生产厂房,内部使用的主要危险原料为乙醇,其蒸气能与空气形成爆炸性混合物。按照爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范,其组别为IIA T2。

工艺设备主要为固定储罐,工艺过程中需要将固态基材置入储罐中浸泡,储罐顶盖需要短时打开,且储罐内乙醇液面没有惰性气体覆盖。因而,储罐内,液面至罐盖之间的空间应属0区[2],故该厂房为第一类防雷建筑物。

1.2 厂区布局

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,一类防雷建筑应架设独立接闪杆或架空接闪线/网。因此,在无特殊情况下均应设置独立接闪装置。独立接闪器及其接地装置距建筑物有距离要求,同时其尺寸以数米计,需要考虑在厂区的布置。

厂区局部的布置图如图1所示。其中联合厂房二为设计考虑的建筑,其周边有厂区道路和绿化,道路外北侧为罐区,西侧为生产辅房,南侧为已建厂房,东侧为预留地块。

1.3 建筑概况

该厂房长101.5 m,宽48 m,最大高度为12.4 m,采用混凝土框架结构,以金属屋面作为泄爆口,机械排风次数可达12次/h,通风良好。厂房西侧和南侧绿化宽度为5.5 m,北侧绿化宽度为6 m,东侧绿化宽度为9 m。

图1 厂区局部的布置图

2 方案选择

根据GB 50057—2010规定,一类防雷建筑物的直击雷防护可采用独立接闪杆、架空接闪线和架空接闪网三种。若采用架空接闪网,需要的网格尺寸不大于5 m×5 m或6 m×4 m。该厂房面积较大,需使用大量接闪材料,会对防雷引下装置的结构承力部分带来困难,故仅讨论独立接闪杆及架空接闪线。

2.1 独立接闪杆

该厂房宽度为48 m,独立接闪杆的基础距建筑基础不能少于3 m,加上接闪杆基础的宽度和建筑物基础超出建筑外墙的宽度,则接闪杆的位置至少需要距建筑4.5 m。此时,建筑两侧的接闪杆之间的距离已达57 m,而滚球半径为30 m,即使接闪杆高30 m,不论布置间距多短,也无法保护该建筑。

2.2 架空接闪线

由于南侧的建筑为已建建筑,不能调整位置,而该建筑南侧的绿化宽度仅为5.5 m,若在此处设置架空接闪线塔,无法满足与建筑的间距要求,因此接闪线只能采用东西方向,东侧的接闪线塔布置在建筑旁的绿化带中,西侧的接闪线塔布置在道路对面的绿化中。

由于建筑东侧布置有CO2储罐,有管道连入建筑中,接闪线塔与其距离不能少于3 m,因此,初步判断只能采用三根东西向、互相平行的架空接闪线进行保护。接闪线长度大约为70 m,按照图集99(03)D501-1《建筑物防雷设施安装》,架空接闪线每隔20 m,弧垂高度增加约为0.8 m,计算得2.8 m,按3 m计算。

2.2.1 接闪线塔高度

以保护该厂房最大高度12.4m考虑接闪线塔高度。三条平行架空接闪线布置示意图如图2所示。图2中,外侧接闪线距建筑外墙面距离为x,两根接闪线间距离为y则

2x+2y=101.5 m

(1)

图2 三条平行架空接闪线布置示意图

假定接闪线塔高度为25 m,则接闪线最低点为22 m。若要两根架空接闪线能保护建筑屋面,则根据GB 50057—2010,有

(2)

式中:hr——滚球半径;

h——接闪线高度。

其中,hr=30 m,h=22 m,D=y。故

y<43.99 m

(3)

由式(1)可知,x>6.76 m。

对于两侧架空接闪线以外的区域,按照单线考虑,22 m高的接闪线在12.4 m高度的保护宽度为

(4)

式中:hx——计算点高度。

因此,有

bx=4.62 m

(5)

由分析可知，接闪线塔高为25m时不能完全保护建筑物,因此设计选取接闪线塔高为30m。

2.2.2 拟定布置

根据计算,接闪线塔高度需选取30m。为保证西侧生产辅房位置,需要使两根架空接闪线之间的距离尽量大,拟定双架空线间距为49m。拟定接闪线布置图如图3所示。

图3 拟定接闪线布置图

3 保护计算

在制定防直击雷保护的拟定布置后,需要对该方案进行防雷保护计算。

3.1 双架空接闪线的保护范围

GB 50057—2010中将双架空线保护范围的计算简化为双平行线来考虑,这与实际是不同的。某双架空接闪线平面布置如图4所示。中心线1-1剖面上滚球半径为30 m时的保护范围如图5所示。图5中,半径30 m的滚球与地面相切,且两个接闪线塔的塔尖点在滚球面上,阴影部分为受保护范围,既不同于双平行线,也不同于双接闪杆的保护范围。当建筑物与架空接闪线端头较近时,仅采用双平行线进行计算是没有说服力的。

图4 某双架空接闪线平面布置

图5 1-1剖面上滚球半径为30 m时的保护范围

以上的分析将架空接闪线视为直线,而实际中接闪线因自重会成一个弧形。因此,在防雷保护计算中必须考虑弧垂带来的影响。

3.2 计算方法

实际使用的双架空避雷针的保护范围并不同于GB 50057—2010附录D中的各种情况,因此对于双架空接闪线的计算应基于滚球法的基本原理。滚球法基本原理在GB 50057—2010的条文说明5.2.12中有明确说明:滚球法是以hr为半径的一个球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器,包括被利用作为接闪器的金属体,或只触及接闪器和地面包括与大地接触并能承受雷击的金属物,而不触及需要保护的部位时,则该部位就得到接闪器的保护。

在对双架空接闪线保护计算时,应根据实际情况绘制各个最危险方向的滚球,核算各个防雷最不利点是否在滚球外部,从而判断整个建筑物是否处于架空接闪线有效保护范围内。

3.3 保护计算

通过对雷击范围的分析,图3中的A、B、C、D4点为雷击最不利点,若此4点在保护范围内,则整个建筑处于防雷装置保护。

3.3.1A点

对于A点的验算主要考虑在架空接闪线上方的滚球,即A点是否在与两根接闪线相切的滚球范围以外。

(6)

保护范围最低点的高度大于建筑物最大高度12.4 m,因此A点在保护范围内。

3.3.2B点

根据式(5),22 m高接闪线在12.4 m的保护宽度可达4.6 m,接闪线塔为30 m时,接闪线最低点为27 m,保护的宽度大于4.6 m,而B点距接闪线的水平方向距离仅为1.75 m。因此，B点必然在保护范围内。

3.3.2C、D点

C点和D点的计算方法是相同的。由于A点受保护,而A点位置对应的接闪线高度最低,因此可以不考虑接闪线上方的滚球范围,C点和D点一定不会被接闪线上方的滚球接触,需要考虑的危险滚球在建筑侧面。

首先计算C点的情况。假定有一个圆心为O的滚球在建筑左侧,其与地面相切,且4#和5#接闪线塔塔尖点在滚球上。平面布置图如图6所示，仅示出建筑的下半部分。

图6 平面布置图

因O点及接闪线塔的塔尖高度均为30 m,则O点与距4#、5#接闪线塔塔尖连线的垂直距离为

(7)

另外,接闪线塔中心距建筑物为6.5 m,故

29.6 m

(8)

故C点在滚球内,未处于保护范围内。同理可知，D点在保护范围内。

4 补救措施

根据以上计算,A、B、D点在保护范围内,而C点未在保护范围外,有潜在的雷击危险,因此需要采取以下保护措施。

(1) 增加接闪线。比较容易的保护方案是在4#、5#接闪线塔之间架设接闪线,使建筑侧面的滚球不再能威胁到该建筑。该方法不用调整接闪线塔位置,可以不经核算即可达到对C点的保护。

(2) 3#、4#两个接闪线塔上移。在不改变接闪线长度的条件下,将3#、4#接闪线塔之间的接闪线上移。因B点与接闪线距离产生变化,需要重新核算B点保护。

(3) 4#、5#两个接闪线塔右移。在不改变两根架空接闪线相对位置的条件下,将4#、5#两个位置的接闪线塔右移,可以使右侧危险滚球远离该建筑,以达到保护C点的目的。由于线路加长,弧垂增加,需要考虑接闪线上部滚球的影响,即A点的保护。

该项目受厂区布局所限,接闪线塔的定位非常困难,在满足防雷保护的同时还需满足与建筑及其接地装置的距离、室外工艺管道的间距、道路边沿距离的要求。因此,为避免移动接闪线塔位置导致整个项目方案调整,在4#、5#接闪线塔之间及5#、6#接闪线塔之间增加接闪线。

最终的接闪线布置如图7所示。

图7 最终的接闪线布置

5 结 语

从某一类防雷建筑设计的实际条件出发,通过对独立接闪杆和架空接闪线保护范围的分析,选择了一种多架空线的防直击雷保护方案。分析了双架空接闪线的保护范围与建筑物防雷设计规范中双平行线的不同,基于滚球法基本原理提出了防直击雷验证的要求,并根据该要求对提出的防雷布置方案进行了核算。核算后针对不能保护的位置,提出了多种改进方案,并最终确定了防直击雷设计方案。

[1] 肖霞.爆炸危险环境的外部防雷措施[J].自动化应用,2012(7):35-36.

[2] 修奇.爆炸危险环境建筑物防雷设施选择及布置[J].武警学院学报,2008(8):59-61.

[3] 李福胜,周大捷.防雷接闪器选择和布置[J].广西气象,2004(4):30-31.

[4] 李福胜,雷达塔防雷设计的探讨[J].现代建筑电气,2014,5(10):39-42.

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Direct Lightning Protection Design of Overhead Lightning Line

HUANG Xu1, LI Hongxu2

(1.China CMCU Engineering Corporation, Chongqing 400039, China; 2.Luxi Chemical Engineering Design Company Limited, Liaocheng 252211, China)

Based on an example of a building,this paper introduced the lightning protection design of a certain first-class direct lighting protection buildings.The different layouts of adopting single lightning rod and single overhead lightning conductor were calculated and contrasted,and ultimately a plan which uses several overhead lightning conductors was confirmed.During the comparison,the protective range and its difference between dual overhead lightning conductors and designed specifications of lightning protection were analyzed.Finally,the rolling ball method was adopted to do the checking computation of the final plan,which confirms that it can play a role in direct lightning protection.

first-class lightning protection; rolling ball method; overhead lightning line; direct lightning protection

黄 旭(1983—),男,工程师,从事建筑电气设计。

TU 856

A

1674-8417(2015)01-0024-05

2014-08-21

李红旭(1986—),男,从事建筑电气设计。