爆炸危险环境建筑物的防雷实例分析

李 然

(中国航空规划设计研究总院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

人类的生存环境是变幻莫测的,有些自然现象对人类的生存造成巨大的危害和影响,比如地震、洪水、雷击等。人们为了避免这些灾害带来的危害采取了诸多有效可行的防护措施。本文主要针对雷电危害,对爆炸危险场所的建筑物设计合理可行的防雷措施。

1 雷电的现象及危害

1.1 雷电现象

雷电是自然灾害的一种,雷电在放电的过程中伴随着电闪雷鸣。雷电现象具有高电流、高电压、强辐射等特征。根据雷电形成原理的不同,雷电分为直击雷、感应雷、球形雷等[1]。直击雷是由带电云层与地面物体之间产生的一种放电现象,可在瞬间击毙击伤人畜,也可以对电子设备造成损害;感应雷是由于雷电流的变化而产生交变磁场,进而使该磁场周围的金属构件产生感应电动势而形成的一种放电现象,它可使金属部件之间产生火花,从而损坏电子设备等;球形雷是由球状发光气团释放能量而引起的放电现象,一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸。

1.2 雷电的危害

直击雷和球形雷都会对人和建筑造成危害,其中直击雷危害更大。直击雷在放电瞬间电压会达到百万伏到千万伏,雷电击中建筑物后接地网的地电位在瞬间被抬高,易引起电火花。球形雷发生的概率较低,一般从建筑物的孔洞等侵入室内。球形雷有时自燃爆炸,有时在移动中遇到金属管线产生爆炸[1]。

静电感应和电磁感应作用。静电感应使高电位侵入室内,危及人身和设备的安全。电磁感应作用是雷电产生的电磁感应现象在导体上感应出高电压及高电流,回路间的导体若接触不良,就会产生局部发热,回路若有间隙就会产生电火花,电磁脉冲主要影响电子设备。

雷电产生的危害具有很强的破坏性,对爆炸危险环境建筑物的防雷设计要给予重视,采取必要的防雷设施。

2 爆炸危险环境防雷等级划分

2.1 爆炸危险环境划分

工业场所爆炸危险物质按照气体和粉尘两种类型划分,爆炸危险环境的物质特性包括物质名称、化学成分、闪点、爆炸极限、气体挥发性、粉尘颗粒、引燃温度等,需要专门的工艺设计人员了解工艺生产流程、危险品使用情况、生产设备工作特点,并明确释放源等级、位置[1]。在设计过程中需要参考相关规范,常规的爆炸危险环境参考GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分:场所分类爆炸性气体环境》、GB 12476.3—2017《可燃性粉尘环境用电气设备 第3部分:存在或可能存在可燃性粉尘的场所分类》等。对于制造、使用或贮存火药、炸药、强氧化剂以及不用外来点火源就能自行起火的物质环境等,需要参考相关行业内规范[2]。

2.2 建筑物防雷类别的划分

综合考虑建筑物的重要性、使用性质、雷击后果的严重性以及遭受雷击的概率大小等因素。GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》将建(构)筑物划分为3类不同的防雷类别,以便规定不同的雷电防护要求和措施[3]。在设计过程中应根据工艺要求以及物质实际使用情况判定防雷等级。防爆场所防雷类别划分如表1所示。

表1 防爆场所防雷类别划分

3 爆炸危险场所防雷措施

爆炸危险环境防雷根据危险物质划分按照一类防雷或二类防雷设计。防雷建筑物应由外部防雷装置和内部防雷装置组成。防雷设计应从接闪器设计、分流影响、均衡电位、屏蔽、接地以及布线等方面考虑。防雷装置如图1所示。

图1 防雷装置

4 防雷工程实例

4.1 工程概况

以某推进剂加注厂房为例,该厂房长42 m,宽15 m,高13.75 m,火灾危险性为甲类,主要存放肼类等重要燃料。肼类属于甲类易燃液体,闪点小于28 ℃,与空气中有机物接触燃烧,爆炸后会造成巨大的破坏。GJB 3138—2003《导弹与卫星试验发射场常规推进剂库设计规范》中第9.1.2条明确了加注泵间、贮罐间、转注间为1区,配气间、废气处理间为2区,该规范第9.5.1条规定推进剂建筑按照一类防雷进行设计[4]。具体防雷措施还需要结合GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中的相关要求。推进剂加注厂房屋面如图2所示。

图2 推进剂加注厂房屋面

4.2 外部防雷措施

4.2.1 防直击雷

防直击雷须设置独立的接闪杆、架空接闪线或接闪网(网格尺寸不应大于5 m×5 m或6 m×4 m),使被保护建筑物及突出屋面的物体均处于接闪器的保护范围内。本项目根据环评要求设有两根无管帽排气管,距地面15 m。防雷设计采用滚球法,拟采用独立接闪杆或架空接闪线作为接闪器。设计时要综合考虑接闪杆或接闪线支柱在总图上的位置,该位置不能影响正常人流物流通道。在山区尚有多个爆炸危险库房集中设置的情况下,可根据现场地形特点统筹考虑山区各建筑的防雷设计,从而精简避雷线塔的数量。独立接闪杆相对架空接闪线支柱占总图的位置较多,优先选用架空接闪线作为本项目的防直击雷措施。

(1) 架空接闪线支柱位置确定。

架空接闪线的支柱及其接地装置与被保护建筑物及与其有联系的管道、电缆等金属物之间需满足间隔距离要求。防雷装置至被保护物的间隔距离如图3所示。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中4.2.1的第5条,应符合当hx<5Ri时,Sa1≥0.4(Ri+0.1hx);当hx≥5Ri时,Sa1≥0.1(Ri+hx),Se1≥0.4Ri,且不得小于3 m。

图3 防雷装置至被保护物的间隔距离

Ri为接地装置的冲击接地电阻(Ω);hx为被保护物或计算点的高度(m);hr为防雷滚球半径(m);h为接闪线的支柱高度(m);l为接闪线的水平长度(m);l1为从接闪网中间最低点沿导体至最近支柱的距离(m);Sa1为空气中的间隔距离(m);Se1为地中的间隔距离(m);Sa2为接闪线至被保护物在空气中的间隔距离(m)。

① 架空接闪线支柱地上与建筑距离。推进剂加注厂房hx为13.75 m,接地装置冲击接地电阻Ri为10 Ω。通过计算可知,hx<5Rii,Sa1≥4.55 m。为满足要求,并综合考虑总图上建筑、架空接闪线支柱的位置,将架空接闪线支柱设置在距离建筑不小于4.6 m的地方。

② 架空接闪线支柱接地装置与建筑接地装置距离。经计算,Se1≥4 m,本项目架空接闪线支柱距离建筑不小于4.6 m时可以满足要求。

(2) 架空接闪线高度的确定。

架空接闪线至屋面和各种突出屋面的风帽、放散管等物体之间须有间隔距离,且不应小于3 m,厂房南侧设有两个无管帽排气管,距地面15 m,接闪器要保护管口上方半径5 m的半球空间。架空接闪线弧垂后高度不小于20 m,考虑弧垂暂定接闪线的支柱高度h为24 m,接闪线的水平长度l约为51.2 m。

(3) 架空接闪线保护范围校验。

本项目的架空接闪线既要保护建筑,又要保护15 m排气管及其管口上方半径5 m的半球空间。在建筑四周设置4根接闪线支柱高24 m,设两根接闪线A、接闪线B,考虑弧垂后接闪线最低点距地面22 m。推进剂加注厂房接闪线示意图如图4所示。

图4 推进剂加注厂房接闪线示意图

验算架空接闪线一类防雷防护范围:

图5 排气管防雷保护范围示意图

图6 架空接闪线位置及保护范围示意图

图7 架空接闪线从侧面看保护范围示意图

③ 单根接闪线在建筑高度hx2的xx′平面上的保护宽度bx2验算。hx2取建筑高度13.75 m。

图中,D为接闪线A和接闪线B的间距(取15 m);h为接闪线高度(m);ho为两根接闪线之间保护范围最低点高度;bx1为接闪线在排气管高度hx的xx′平面上的保护宽度(m);bx2为接闪线在建筑高度hx的xx′平面上的保护宽度(m);hr为滚球半径,第一类防雷取30 m;hx为被保护高度(hx1为被保护排气管高度;hx2为被保护建筑高度)。

图8 架空接闪线从正面看保护范围示意图

4.2.2 引下线及接地装置

架空接闪线支柱至少设1根引下线,可利用金属杆塔或钢筋网作为防雷引下线,并应有独立的接地装置。每根引下线的冲击接地电阻不大于10 Ω,高土壤电阻率地区可适当增大冲击接地电阻。

建筑内设备的接地装置与防止直接雷击的独立避雷针接地装置应分开设置,与防雷电感应的接地装置可合并设置。建筑的接地电阻取最小值。

4.3 内部防雷措施

内部防雷装置用来减小雷电流产生的电磁影响,可采用防雷等电位连接、加装电涌保护器等措施,用来防闪电感应、防反击、防闪电电涌侵入等二次雷害。

4.3.1 防雷等电位连接

该建筑内设置防雷等电位连接。防闪电感应的接地装置与电气和电子系统的接地装置共用,共同利用建筑物基础内的钢筋作为接地装置,防闪电感应接地装置与外部防雷接地装置(架空接闪线支柱)的间距须满足规范要求。建筑构件内连接箍筋及钢筋之间必须连接成电气通路。建筑物内的设备、管道、构架电缆金属外皮、钢屋架、钢窗等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属物均应就近与防闪电感应的接地装置连接。电子系统引入线路的屏蔽层、加强钢线、护套钢管等应等电位连接到入户的终端箱体上。

为了防闪电感应,混凝土屋面其钢筋网的交叉点焊接或者绑扎,并在建筑物顶上设防感应金属网格,在建筑物四周设引下线,利用建筑物钢筋混凝土柱子或剪力墙内两根直径10 mm以上主筋通常焊接作为引下线。引下线上端与感应金属网格焊接,下端与建筑物基础底梁及基础底板轴线上的上下两层钢筋内的两根主筋焊接。每隔18 m采用引线下接地一次,与防闪电感应地网做等电位连接。

在推进剂加注厂房内高爆炸风险房间的进门处设置静电消除装置,消除进出该库房工作人员身上的静电。静电消除装置与防雷电感应接地装置可靠连接。

4.3.2 接触电压和跨步电压措施

为了防止接触电压和跨步电压对人体的伤害,在以独立接闪杆和建筑的防雷引线为中心的3 m范围内敷设15 cm厚的砾石层。

在独立接闪杆周边设置护栏,明确“雷电危险,请勿靠近”警示牌,将接触电压、跨步电压危险降到最低。

4.3.3 防电涌保护措施

本项目室外电缆采用直埋方式入户,在入户位置将电缆的金属皮、金属管道等就近与建筑的防闪电感应的接地装置可靠连接。

进线配电箱、室外用电设备配电柜等处均装设电涌保护器(SPD)。设Ⅰ级试验的电涌保护器,其电压保护水平值不大于2.5 kV,查阅手册,本建筑引入电缆芯线每千米电阻约0.229 Ω,钢管每千米电阻约0.311 Ω,采用1根4芯电缆引入,2根金属管,经过GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.2.4条中公式(4.2.4-7)估算Iimp=5.18 kA,计算冲击电流约5.18 kA,每一保护模式的冲击电流值不小于5.18 kA。

5 结 语

防雷设计决定爆炸危险环境库房的安全性。在设计过程中要充分考虑危险场所防雷装置的设计和施工,综合考虑安全距离、接地电阻及保护范围,做好等电位联结、防静电设计以及防雷电感应措施,从而有效地减少雷电和静电对爆炸危险环境库房的危害。

爆炸危险环境的一类防雷在设计过程中不仅要考虑对建筑自身的防雷保护,还要考虑爆炸气体排放管的防雷保护,对爆炸危险物质进行分类,明确气体相对密度及排气管管帽情况等。采用滚球法使得防雷装置保护范围能覆盖全部爆炸气体排放管及建筑,在设置独立接闪杆和架空接闪线时也要充分考虑工程中的经济效益等。