易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)防雷設(shè)計

●張福泉,朱 奎

(天津市消防總隊天津 300090)

雷擊災(zāi)害被聯(lián)合國列為十大自然災(zāi)害之一。易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)一般規(guī)模大、工作壓力高、裝置露天,是防火、防雷工作的重中之重。在目前我國沒有針對易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)防雷設(shè)計規(guī)范的前提下,如何有效的消除雷擊火災(zāi)隱患,筆者結(jié)合工作實際,分析并提出如下防雷設(shè)計建議。

1 易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)環(huán)境及雷擊火災(zāi)隱患特點

易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)一般位于城郊開闊地帶,四周較為空曠,容易遭受雷擊,具有以下幾個特點：(1)建(構(gòu))筑物防直擊雷設(shè)計不規(guī)范。有的易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)建筑未安裝防直擊雷設(shè)施或明敷防雷引下線未沿外墻最短垂直路徑接地。(2)露天裝置沒有防雷裝置。(3)靜電防護(hù)存在缺陷,儲罐、物料管線法蘭、呼吸閥和裝置等未作跨接或跨接電阻值偏大,未能接地或接地不良,接地電阻值偏大,不符合規(guī)范要求。(4)變配電系統(tǒng)存在隱患。有的 380V交流供電線路是架空明線接入企業(yè)再地埋引入建筑的,有的是由 10kV電力線架空接入,經(jīng)變壓器后再地埋引入建筑的。在鄉(xiāng)村和山區(qū)有時根本沒有地埋措施,未安裝電涌保護(hù)器,非常容易遭受感應(yīng)雷擊電磁脈沖侵入。(5)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)存在缺陷。有些企業(yè)的 ISDN、電話線、監(jiān)控、消防、場站儀表數(shù)據(jù)采集設(shè)備等線路由戶外架空明線布設(shè),未安裝電涌保護(hù)器等防雷措施。

2 企業(yè)建(構(gòu))筑物防雷設(shè)計

2.1 防雷等級確定

依據(jù)計算,并參照 GB50057-94(2000年版)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第 2.0.3條的要求,“具有 1區(qū)爆炸危險環(huán)境的建筑物,且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者”,易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)的建(構(gòu))筑物應(yīng)按第二類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計。

2.2 防雷設(shè)計

2.2.1 該類建(構(gòu))筑物一般由辦公樓、控制室、泵房、操作車間、罩棚、配電室及其他附屬建筑物組成。防直擊雷接閃器設(shè)計宜采用裝設(shè)在建筑物上的避雷網(wǎng)(帶)或避雷針或由其混合組成。避雷網(wǎng)應(yīng)沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè),并應(yīng)在整個屋面組成不大于 10m×10m或 12m×8m的網(wǎng)格。罩棚一般采用鋼架結(jié)構(gòu),其棚頂采用金屬屋面,可直接利用其作為接閃器,不用再另設(shè)避雷針或避雷帶(屋頂有其他需要保護(hù)的物體除外)。金屬屋面厚度,鐵板不應(yīng)小于 4mm,銅板不應(yīng)小于 5mm,鋁板不應(yīng)小于 7mm。

2.2.2 易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)的建(構(gòu))筑物防雷引下線設(shè)計,由于建(構(gòu))筑物一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼架結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)利用樁內(nèi)兩條對角主筋作為自然引下線,引下線間距不大于 18m,引下線不應(yīng)少于 2根,應(yīng)沿建筑物周圍均勻布置。引下線在適當(dāng)?shù)攸c設(shè)若干連接板,該連接板可供測量、接人工接地和作等電位連接用;將辦公樓及附屬建筑物內(nèi)所有電器設(shè)備和金屬導(dǎo)體做等電位連接;泵房、操作車間、配電室應(yīng)設(shè)置均壓環(huán),均壓環(huán)必須可靠良好接地,應(yīng)將均壓環(huán)與建筑物接地進(jìn)行可靠焊接。將所有金屬物體,包括電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設(shè)備外殼以及所有進(jìn)出金屬管道等金屬構(gòu)件進(jìn)行電氣連接,并接至均壓環(huán)上,以均衡電位。均壓環(huán)可采用 40mm×4mm的扁銅或鍍鋅扁鋼,間隔1m。均壓環(huán)與建筑物內(nèi)等電位排進(jìn)行可靠連接,不需再另設(shè)接地裝置。

2.2.3 建(構(gòu))筑物防雷接地裝置設(shè)計,一般采用自然接地體作為接地裝置。應(yīng)將防雷接地、防靜電接地、電氣設(shè)備工作接地、保護(hù)接地、信息系統(tǒng)的接地、等電位連接帶、建筑物金屬構(gòu)件采用共用接地,達(dá)到均壓、等電位以減小各種接地設(shè)備之間、不同系統(tǒng)之間的電位差。當(dāng)自然接地體達(dá)不到接地電阻要求時,應(yīng)設(shè)置人工接地體。考慮到接地裝置使用的長期性和耐腐蝕性,建議接地裝置布置依據(jù)地形進(jìn)行設(shè)計。人工接地體設(shè)置在散水坡 1m以外,可以不破壞散水坡保護(hù)面,同時也加大了地網(wǎng)包圍的有效面積。在建筑外設(shè)計成閉合的環(huán)形,可以起到均壓環(huán)的作用,也可以從不同的方位引入地線作等電位連接使用,可以作為不同位置進(jìn)入建筑物線纜的外屏蔽層接地線使用。水平接地體通常使用 40mm×4mm鍍鋅扁鋼,埋深 0.6m(深度應(yīng)大于當(dāng)?shù)貎鐾翆?;垂直接地體使用L50×50×5×2500mm鍍鋅角鋼或垂直接地體間使用非金屬接地模塊。接地電阻要求,易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)的地網(wǎng)分為直擊雷保護(hù)接地電阻≤10Ω、防靜電接地電阻≤100Ω、電源工作接地電阻≤10Ω、信號線路直流工作接地電阻≤4Ω四個部分。當(dāng)采用統(tǒng)一接地時,接地電阻值應(yīng)按最小值確定。

3 露天裝置區(qū)防雷設(shè)計

易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)的露天裝置有：高大的生產(chǎn)設(shè)備;儲罐;通過框架或支架安置在高處的生產(chǎn)設(shè)備和引向火炬的主管道;安置在地面上的大型壓縮機(jī)、成群布置的機(jī)泵等轉(zhuǎn)動設(shè)備;在空曠地區(qū)的火炬、煙囪和排氣筒;安置在高處易遭受直擊雷的照明設(shè)施等。

3.1 露天裝置區(qū)防直擊雷設(shè)計

3.1.1 接閃器設(shè)計。防直擊雷接閃器應(yīng)利用生產(chǎn)設(shè)備的金屬實體作為防直擊雷的接閃器;用作接閃器的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)為整體封閉、焊接結(jié)構(gòu)的金屬靜設(shè)備;轉(zhuǎn)動設(shè)備不應(yīng)用作接閃器;用作接閃器的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)有金屬外殼,其易受直擊雷的頂部和外側(cè)上部應(yīng)有足夠的厚度,鋼制設(shè)備的壁厚應(yīng)大于或等于 4mm。易受直擊雷且在附近高大生產(chǎn)設(shè)備、框架和大型管架(已用作接閃器)等的防雷保護(hù)范圍之外的轉(zhuǎn)動設(shè)備;不能作為接閃器的金屬設(shè)備;非金屬外殼的靜設(shè)備等應(yīng)另行設(shè)置接閃器。

3.1.2 引下線設(shè)計。高大的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)利用其金屬殼體作為引下線;生產(chǎn)設(shè)備通過框架或支架安置時,應(yīng)優(yōu)先利用金屬框架作為引下線;高大爐體、塔體、筒倉、大型設(shè)備、框架等應(yīng)至少使用兩根引下線,引下線的間距不應(yīng)大于 18m;在高空布置、較長的臥式容器和管道(如送往火炬的管道)應(yīng)在兩端設(shè)置引下線,長度超過 18m時應(yīng)增加引下線數(shù)量;引下線應(yīng)以最短的路徑直接引到接地體,應(yīng)按照規(guī)范滿足截面積和厚度要求,并在地面以上加機(jī)械保護(hù)。利用柱內(nèi)縱向主鋼筋作為引下線時,柱內(nèi)縱向主鋼筋應(yīng)采用焊接的方法。

3.1.3 接地裝置設(shè)計。利用金屬外殼作為接閃器的生產(chǎn)設(shè)備,至少在金屬外殼底部分兩處連接到接地體;另行設(shè)置的接閃器(針狀、線狀和網(wǎng)狀),均應(yīng)有引下線直接接到接地體;防直擊雷用的每根引下線所直接連接的接地體,其沖擊接地電阻不應(yīng)大于 10Ω。

3.2 露天裝置區(qū)防感應(yīng)雷設(shè)計

所有金屬設(shè)備、框架、管道、電纜金屬保護(hù)層(鎧裝、鋼管、槽板等)和放空管口等,均應(yīng)連接到接地裝置上。金屬物體與附近引下線之間的空間距離應(yīng)按下式確定：

式中,S為空間距離(m);Kc為分流系數(shù)(取 0.66);lx為引下線計算點到接地連接點的長度(m)。如果 S不滿足要求,應(yīng)在高于連接點的地方增加接地連接線;平行敷設(shè)的金屬管道、框架和電纜金屬保護(hù)層等,當(dāng)其間凈距小于 100mm時應(yīng)每隔30m進(jìn)行金屬連接,相交或相距處凈距小于 100mm時亦應(yīng)連接。防直擊雷接地體應(yīng)與防感應(yīng)雷接地體連成一體。

3.3 露天裝置區(qū)排放設(shè)施防雷設(shè)計

排放設(shè)施,包括放散管、排風(fēng)管、安全閥、呼吸閥、放料口、取樣口、排污口等,其中安裝在生產(chǎn)設(shè)備易受直擊雷的頂部和外側(cè)上部的放空口,應(yīng)根據(jù)排放的物料和濃度、排放的頻率或方式、正常或事故排放、手動或自動排放等生產(chǎn)操作性質(zhì)和安裝位置分別進(jìn)行防雷擊保護(hù)。儲存閃點低于或等于 45℃的可燃液體設(shè)備,在生產(chǎn)緊急停車時連續(xù)排放,其排放物達(dá)到爆炸危險濃度者(包括送火炬系統(tǒng)的管路上的臨時放空口,但不包括火炬)或儲存閃點低于或等于 45℃的可燃液體貯罐,其呼吸閥不帶防爆阻火器的情況下的放空口,應(yīng)設(shè)置接閃器。此時,放空口外的爆炸危險氣體空間應(yīng)處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi),且接閃器的頂端應(yīng)高出放空口 3m,水平距離應(yīng)大于 4～5m。

4 供配電系統(tǒng)防雷設(shè)計

4.1 380/220V供配電系統(tǒng)宜采用 TN-S系統(tǒng)

在這種配電方式的整個系統(tǒng)(包括分支線路)中,具有單獨的中性線(N)和保護(hù)接地線(PE),即整個系統(tǒng)中性線與保護(hù)接地線始終是分開的,PE線上沒有交流電流流過,在整個防雷工程的等電位連接接地系統(tǒng)中,它與等電位連接接地系統(tǒng)保持牢固的連接,所以PE線上電位相等。

4.2 電纜應(yīng)穿鋼管埋地引入并接地

電纜應(yīng)穿鋼管埋地進(jìn)入廠區(qū),電纜金屬外皮或電纜金屬保護(hù)管兩端均應(yīng)接地。供電系統(tǒng)電纜金屬外皮或電纜金屬保護(hù)管兩端均應(yīng)接地,其目的是屏蔽雷擊電磁脈沖,減少或削弱雷電危害,防止雷擊事故。供電系統(tǒng)電纜應(yīng)單獨布線,不應(yīng)與油品、液化石油氣和天然氣管道、熱力管道敷設(shè)在同一溝內(nèi),避免電纜與其他管道相互影響,引起爆炸火災(zāi)事故,電纜溝應(yīng)充砂填實。

4.3 外來導(dǎo)體等電位連接

外來導(dǎo)體包括金屬水管、通訊電纜線及電力電纜鎧裝外皮或電纜金屬管等。所有的水管和電纜應(yīng)埋地進(jìn)入配電室或機(jī)房,水管和電纜鎧裝外皮和保護(hù)金屬管應(yīng)在進(jìn)出建筑物時與接地裝置相連接,電纜應(yīng)選用鎧裝電纜或穿金屬管埋地。以上所有接地都要與建(構(gòu))筑物、罐區(qū)形成等電位連接。

4.4 供配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器的布置和選擇

電涌保護(hù)器(SPD)的布置原理如圖 1所示。在安裝電涌保護(hù)器使用導(dǎo)線進(jìn)行連接時,導(dǎo)線電感在雷電波的頻率作用下不能忽略,應(yīng)考慮多級防護(hù),以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害。為防止電涌保護(hù)器遭受雷擊損壞后,電源對地短路,需要在電涌保護(hù)器前安裝空氣開關(guān)作為短路保護(hù)裝置。根據(jù) ITU、K 20和 IEC61312-3等規(guī)范的規(guī)定,兩級 SPD之間,必須有一定的線路長度(即一定的感抗或加裝退耦裝置)來達(dá)到避免多級SPD當(dāng)中出現(xiàn)某一級SPD不啟動導(dǎo)通泄流的盲點的要求。規(guī)范同時規(guī)定,末級 SPD的保護(hù)電壓水平必須低于被保護(hù)設(shè)備對浪涌電壓的耐受能力。

圖1 電涌保護(hù)器布置原理

5 電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計

易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)的電子設(shè)備主要為：監(jiān)控設(shè)備、通信、消防、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。在雷擊發(fā)生時,產(chǎn)生巨大瞬變電磁場,在 1km范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、信號及通訊金屬連線等都會受感應(yīng)雷擊影響,甚至徹底破壞系統(tǒng)。對于網(wǎng)絡(luò)、信號及通訊方面的防雷工作是較易被忽視的。電子信息系統(tǒng)防雷應(yīng)從等電位連接與共用接地系統(tǒng)、屏蔽及布線、防雷與接地、安裝電涌保護(hù)器進(jìn)行綜合設(shè)計。(1)電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬管(槽)、屏蔽線纜外層、信息設(shè)備防靜電接地和安全保護(hù)接地及浪涌保護(hù)器接地端等均應(yīng)以最短的距離與等電位連接網(wǎng)絡(luò)的接地端子連接。防止過長的連接導(dǎo)線構(gòu)成較大的環(huán)路而增大對空間雷擊電磁脈沖干擾(LEMP)的耦合幾率,造成泄放雷電流不暢,降低系統(tǒng)安全性。(2)電子信息系統(tǒng)設(shè)備主機(jī)房宜選擇在建筑物中心樓層低的區(qū)域,其機(jī)房應(yīng)遠(yuǎn)離外墻結(jié)構(gòu)柱,設(shè)置在雷電防護(hù)區(qū)內(nèi),有條件的,建議安裝金屬屏蔽網(wǎng)或金屬屏蔽室。金屬屏蔽網(wǎng)、金屬屏蔽室應(yīng)與等電位接地端子板連接。(3)信號線路電纜應(yīng)采用金屬屏蔽層的線纜或使用金屬管進(jìn)行敷設(shè)。室外應(yīng)以埋地敷設(shè)方式進(jìn)入建筑物;在樓內(nèi)應(yīng)采用金屬屏蔽槽垂直敷設(shè)和水平敷設(shè)方式進(jìn)入機(jī)房。(4)在網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備防護(hù)方面,依據(jù)相關(guān)規(guī)范對信號系統(tǒng)雷電及過電壓防護(hù)要求,如在液位檢測儀引出的控制線上安裝專用電涌保護(hù)器。在通信、監(jiān)控、消防系統(tǒng)進(jìn)出線分別安裝電涌保護(hù)器,用于對機(jī)房及各系統(tǒng)的保護(hù)。

6 結(jié)束語

易燃易爆危險化學(xué)品企業(yè)是雷擊火災(zāi)高風(fēng)險單位,應(yīng)從外部防雷、內(nèi)部防雷綜合設(shè)計,注重接閃器、引下線連接與共用接地系統(tǒng)、屏蔽及合理布線、等電位連接與安裝電涌保護(hù)器等方法。在實際的防雷工程設(shè)計中,還需根據(jù)各類設(shè)備的特點和防護(hù)對象的實際情況靈活應(yīng)用、綜合考慮,才能獲得良好的效果。

[1]GB 15599-95,石油與石油設(shè)施雷電防護(hù)規(guī)范[S].

[2]GB 50057-94,建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(2000年版)[S].

[3]GB 50343-2004,建筑物電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[4]IEC 61312,雷電電磁脈沖的防護(hù)[S].

[5]GB 50174-93,電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范[S].

[6]YD/T5098,通信局(站)雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范[S].

[7]高強(qiáng).雷電與防雷[J].天津化工,2003,17(5).