某工業園區火工廠房防雷及接地設計方案

Design of Lightning Protection and Earthing for Factory Building Producing Initiating Explosive Devices

Gao Xiang / Ding Hui

某工業園區火工廠房防雷及接地設計方案

高翔1/ 丁輝2( 1.吉林省建苑設計集團有限公司， 吉林 長春 130011； 2.中國航天建設集團有限公司， 北京 100071)

摘要火工廠房易燃易爆，做好防雷接地設計尤其重要。通過給出計算實例的方法，闡述了典型火工廠房的防雷接地設計方案。方案充分考慮了火工廠房易燃易爆的特點，采用四根等高接閃桿加兩根接閃線的防雷設計，契合了規范對滾球半徑的要求；充分考慮了火工廠房通常建設在山區、土壤電阻率高的特點，通過對接地電阻、模塊電阻的計算確定了降阻模塊使用要求及廠房接地設計方法。可以為典型火工品廠房防雷與接地的設計者提供參考。

關鍵詞火工品 接閃線塔 接地設計

AbstractGood lightning protection and grounding design is especially important for explosive factory. The method of calculation examples is given to describe the typical plant lightning protection and grounding design. The four towers plus two lines lightning protection design considers the explosive plant characteristics, fitting the sphere radius requirements. Taking full account of the soil of mountains characteristics, the resistance calculation and the grounding design are given. A reference of typical pyrotechnics plants’ lightning protection and grounding design is provided.

Keywordsinitiating explosive device, lightning protection tower, earthing design

1工程概況

本工程位于中國某市，分為多個單體建筑，其中共有7個火工品廠房，編號為1#～7#，本工程各廠房總體布局見圖1。1#為總裝測試廠房、2#～7#為庫房，2-1#為控制室(非防爆)。1#廠房建筑面積3 560m2，2#庫房建筑面積300m2，3#庫房建筑面積1 027m2，4#、5#、6#庫房面積為1 712m2，7#庫房面積為664m2。各個廠房、庫房皆分為主廠房和輔助用房兩部分，主廠房為輕鋼屋面，鋼筋混凝土剪力墻結構，獨立基礎；輔助用房為剪力墻和框架結構，獨立基礎和樁基結構。根據工藝要求，各廠、庫房皆為電氣II類危險場所，電氣設備按dIIBT4防爆等級設計。

本項目所屬地區屬于中溫帶半濕潤大陸性季風氣候,冬季沒有嚴寒天氣，夏季沒有酷暑天氣，雨熱同季。年平均氣溫為8.6℃～10.5℃，年降水量為530～650mm，降水集中在夏季，年雷暴日為33.7天，凍土厚度為0.93m。建設地網的施工現場地質環境差，地質勘察鉆探顯示，場地地層由粉質粘土、夯實填土、碎石土和強風化灰巖組成，場地平整后地表碎石較多，土壤電阻率實測值為245Ω·m，地質勘察探明未見地下水位。因為廠房和庫房均存放和使用大量火工品，根據建筑物防雷設計規范，防雷等級定為一類，對直擊雷防護及接地要求很高。

圖1　各廠庫房總平面簡圖

2設計依據

1)《建筑物防雷設計規范》(GB 50057-2010)；2)《電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗收規范》(GB 50169-2006)；3)《交流電氣裝置的接地設計規范》(GB/T 50065-2011)；4)《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(GB 50343-2012)；5)《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設計安全規范》；6)《航天系統地面設施電磁兼容性和接地要求》(GJB 1696-93)；7)項目地質勘察報告。

3防直擊雷設計

根據《建筑物防雷設計規范》(GB 50057-2010)的相關要求以及基礎數據，本著安全可靠、技術先進、經濟合理的基本原則進行防雷設計。

八個廠房、庫房均采用獨立接閃線塔進行直擊雷防護，根據多年的防雷設計經驗及以往已設計投入使用的類似廠房使用情況，由于接閃線存在雷電繞擊的可能性較大，降低了其防護的可靠性，為了更好地做好直擊雷防護，宜在接閃線塔頂端安裝優化接閃針，接閃針選用BRS-BLZ-T/200型提前放電接閃針，該針具有比普通接閃針保護范圍大、能夠減小雷擊點落于非接閃針體的概率、耐腐蝕、免維護、安裝簡單和造型美觀等優點。

根據現場情況，八個廠、庫房共設計了26個接閃線塔，需要BRS-BLZ-T/200型提前放電接閃針26套，安裝于接閃線塔頂部。工程利用金屬制成的獨立接閃線塔的金屬桿塔作為防雷引下線，引下線下端與接地裝置連接，形成獨立接地系統。每個獨立接閃桿的桿塔、架空接閃線的端部設一根引下線。

3.1計算實例

以1#建筑物為例，該建筑物長99.1m、寬35.9m、高13.6m。方案一考慮采用在建筑物長度方向設置兩座等高接閃塔，塔間加架空接閃線的方案進行建筑物設計。

當接閃線的高度h大于或等于2hr時，無保護范圍；當接閃線的高度h小于2hr時，依據《建筑物防雷設計規范》(GB 50057-2010)附錄D單根接閃線保護范圍的制圖方法進行繪圖，制圖見圖2。確定架空接線的高度時應考慮其弧垂的影響，本工程弧垂高度按2m考慮。

當h小于2hr且大于hr時，保護范圍最高點的高度應按式(1)計算：

h0=2hr-h

(1)

接閃線在hX高度的XX’平面上的保護半徑按式(2)計算：

(2)

式中，bX為接閃桿在hX高度的XX’平面上的保護半徑，m；hr為滾球半徑，一類防雷滾球半徑為30m；hX為被保護物的高度，m；h為接閃線的高度，m，接閃線的高度應考慮弧垂的影響，可理解為：接閃線高度=接閃線支柱高度-弧垂的高度。

接閃線兩端的保護寬度按單支接閃線的方法確定[1]。

圖2　單根架空接閃線的保護范圍

本工程建筑物高度hX=13.6m，滾球半徑hr=30m，代入公式(2)中可得：

令y=h(2×30-h)，對h求導：y′=60-2h。

當h=30，y有最大值：ymax=900。

當y取最大值時，bX也取最大值，bX最大值：bXmax=4.88m，由于建筑物寬35.9m，而單根架空接閃線在xx’平面上最大保護寬度為2bX，即9.76m，顯然單根架空接閃線不能完全保護本建筑物，故考慮采用設置四座等高接閃塔，在建筑物長度方向的接閃塔間加架空接閃線的方案。

首先考慮設定接閃線高度h小于或等于hr，兩根等高接閃線的保護范圍按下列方法確定：

兩根接閃線之間保護范圍最低點的高度按式(3)計算：

(3)

接閃線兩端的保護范圍按兩支接閃桿的方法確定，但在中線上的h0線的內移位置按以下方法確定：

(4)

其中，

(5)

圖3　兩根等高接閃線在高度h≤h r時的保護范圍

根據防雷規范GB 50057-2010，獨立接閃桿、架空接閃線與建筑物之間的距離不小于3m，且應按式(6)～(8)計算[1]。

地上部分：

當hX<5Ri時：

(6)

當hX≥5Ri時：

(7)

地下部分：

(8)

式中，Sa1為空氣中的間隔距離，m；Se1為地中的間隔距離，m；Ri為獨立接閃桿、架空接閃線或網支柱處接地裝置的沖擊接地電阻值(按規范規定此值一般取10Ω)；hX為被保護建筑物或計算點的高度，m。

計算得出，Sa1≥4.54m，Se1≥4m。

確定D的大小要考慮以下幾個因素：

1)前面算出單根接閃線在hX處的最大保護范圍為0～4.88m。

2)Sa1≥4.54m，Se1≥4m。

3)接閃線兩端的保護范圍按照兩支等高接閃桿的方法計算，有一定距離的內移。

基于以上幾個因素，先設定D與建筑物等寬，即D=35.9m。

當h=18m(此處h為接閃線的高度)時，h0=12.0m<13.6m，不能完全保護建筑物。

當h=23m(此處h為接閃線的高度)時，兩根接閃線之間保護范圍最低點h0=17.0m。

下面進行驗證：

根據規范，架空接閃線至屋面和各種突出屋面的風帽、放散管等物體之間的間隔距離應不小于3m，且應按式(9)、(10)計算：

當(h+l/2)<5Ri時，Sa2≥0.2Ri+0.03(h+l/2)

(9)

當(h+l/2)≥5Ri時，Sa2≥0.05Ri+0.06(h+l/2)

(10)

式中，Sa2為接閃線至被保護物在空氣中的間隔距離，m；h為接閃線的支柱高度，m；l為接閃線的水平長度，m。

計算得Sa2≥5.16m，顯然23m-13.6m=9.4m>5.16m，滿足規范。

此處應注意，h為接閃線的支柱高度，考慮接閃線的弧垂為2m，可設定為25m。同時l為接閃線的水平長度，可理解為接閃線的兩個支柱之間的距離，考慮到Sa1≥4.54m，Se1≥4m，設定l=109.1m，即各接閃塔與建筑物的距離為5m。

接閃線兩端中線上保護范圍最低點的內移距離按式(4)、(5)計算得：

x=4.04m<5m

亦滿足規范要求。

因此，選擇防直擊雷方案如下：接閃塔高度為25m，建筑物長度方向上的接閃塔離建筑物不小于5m，建筑物寬度方向上的接閃塔之間距離為35.9m，考慮接閃線弧垂為2m。

多年后提及此事，里根也備感懊惱，他曾對一位好友回憶說，“我當時真的并沒有想過要在5分鐘后轟炸蘇聯”，“我以為此時麥克風還沒與導播室連線呢。話一出口，我也意識到，自己玩得委實過火，這太不應該了”。

在最低點h0=17.0m平面上的保護范圍見圖4，建筑物保護范圍剖面見圖5。

圖4　接閃線、接閃塔在 h 0=17.0m平面上 的保護范圍

圖5　建筑物接閃線保護范圍剖面圖

圖6　1#、2#廠房接地示意圖

4接地防護

接地是防雷接地系統中的重要一環。各種形式的雷擊，如直擊雷、感應雷等，雷電流都要通過防雷接地裝置流入大地。因此，只有設計合理的接地系統，設置良好的接地裝置才能可靠地預防雷擊。眾所周知，接地電阻越小，散流就越快，被雷擊物體高電位保持時間就越短，危險性就越小，整個防雷接地工程的防雷設計是否可靠都取決于此。

廠區內各廠房接地分為防直擊雷的獨立接地系統和各廠房內技術接地、靜電接地、工作接地及保護接地等各種接地組成的共用接地系統，根據工藝技術要求，各廠房共用接地系統要求：1#、2#、2-1#、6#廠房設計要求接地電阻值小于0.5Ω；3#、4#、5#、7#廠房及倉庫設計要求接地電阻值小于1Ω；八座廠、庫房獨立接閃線塔接地設計要求接地電阻值小于10Ω。1#、2#廠房接地見圖6。

通過前期地質勘察，該廠區地質環境較差，利用建筑自然接地體無法達到設計要求，需要增加人工接地體設計，為保持整個接地網阻值的長期穩定、防止接地體腐蝕造成阻值增大而產生的二次投資，人工接地體采用BRS-JD-P型非金屬平板型低電阻接地模塊建設接地網。該接地極可有效增加地網接地效果，還具有工程造價較低、維護方便的優點。接地極圍繞建筑物組成環型地網，接地極間可采用4×40(mm)熱鍍鋅扁鋼焊接連接。非金屬接地模塊應挖坑埋設，埋設深度為室外地坪下1.1m，接地裝置距離建筑物不小于3m。接地模塊之間用水平4×40(mm)鍍鋅扁鋼相連，其間距為5m，當受地方限制時可適當減小。當接地模塊按上述要求在各廠房四周敷設一圈后，經現場實際測量，達不到設計接地電阻值時，應在距離該圈外緣不小于3m處再敷設一圈接地模塊，直到達到設計要求。其中，1#、2#、2-1#三個廠房的相互距離較短，其共用地網的敷設方式可根據現場實際情況，選擇在距離三個廠房都不遠且土質較好的空地處做接地網。

接地裝置埋在土壤中的部分，其連接宜采用放熱焊接；當采用通常的焊接方法時，應在焊接處除渣后做防腐處理[1，3]。扁鋼與扁鋼(角鋼)搭接長度為扁鋼寬度的2倍且不少于三面施焊。接地裝置連接應可靠，連接處不應松動、脫焊、接觸不良。

當全部接地模塊都用鍍鋅扁鋼連接完畢，檢查焊接都已可靠且焊接處已做防腐處理后，采用土壤電阻率較低的土壤進行回填處理，回填土壤中不應夾有石塊和建筑垃圾等，外取的土壤不得有較強的腐蝕性，在回填土時應分層夯實[1-2]。

5接地網實施用量計算

現場土壤電阻率實測值245Ω·m，考慮到土質的不均勻性，參考值選400Ω·m。單個接地模塊特性參數見表1。單個水平接地模塊的接地電阻見式(11)、(12)。

(11)

并聯后的總接地電阻：

(12)

式中，ρ為埋置地層的電阻率，400Ω·m；h為接地模塊的埋置深度，1m；a，b為Ⅰ型模塊的長、寬，0.5×0.4(m)；M0為模塊調整系數，0.33；Rnj為多模塊接地電阻值；n為接地模塊個數；η為模塊利用系數，0.6。

表1　單個水平接地模塊技術指標

注：*土壤電阻率取典型值400Ω·m。

根據已知條件計算得知，單個模塊接地電阻為64Ω。如要達到設計要求，需要接地模塊數量如下：

當接地電阻(Rnj)要求小于0.5Ω時，需要接地模塊214塊。

當接地電阻(Rnj)要求小于1Ω時，需要接地模塊107塊。

當接地電阻(Rnj)要求小于10Ω時，需要接地模塊11塊。

水平接地體的接地電阻計算按式(13)計算：

(13)

式中，ρ為埋置地層的電阻率，400Ω·m；L為扁鋼總長度，100m；t為扁鋼埋地深度，1m；d為接地體寬度，0.04m；A為扁鋼形狀系數，2.14。

通過計算得知，水平接地電阻為9.4Ω。

綜合考慮接地模塊與連接扁鋼組合后，其復合接地電阻可按式(14)計算：

(14)

式中，Rx為接地模塊與扁鋼組合后的電阻值；η為利用系數，取0.9。

代入式(15)地網接地阻值會有小量降低。根據多年來的實踐經驗，充分考慮計算的可靠性，建議接地極用量如下：

小于0.5Ω時，需要接地模塊220塊。

小于1Ω時，需要接地模塊140塊。

小于10Ω時，需要接地模塊14塊。

結合現場實際情況，為了減少工程成本，在1#、2#、2-1#三個廠房共用一處0.5Ω地網；6#廠房土質較差，增加40塊接地模塊獨立做一處0.5Ω地網；3#、4#、5#廠房各自獨立做1Ω地網；7#廠房土質較差，增加20塊接地模塊做1Ω地網。八所廠房獨立接閃線塔兩兩一組，共用一處10Ω地網。由于實際現場難免會出現各種因素變化，按上述設計各廠房如果出現沒能達到阻值要求的情況時，應根據現場實際情況采取相應的措施，直到達到設計接地電阻值要求。

6結束語

火工品廠房屬于爆炸危險場所，其防雷接地設計一定要緊扣規范以保障建筑物的安全。火工品廠房防直擊雷設計要求較多，需滿足各種距離要求。本文針對典型廠房給出了計算實例，可為設計者提供參考；地網接地電阻受土壤質地、所在地水文環境、氣候條件、地網接地極特性參數(長度、數量、深度、材質、形狀)以及地網結構等多種因素影響，要想精確計算其數值幾乎是不可能的。本文本著盡量客觀的原則進行了測算，根據規范給出了詳細計算，根據計算結果進行施工可以有效減少地網施工的盲目性。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑物防雷設計規范(GB 50057-2010)[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2]中國兵器工業總公司.火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設計安全規范[S].

[3]航天系統地面設施電磁兼容性和接地要求(GJB 1696-93)[S].

Grounding Technology of West Guangxi Rural School Building Lightning Protection and Electrical Equipments

Huang Xiantun