“滾球法”在煤礦瓦斯抽采泵站防雷設計中的應用

王惠臣

(中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

瓦斯抽采泵站是煤礦瓦斯抽采系統的重要組成部分[1]，其是否正常運行對于煤礦的安全生產具有重要意義。瓦斯抽采泵站較多建在空曠場地，且位置相對孤立，容易遭受雷擊。雷擊不僅會威脅到泵站內抽采設備的安全運行，更嚴重的是抽采系統輸送或排放的瓦斯氣體具有爆炸危險性，遭受雷擊時可能會影響到到井下生產安全。因此必須高度重視瓦斯泵站的防雷設計，既要體現安全第一的原則，也要滿足最新規程、規范[2-5]的相關要求。

瓦斯抽采泵站防雷設計包括防止直擊雷、雷電感應、防雷電反擊及雷電波侵入等眾多內容[6]，本文結合陜西彬縣雅店煤礦瓦斯抽采泵站的實際情況，重點討論滾球法在防止直擊雷設計中的應用，并對滾球法確定的保護范圍進行安全性分析。

1 工程概況

雅店煤礦瓦斯抽采泵站布置在工業場地東南側，建筑為單層剛架結構廠房，金屬屋面，長49.2m，寬18.0m，高7.2m，海拔高度+877.60m。泵站內布置四套獨立的瓦斯抽采系統，每套系統選用兩臺2BEY72型水環式真空泵，一用一備；泵站西側布置四根進氣主管路(包含放散管負壓段)，東側布置四根出氣主管路(包含放散管正壓段)，放散管正、負壓段的管口標高均為+12.0m，管帽頂部標高為+12.6m，瓦斯抽采泵站平面布置如圖1所示。

圖1 瓦斯抽采泵站平面布置圖(mm)

2 防直擊雷設計

瓦斯抽采泵站為正常運行時不太可能出現爆炸性氣體混合物的環境，應劃為2區爆炸危險場所；泵站西側布置的放散管負壓段為正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境，應劃為1區爆炸危險場所；泵站東側布置的放散管正壓段[7]為連續出現或長期出現爆炸性氣體混合物的環境，應劃為0區爆炸危險場所。根據《建筑物防雷設計規范》(GB 50057—2010)(以下簡稱《防雷規范》)第3.0.2條、第3.0.3條和《煤炭工業礦井設計規范》(GB 50215—2015)第12.8.3條2款的有關規定，瓦斯抽采泵站應劃為第二類防雷建筑物，放散管正、負壓段應劃為第一類防雷建筑物[8，9]。

《防雷規范》采用的“滾球法”是國際電工委員會(IEC)推薦的接閃器保護范圍計算方法[10]，滾球法就是設想一個半徑為hr的球圍繞避雷裝置左右上下滾動，并認為被此球接觸到的地方均是可被雷電擊中損壞的地方，而裝置附近未能被球接觸的空間即是有效的保護空間。由于瓦斯抽采泵站最高的建筑物是放散管，所以首先考慮放散管的防雷，然后再考慮泵站的防雷。根據《防雷規范》第4.2.1條的有關規定，放散管的防直擊雷必須通過裝設獨立接閃桿或架空接閃線來實現，放散管排放的是瓦斯氣體，應劃為表4.2.1中第4種工況，需要被保護的范圍是：管帽以上垂直距離5m，距管口處水平距離5m的區域。根據放散管的位置、管帽高度及工程造價等因素綜合考慮[11]，采用“滾球法”依次對以下四種情況：單支接閃桿、兩支等高接閃桿、單根接閃線和兩根等高接閃線進行計算[12]，并對每種情況確定的保護范圍進行安全性分析。

2.1 單支接閃桿保護范圍及安全性分析

式中，rx為接閃桿在hx高度平面上的保護半徑；hr為滾球半徑，hr=30m；hx為被保護物的高度，放散管管帽高度hx=12.6m；h為接閃桿高度，取最大值30m；經計算rx=5.57m。接閃桿與最近放散管之間距離Sx需滿足《防雷規范》：第4.2.1條2款規定Sx>5m；第4.2.1條5款規定Sx不小于3m，且Sa1≥0.4(Ri+0.1hx)=4.5m，Se1≥0.4Ri=4m。該工程基本風壓按0.4kN/m2考慮，選擇30m高GFL1-10型鋼結構接閃桿，基礎寬度為3.047m。綜合上述條件并考慮接閃桿基礎寬度，取Sx=6.46m。單支接閃桿保護范圍如圖2所示，四根放散管應被保護范圍r=5+3.5×3+5=20.5m，接閃桿與被保護范圍之間距離Lx=Sx+r=6.46+20.5-5=21.95m。由于rx

圖2 單支接閃桿保護范圍(mm)

2.2 雙支接閃桿保護范圍及安全性分析

圖3 雙支接閃桿保護范圍(mm)

2.3 單根接閃線保護范圍及安全性分析

根據瓦斯抽采泵站布置情況，單根接閃線橫跨建筑物東西布置，泵站兩側的八根放散管均位于接閃線一側。該工程基本風壓取值為0.4kN/m2，設計選擇30m高GFW1-5型線塔，接閃線采用鍍鋅鋼絞線1×7-8.7-1270。單根接閃線的水平位置應滿足《防雷規范》第4.1.2條3款規定，水平距離放散管5m以外，取Sx=6m。單根接閃線保護范圍如圖4所示，單根接閃線與雙支接閃桿相比，桿外側的保護范圍相同，而兩根桿之間保護寬度由逐漸縮小變成了統一寬度rx，單根接閃線在hx高度平面的保護半徑為：

式中，hx為應保護平面高度，m；滾球半徑hr不變，接閃線高度h考慮弧垂后取28m，經計算rx=5.57m

圖4 單根接閃線保護范圍(mm)

式中，接閃桿高度hx、滾球半徑hr基本條件不變，最低點高度ho=18m，經計算D3=48m。四支等高接閃桿的保護范圍如圖5所示，四支接閃桿和單根接閃線相比保護范圍更大，當泵站面積較小，D3<48m時，其保護范圍就能夠完全覆蓋放散管需要被保護的區域。

圖5 四支等高接閃桿保護范圍

2.4 兩根接閃線保護范圍及安全性分析

式中，D為兩根接閃線間距，滾球半徑hr、接閃線高度h不變，只要使保護范圍最低點高度大于被保護范圍的高度，即ho>hx+5=17.6m，經計算只要兩根接閃線間距D不大于45.4m，就可以滿足放散管的防雷要求。兩根接閃線的保護范圍如圖6所示，D=24.9m<45.4m，兩根接閃線會比四支等高接閃桿提供更大的保護范圍，其所形成的保護范圍既能保護放散管也能保護瓦斯抽采泵站，能夠保護面積較大的瓦斯泵站。另外瓦斯抽采泵站采用金屬屋面、金屬屋頂作為接閃器，工字鋼作為引下線，基礎地梁內鋼筋作為接地體，達到了雙重防雷保護的目的。

圖6 兩根接閃線保護范圍(mm)

3 結 語

瓦斯泵站防雷設計需滿足規程規范要求，既要保證安全可靠，還應考慮工程造價盡量合理等因素。根據《防雷規范》相關規定，瓦斯泵站按第二類防雷建筑設置，放散管的負壓段和正壓段按第一類防雷建筑設置，采用“滾球法”計算泵站保護范圍。瓦斯泵站選用單支/雙支接閃桿、單根接閃線作為接閃器時，均不能滿足放散管作為第一類防雷建筑物的相關要求。瓦斯泵站優先選用多支(四支)等高接閃桿作為接閃器；當選用多支(四支)接閃桿不能滿足要求時，再選用兩根接閃線進行保護。接閃桿及其接地裝置距離道路或出入口不宜小于3m，否則應采取均壓措施。在泵站設計之初，合理選擇防雷保護方案，力求減少雷電事故發生的可能性，確保煤礦瓦斯抽采泵站的安全高效運行。