采用架空接閃線的防直擊雷設(shè)計

黃 旭, 李紅旭

(1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司, 重慶 400039; 2.魯西化工工程設(shè)計有限責(zé)任公司, 山東 聊城 252211)

采用架空接閃線的防直擊雷設(shè)計

黃 旭1, 李紅旭2

(1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司, 重慶 400039; 2.魯西化工工程設(shè)計有限責(zé)任公司, 山東 聊城 252211)

以某廠房為例，介紹了一類防雷建筑物的防直擊雷設(shè)計。計算比較了獨立接閃桿、架空接閃線的幾種不同布置方式,并確定一種數(shù)根架空接閃線的方案。在方案比較中,著重分析了雙架空接閃線的保護(hù)范圍及其與防雷設(shè)計規(guī)范中的不同。采用滾球法對最終方案進(jìn)行了防雷驗算,確認(rèn)其能起到防直擊雷的作用。

一類防雷; 滾球法; 架空接閃線; 直擊雷防護(hù)

0 引 言

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,全球每年因雷擊造成人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù)。對于甲類火災(zāi)危險性廠房,因其中存有易燃、易爆的物質(zhì),當(dāng)其遭受雷擊后,會形成電火花引起爆炸,造成巨大的破壞。因此,設(shè)計避免其遭受雷擊的防直擊雷保護(hù)設(shè)施極為重要。

1 項目介紹

1.1 廠房工藝簡介

某氣凝膠工藝生產(chǎn)廠房,內(nèi)部使用的主要危險原料為乙醇,其蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物。按照爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范,其組別為IIA T2。

工藝設(shè)備主要為固定儲罐,工藝過程中需要將固態(tài)基材置入儲罐中浸泡,儲罐頂蓋需要短時打開,且儲罐內(nèi)乙醇液面沒有惰性氣體覆蓋。因而,儲罐內(nèi),液面至罐蓋之間的空間應(yīng)屬0區(qū)[2],故該廠房為第一類防雷建筑物。

1.2 廠區(qū)布局

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,一類防雷建筑應(yīng)架設(shè)獨立接閃桿或架空接閃線/網(wǎng)。因此,在無特殊情況下均應(yīng)設(shè)置獨立接閃裝置。獨立接閃器及其接地裝置距建筑物有距離要求,同時其尺寸以數(shù)米計,需要考慮在廠區(qū)的布置。

廠區(qū)局部的布置圖如圖1所示。其中聯(lián)合廠房二為設(shè)計考慮的建筑,其周邊有廠區(qū)道路和綠化,道路外北側(cè)為罐區(qū),西側(cè)為生產(chǎn)輔房,南側(cè)為已建廠房,東側(cè)為預(yù)留地塊。

1.3 建筑概況

該廠房長101.5 m,寬48 m,最大高度為12.4 m,采用混凝土框架結(jié)構(gòu),以金屬屋面作為泄爆口,機(jī)械排風(fēng)次數(shù)可達(dá)12次/h,通風(fēng)良好。廠房西側(cè)和南側(cè)綠化寬度為5.5 m,北側(cè)綠化寬度為6 m,東側(cè)綠化寬度為9 m。

圖1 廠區(qū)局部的布置圖

2 方案選擇

根據(jù)GB 50057—2010規(guī)定,一類防雷建筑物的直擊雷防護(hù)可采用獨立接閃桿、架空接閃線和架空接閃網(wǎng)三種。若采用架空接閃網(wǎng),需要的網(wǎng)格尺寸不大于5 m×5 m或6 m×4 m。該廠房面積較大,需使用大量接閃材料,會對防雷引下裝置的結(jié)構(gòu)承力部分帶來困難,故僅討論獨立接閃桿及架空接閃線。

2.1 獨立接閃桿

該廠房寬度為48 m,獨立接閃桿的基礎(chǔ)距建筑基礎(chǔ)不能少于3 m,加上接閃桿基礎(chǔ)的寬度和建筑物基礎(chǔ)超出建筑外墻的寬度,則接閃桿的位置至少需要距建筑4.5 m。此時,建筑兩側(cè)的接閃桿之間的距離已達(dá)57 m,而滾球半徑為30 m,即使接閃桿高30 m,不論布置間距多短,也無法保護(hù)該建筑。

2.2 架空接閃線

由于南側(cè)的建筑為已建建筑,不能調(diào)整位置,而該建筑南側(cè)的綠化寬度僅為5.5 m,若在此處設(shè)置架空接閃線塔,無法滿足與建筑的間距要求,因此接閃線只能采用東西方向,東側(cè)的接閃線塔布置在建筑旁的綠化帶中,西側(cè)的接閃線塔布置在道路對面的綠化中。

由于建筑東側(cè)布置有CO2儲罐,有管道連入建筑中,接閃線塔與其距離不能少于3 m,因此,初步判斷只能采用三根東西向、互相平行的架空接閃線進(jìn)行保護(hù)。接閃線長度大約為70 m,按照圖集99(03)D501-1《建筑物防雷設(shè)施安裝》,架空接閃線每隔20 m,弧垂高度增加約為0.8 m,計算得2.8 m,按3 m計算。

2.2.1 接閃線塔高度

以保護(hù)該廠房最大高度12.4m考慮接閃線塔高度。三條平行架空接閃線布置示意圖如圖2所示。圖2中,外側(cè)接閃線距建筑外墻面距離為x,兩根接閃線間距離為y則

2x+2y=101.5 m

(1)

圖2 三條平行架空接閃線布置示意圖

假定接閃線塔高度為25 m,則接閃線最低點為22 m。若要兩根架空接閃線能保護(hù)建筑屋面,則根據(jù)GB 50057—2010,有

(2)

式中:hr——滾球半徑;

h——接閃線高度。

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。

對于兩側(cè)架空接閃線以外的區(qū)域,按照單線考慮,22 m高的接閃線在12.4 m高度的保護(hù)寬度為

(4)

式中:hx——計算點高度。

因此,有

bx=4.62 m

(5)

由分析可知，接閃線塔高為25m時不能完全保護(hù)建筑物,因此設(shè)計選取接閃線塔高為30m。

2.2.2 擬定布置

根據(jù)計算,接閃線塔高度需選取30m。為保證西側(cè)生產(chǎn)輔房位置,需要使兩根架空接閃線之間的距離盡量大,擬定雙架空線間距為49m。擬定接閃線布置圖如圖3所示。

圖3 擬定接閃線布置圖

3 保護(hù)計算

在制定防直擊雷保護(hù)的擬定布置后,需要對該方案進(jìn)行防雷保護(hù)計算。

3.1 雙架空接閃線的保護(hù)范圍

GB 50057—2010中將雙架空線保護(hù)范圍的計算簡化為雙平行線來考慮,這與實際是不同的。某雙架空接閃線平面布置如圖4所示。中心線1-1剖面上滾球半徑為30 m時的保護(hù)范圍如圖5所示。圖5中,半徑30 m的滾球與地面相切,且兩個接閃線塔的塔尖點在滾球面上,陰影部分為受保護(hù)范圍,既不同于雙平行線,也不同于雙接閃桿的保護(hù)范圍。當(dāng)建筑物與架空接閃線端頭較近時,僅采用雙平行線進(jìn)行計算是沒有說服力的。

圖4 某雙架空接閃線平面布置

圖5 1-1剖面上滾球半徑為30 m時的保護(hù)范圍

以上的分析將架空接閃線視為直線,而實際中接閃線因自重會成一個弧形。因此,在防雷保護(hù)計算中必須考慮弧垂帶來的影響。

3.2 計算方法

實際使用的雙架空避雷針的保護(hù)范圍并不同于GB 50057—2010附錄D中的各種情況,因此對于雙架空接閃線的計算應(yīng)基于滾球法的基本原理。滾球法基本原理在GB 50057—2010的條文說明5.2.12中有明確說明:滾球法是以hr為半徑的一個球體,沿需要防直擊雷的部位滾動,當(dāng)球體只觸及接閃器,包括被利用作為接閃器的金屬體,或只觸及接閃器和地面包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物,而不觸及需要保護(hù)的部位時,則該部位就得到接閃器的保護(hù)。

在對雙架空接閃線保護(hù)計算時,應(yīng)根據(jù)實際情況繪制各個最危險方向的滾球,核算各個防雷最不利點是否在滾球外部,從而判斷整個建筑物是否處于架空接閃線有效保護(hù)范圍內(nèi)。

3.3 保護(hù)計算

通過對雷擊范圍的分析,圖3中的A、B、C、D4點為雷擊最不利點,若此4點在保護(hù)范圍內(nèi),則整個建筑處于防雷裝置保護(hù)。

3.3.1A點

對于A點的驗算主要考慮在架空接閃線上方的滾球,即A點是否在與兩根接閃線相切的滾球范圍以外。

(6)

保護(hù)范圍最低點的高度大于建筑物最大高度12.4 m,因此A點在保護(hù)范圍內(nèi)。

3.3.2B點

根據(jù)式(5),22 m高接閃線在12.4 m的保護(hù)寬度可達(dá)4.6 m,接閃線塔為30 m時,接閃線最低點為27 m,保護(hù)的寬度大于4.6 m,而B點距接閃線的水平方向距離僅為1.75 m。因此，B點必然在保護(hù)范圍內(nèi)。

3.3.2C、D點

C點和D點的計算方法是相同的。由于A點受保護(hù),而A點位置對應(yīng)的接閃線高度最低,因此可以不考慮接閃線上方的滾球范圍,C點和D點一定不會被接閃線上方的滾球接觸,需要考慮的危險滾球在建筑側(cè)面。

首先計算C點的情況。假定有一個圓心為O的滾球在建筑左側(cè),其與地面相切,且4#和5#接閃線塔塔尖點在滾球上。平面布置圖如圖6所示，僅示出建筑的下半部分。

圖6 平面布置圖

因O點及接閃線塔的塔尖高度均為30 m,則O點與距4#、5#接閃線塔塔尖連線的垂直距離為

(7)

另外,接閃線塔中心距建筑物為6.5 m,故

29.6 m

(8)

故C點在滾球內(nèi),未處于保護(hù)范圍內(nèi)。同理可知，D點在保護(hù)范圍內(nèi)。

4 補(bǔ)救措施

根據(jù)以上計算,A、B、D點在保護(hù)范圍內(nèi),而C點未在保護(hù)范圍外,有潛在的雷擊危險,因此需要采取以下保護(hù)措施。

(1) 增加接閃線。比較容易的保護(hù)方案是在4#、5#接閃線塔之間架設(shè)接閃線,使建筑側(cè)面的滾球不再能威脅到該建筑。該方法不用調(diào)整接閃線塔位置,可以不經(jīng)核算即可達(dá)到對C點的保護(hù)。

(2) 3#、4#兩個接閃線塔上移。在不改變接閃線長度的條件下,將3#、4#接閃線塔之間的接閃線上移。因B點與接閃線距離產(chǎn)生變化,需要重新核算B點保護(hù)。

(3) 4#、5#兩個接閃線塔右移。在不改變兩根架空接閃線相對位置的條件下,將4#、5#兩個位置的接閃線塔右移,可以使右側(cè)危險滾球遠(yuǎn)離該建筑,以達(dá)到保護(hù)C點的目的。由于線路加長,弧垂增加,需要考慮接閃線上部滾球的影響,即A點的保護(hù)。

該項目受廠區(qū)布局所限,接閃線塔的定位非常困難,在滿足防雷保護(hù)的同時還需滿足與建筑及其接地裝置的距離、室外工藝管道的間距、道路邊沿距離的要求。因此,為避免移動接閃線塔位置導(dǎo)致整個項目方案調(diào)整,在4#、5#接閃線塔之間及5#、6#接閃線塔之間增加接閃線。

最終的接閃線布置如圖7所示。

圖7 最終的接閃線布置

5 結(jié) 語

從某一類防雷建筑設(shè)計的實際條件出發(fā),通過對獨立接閃桿和架空接閃線保護(hù)范圍的分析,選擇了一種多架空線的防直擊雷保護(hù)方案。分析了雙架空接閃線的保護(hù)范圍與建筑物防雷設(shè)計規(guī)范中雙平行線的不同,基于滾球法基本原理提出了防直擊雷驗證的要求,并根據(jù)該要求對提出的防雷布置方案進(jìn)行了核算。核算后針對不能保護(hù)的位置,提出了多種改進(jìn)方案,并最終確定了防直擊雷設(shè)計方案。

[1] 肖霞.爆炸危險環(huán)境的外部防雷措施[J].自動化應(yīng)用,2012(7):35-36.

[2] 修奇.爆炸危險環(huán)境建筑物防雷設(shè)施選擇及布置[J].武警學(xué)院學(xué)報,2008(8):59-61.

[3] 李福勝,周大捷.防雷接閃器選擇和布置[J].廣西氣象,2004(4):30-31.

[4] 李福勝,雷達(dá)塔防雷設(shè)計的探討[J].現(xiàn)代建筑電氣,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

黃 旭(1983—),男,工程師,從事建筑電氣設(shè)計。

TU 856

A

1674-8417(2015)01-0024-05

2014-08-21

李紅旭(1986—),男,從事建筑電氣設(shè)計。