天陽盆地地下水置換工程廠房的防雷設計

王 崢

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司 山西太原030024）

1 工程概況

大同市天陽盆地地下水置換工程是以冊田水庫為水源地，在利用現(xiàn)有大同市冊田灌區(qū)北干分灌區(qū)提水工程的基礎上，采用泵站提水、向天陽盆地供水，起到涵養(yǎng)地下水源的作用。

新建西營泵站為本工程提水泵站，泵站由引水涵、進水池、主副廠房、壓力管道及廠區(qū)等部分組成。站內(nèi)共布置了4 臺水泵，其中一臺為備用機組。

主廠房平面尺寸為37 m×16 m（長×寬），地面以上主廠房高度為11.6 m。副廠房緊靠主廠房下游布置，副廠房內(nèi)設有中控室、高壓開關站、電容器室以及低壓配電室等，平面尺寸為37 m×8 m（長×寬），采用磚混結構。

2 設置防雷裝置必要性的分析

2.1 按防雷裝置的攔截效率確定

廠地的建筑物主要有廠房建筑物和辦公建筑物，廠房建筑物長37 m，寬24 m。其中主廠房長L=37 m，寬W1=16 m，高H1=11.6 m。副廠房L=37 m，寬W2=8 m，高H2=5.4 m。主廠房里布置有水輪機，電動機，吊車，風機等一次電力設備，副廠房布置有高低壓配電柜，變壓器，變頻器，電容器及自動化控制設備，按電子系統(tǒng)的重要性，廠房內(nèi)電子系統(tǒng)屬于一般用途的需防護電子信息設備。廠房屬于大同地區(qū)，年平均雷暴日數(shù)Td=42.3 天，大于40 天，屬于多雷區(qū)，所以此處雷擊大地密度為Ng=0.1×Td=4.23 次/（km2×年）。廠房的高度都小于100 m，唯一不同的是主副廠房的高度不一致，主廠房高H1=11.6 m，副廠房高H2=5.4 m。應分別求出擴大寬度，主廠房的擴大寬度為：

副廠房的擴大寬度為：

整個廠房的等效面積為：

建筑物的擴大寬度如圖1 所示，虛線包圍面積為建筑物防雷等效面積。

圖1 雷擊建筑物等效擴大寬度圖

所以該廠房的年預計雷擊次數(shù)是：

N1=K×Ng×Ae=0.08 次/年

式中:N1——建筑物年預計雷擊次數(shù)，次/年；

K——校正系數(shù)，此處廠房是曠野孤立的建筑物，等于2；

Ng——建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，4.23 次/（km2·a）；

Ae——廠房的等效面積，km2。

該廠房的高壓電源進線為埋地敷設，埋地高壓電纜的有效截收面積為：

Ae1=0.1ds×L1×10-6=0.05 km2

埋地信號線的有效截收面積為：

Ae2=2ds×L2×10-6=1 km2

入戶設施年預計雷擊次數(shù)：

N2=0.1Td（Ae1＋Ae2）=4.44 次/年

式中：N2——入戶設施年預計雷擊次數(shù)，次/年；

ds——埋地引入線纜的計算截收面積的等效寬度，取500 m；

L1，L2——所考慮的線纜長度，取1 000 m；

Ae1——埋地高壓電纜的有效截收面積，km2；

Ae2——埋地信號線的有效截收面積，km2；

所以廠房及入戶設施年預計總雷擊次數(shù)是N1+N2=4.52 次/年。該廠房頂為鋼筋混凝土材料，室內(nèi)電子信息系統(tǒng)屬于D 類電子信息系統(tǒng)，抗沖擊過電壓能力相當弱，被沖擊后不允許中斷信號，可接受的年平均最大雷擊次數(shù)Nc=0.58/7.7=0.075 次（0.58 是校正系數(shù)，7.7 是雷電和各種電設備的因素之和）。預測的總雷擊次數(shù)N1=0.08 大于Nc=0.075，所以應安裝防雷保護裝置，且攔截效率為1-Nc/N1=0.062 5，小于0.8，定為D 級雷電防護等級，與規(guī)范設定的一致。

2.2 按風險管理要求確定雷擊風險

廠房被雷擊的位置有很多不確定性，所以需要考慮雷電可直接擊于廠房上，連接廠房的設施。雷擊后的損害有人畜傷害、物理損害、電氣電子系統(tǒng)損害。損失有人身傷亡、公眾服務、文化遺產(chǎn)、經(jīng)濟損失。

雷擊建筑物傷害人的概率PA=1，沒有LPS 保護的建筑物的物理損害的概率PB=1，導致內(nèi)部系統(tǒng)失效的概率PC=1。雷擊建筑物附近時，沒有安裝電涌保護器SPD 時，那么概率PM=1。建筑物的截收面積與前面的計算不同，如圖2 所示。

圖2 雷擊建筑物及附近截收面積計算圖

Ad1=LW1+3LH1+6W1H1+π（3H1）2/2=4 894.5 m2

Ad2=LW2+3LH2+6W2H2+π（3H2）2/2=1 566.6 m2

Am=［2502π-（3H1）2×π/2－（3H2）2×π/2］+L×（2×250-3H1-3H2）+W1×（250-3H1）+W2（250-3H2）=213 549 m2

式中：Ad1——主廠房的雷擊截收面積，m2；

Ad2——副廠房的雷擊接受面積，m2；

Am——雷擊建筑物附近的截收面積，m2；

雷擊建筑物的年平均次數(shù)：

ND=Ng×（Ad1＋Ad2）×0.5×10-6=0.013

NM=Ng×［Am-（Ad1＋Ad2）×0.5］×10-6=0.89

RA=ND×PA×ra×Lt=0.000 001 3

RB=ND×PB×rP×hZ×rf×Lf=0.000 006 5

RC=ND×PC×L0=0.000 13

式中：ND——雷擊建筑物的年平均次數(shù)，次/年；

Ng——雷擊大地密度，4.23 次/（km2·年）；

NM——雷擊建筑物附近的年平均次數(shù)，次/年；

RA、RB、RC——無保護措施時，與人生傷亡有關的風險分量；

PA、PB、PC——雷擊建筑物時，各種損害概率，均為1；

ra、rP、rf、hZ——由土壤類型、防火措施、與建筑物火災的危險關系、特殊傷害決定的人身傷亡損失的因子，分別為0.01、1、0.01、1；

Lt、Lf、L0、——損失傷亡減少因子，分別為0.01、0.05、0.01。

因為廠房無架空線及其他設備引入，所以不考慮雷擊服務設施。雷擊建筑物時直接的人生傷亡損失風險為RA+RB+RC=0.000 137 8 大于規(guī)范中要求的10-5，所以須采取防雷保護措施。

3 防雷裝置的設置

3.1 雷電的認識

通過急劇上升和下降的水蒸氣摩擦而產(chǎn)生帶有正電荷和負電荷的雷云，或上升的水蒸氣脫離地面時，就已經(jīng)帶有了正負電荷，融入云層中，云與云之間互相放電，云與大地之間互相放電。給建筑物帶來危害的是云與大地之間的放電。根據(jù)以上論述該地區(qū)的年預計總雷擊次數(shù)為4.52 次/年，大于0.25 次/年。廠房屬于第二類防雷建筑物。

3.2 接閃帶

同一截面積的接閃帶、引下線、接地極宜采用扁鋼，因為表面積大。例如，同是100 mm2的截面積時，圓鋼的半徑規(guī)格是5.643 mm，長度為1 m 的圓鋼表面積是35 438 mm2，扁鋼的規(guī)格是4 mm×25 mm（厚×寬），長度為1 m 的扁鋼表面積是58 000 mm2，可得知扁鋼的表面積大于圓鋼的表面積。

在廠房屋頂?shù)囊自饫讚舻倪吔翘幯b設避雷帶，女兒墻的接閃帶距屋面的距離小于：

式中：hr——第二類防雷建筑物選用的滾球半徑，取45 m；

d——女兒墻上接閃帶間的距離，取16 m；

S——接閃帶距屋面的距離，m。

所以必須在屋頂上敷設接閃網(wǎng)格，為了施工方便用規(guī)格為4 mm×25 mm（厚×寬）的熱鍍鋅扁鋼做成9.25 m×8 m（長×寬）的接閃帶網(wǎng)格。接閃帶的支架采用與接閃帶同規(guī)格的鍍鋅扁鋼，支架間的距離為1 m。

關于接閃帶的機械效應，接閃帶在強大的雷電流流過時，會產(chǎn)生沖擊性的電磁力，雷電流為首次正極雷，雷電流I=150 kA，電磁力為：

F=2×10-7×I2×l/d=520 N

式中：I——雷電流幅值，選用150 kA；

l——導體平行段的長度，取9.25 m；

d——導體平行直線段之間的距離，取8 m；

所以應牢固安裝接閃帶。

3.3 引下線

廠房周長為122 m，沿著屋頂四周做引下線7根，平均間距17.4 m。引下線采用規(guī)格為4 mm×25 mm（厚×寬）的熱鍍鋅扁鋼，在距地1.8 m 處設置斷接卡，并用不易日曬風化的塑料管保護。每隔1 m 做支持卡子，保證引下線的牢固和整齊美觀。

廠房附近的土壤電阻率ρ 為381.7 Ωm，接地體的有效長度=78 m。廠房環(huán)形接地體的周長為140.84 m。周長的一半大于接地體的有效長度。

所以環(huán)形接地體的引下線沖擊接地電阻值

式中：Rh——沖擊接地電阻，Ω；

ρ——廠房附近的土壤電阻率，取381.7 Ωm；

L3——接地體的有效長度，m；

h——水平接地體的埋設深度，取1 m；

d——水平接地體的等效直徑，取0.015 m；

A——水平接地極的形狀系數(shù)，取-0.18。

Rh小于規(guī)范要求的10 Ω，不用補加水平接地體。雷擊時流經(jīng)引下線的雷電流幅值是75 kA，會產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓411 kV，如圖3 所示，此時應注意引下線處的人身安全。需要做等電位聯(lián)結。

圖3 防雷引下線對行人反擊示意圖

引下線與被反擊物體的間隔距離為：

S≥0.06×K×Lc=0.05 m

式中：S——空氣中引下線與被反擊物體的間隔距離，m；

K——引下線的分流系數(shù)，取0.44；

Lc——被反擊物體的高度，取1.75 m；

實際設計中，要在引下線3 m 范圍內(nèi)設護欄、警告牌，距離道路邊沿不宜小于3 m（海拔1 000 m 及以下地區(qū)500 kV 變電站在持續(xù)運行電壓情況下，相對地的距離是1.3 m）。

3.4 接地體

在廠房的四周布置人工接地體，扁鋼的尺寸為4 mm×25 mm（厚×寬）。接地體繞廠房一周設置，敷設在散水坡外，用混凝土保護起來（研究表明混凝土對接地導體的阻值影響不大）。距離墻的距離為1 m，敷設深度為1 m。

3.5 SPD（電涌保護器）的設置

在副廠房的中控室布置有公用LCU 屏、直流屏、水力量測屏，配電室有微機保護模塊，主廠房有機組LCU 屏等二次電子信息系統(tǒng)設備。雷電的直接雷擊，從廠房外電源線路的入侵，雷擊引下線的反擊等引起的電磁場效應都會影響該電子信息系統(tǒng)的正常顯示和運行。

處于廠房避雷帶保護外的為LPZ0A 區(qū)，處于保護內(nèi)的為LPZ0B 區(qū)及后續(xù)的LPZ1、LPZ2 等，對于二級防雷建筑物的廠房來說，最大雷電流(即首次雷擊電流)150 kA，線路埋地敷設，中控室的總配電箱的一級SPD 的沖擊放電電流為：

式中:I——雷電流幅值，選用150 kA；

n——地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)，取3 根；

m——需要確定的那一回線路內(nèi)導體芯線的總根數(shù)，取4 根；

Rs——屏蔽層或鋼管每千米的電阻，取1.4 Ω/km；

Rc——芯線每千米的電阻，取0.2 Ω/km；

S——單根導體的最小截面，mm2；

Iimp——一級電涌保護器SPD 的沖擊放電電流，kA。

選SPD 的規(guī)格為一級試驗的電涌保護器SPD（電壓開關型），電壓保護水平為2.5 kV，沖擊電流規(guī)格為12.5 kA。保護模式采用3+1 模式。電涌保護器SPD 的接線導體截面積最小可以是S=Iimp/8=0.75 mm2，但規(guī)范要求最小的導線截面積為6 mm2。

在LPZ2 區(qū)及以后的防雷保護區(qū)的SPD2、SPD3，為了與上一級電涌保護器SPD 的能量配合，SPD 的標稱放電電流分別為5 kA、3 kA。其中N 線與PE 線之間的SPD 標稱放電電流為20 kA、12 kA。電壓保護水平最低為1.5×0.8=1.2 kV（1.5 kV 為電子設備的耐沖擊電壓值）。有時也要根據(jù)設備具體要求來設置與該設備相適應的SPD。

4 總結

任何建筑物的防雷設置都不是百分百的有效，目前都屬于被動防雷，只能降低雷擊概率。根據(jù)工程地理位置的實際情況，我們確定該建筑物是否需要設置防雷保護，再去確定如何進行防雷設置。