化工企業(yè)抗爆控制室防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計

趙曉娟，崔 寅

（1.中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

引言

雷電的危害性是巨大的，通過對雷電流的研究，得出雷電流的最大幅值出現(xiàn)在首次正極性雷擊中；最大陡度（）出現(xiàn)在首次以后的負(fù)極性雷擊中；正極性雷擊通常僅出現(xiàn)一次，無重復(fù)雷擊。因此防雷做到用首次正極性雷電流和首次以后的負(fù)極性最大陡度（）[1]。

化工企業(yè)中抗爆控制室是化工企業(yè)的重要場所，控制室內(nèi)有儀表控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、電信系統(tǒng)（火災(zāi)報警控制器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等）、計算機(jī)等設(shè)備，本文從設(shè)計的方面介紹了抗爆控制室的防雷分類、防雷措施（接閃器、引下線）、接地措施（自然接地體和人工接地體）和防雷擊電磁脈沖措施（等電位連接、屏蔽、合理布線和SPD 的設(shè)計及安裝）。

項目概括：抗爆控制室所在地區(qū)年平均雷暴日為30 d/a，長48.2 m，寬18.7 m，高6 m。

1 控制室防雷

由規(guī)范[1]計算抗爆控制室的年預(yù)計雷擊次數(shù)[見式（1）]。

式中：N 為建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)，次/a；k 為校正系數(shù)；Ng為年平均密度，次/（km-2·a-1）；Ae為等效面積，km2。

項目所處地不是土壤電阻率較小處，故此處k=1；Ng=0.1Td=0.1×30=3 次/（km-2·a-1）?？贡刂剖腋叨葹? m＜100 m，則為孤立建筑物，等效面積為：

抗爆控制室的年預(yù)計雷擊次數(shù)為N=1×3×9×10-3=0.027 次/a。

由于N∈（0.01，0.05），且屬于重要場所，因此本抗爆控制室按照第三類防雷設(shè)計。

2 建筑物防雷措施（見圖1）

圖1 建筑物防雷裝置措施組成部分

2.1 接閃器

該抗爆控制室為混凝土屋面結(jié)構(gòu)，屋面上有一臺屋頂軸流式排風(fēng)機(jī)，材質(zhì)為玻璃鋼，高度為0.8 m，需要加接閃桿保護(hù)，用滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍。即接閃桿高度計算見式（2）。

式中：rx為保護(hù)半徑，m；hx為被保護(hù)的高度，m；h 為接閃桿高度，m；hr為滾球半徑，m，如表1 所示。

表1 不同防雷類別hr 值

雷擊電流在流過接閃桿時會產(chǎn)生高電位，高電位會對要保護(hù)的建筑物或者設(shè)備發(fā)生反擊，則接閃桿放置在距離屋頂軸流式排風(fēng)機(jī)3 m 的位置。即h=2.5 m，本項目選用熱鍍鋅圓鋼Φ12 mm，符合最小截面S≥50 mm2。

本項目選用的接閃器為熱鍍鋅圓鋼Φ12 mm，符合最小截面S≥50 mm2。屋面接閃帶支架采用預(yù)制混凝土支座，支架高度為0.15 m，混凝土支座每隔1 m 設(shè)置一個，轉(zhuǎn)角處每隔0.5 m 設(shè)置一個。接上桿與屋面接閃網(wǎng)可靠焊接。

2.2 引下線

抗爆控制室柱子的結(jié)構(gòu)為混凝土，經(jīng)過給結(jié)構(gòu)專業(yè)提資，結(jié)構(gòu)專業(yè)柱內(nèi)鋼筋直徑為16 mm，引下線間距不大于25 m，用作引下線的柱內(nèi)鋼筋應(yīng)與屋面和基礎(chǔ)鋼筋可靠連接，由于抗爆控制室柱子與墻有一定間距，通過在柱子上的預(yù)埋板，引出連接板到墻外，與接地干線相連。具體見圖2。

圖2 抗爆墻內(nèi)鋼筋/結(jié)構(gòu)柱內(nèi)鋼筋作引下線（mm）

2.3 接地裝置

抗爆控制室利用基礎(chǔ)鋼筋、地下圈梁等金屬作為自然接地體，根據(jù)基礎(chǔ)接地極的布置和形式，計算接地電阻大小。

在腐蝕性環(huán)境下，人工接地極應(yīng)采用銅或銅覆鋼的材料。

人工水平接地極采用熱鍍鋅扁鋼-50mm×5mm，符合規(guī)范要求的S≥90 mm2，離建筑物基礎(chǔ)及散水坡外，此處設(shè)計為3 m，埋設(shè)深部不小于0.8 m（凍土層以下），建筑物入口及過馬路處埋設(shè)深度為1 m，四周的的人工水平接地體形成一個封閉的環(huán)形，施工時建筑物四周的邊緣角處應(yīng)做成圓弧形。

式（3）計算得出人工水平接地極的工頻接地電阻。

其中：項目所在地ρ=50 Ωm，L=145.8 m，d=0.025 m，h=0.8 m，A=1，計算人工水平接地體的工頻接地電阻為Rh=0.82Ω。

人工垂直接地體采用角鋼L50 mm×5 mm，L=2.5 m，3 根為一組，式（4）計算得出單根垂直接地極的工頻接地電阻。

其中：項目所在地ρ=50 Ωm，L=2.5 m，d=0.025 m，h=0.8 m 計算出單根Rv=18 Ω，則一組垂直接地體的工頻接地電阻為6 Ω。

對于控制室，共用接地電阻不大于1 Ω，故本裝置加了6 組人工垂直接地體。

3 防雷擊電磁脈沖

針對防雷擊電磁脈沖，根據(jù)電磁脈沖產(chǎn)生的原理和危害，主要措施有圖3 中4 個方面。

圖3 防雷擊電磁脈沖

3.1 等電位連接

在控制室內(nèi)部沿墻面300 mm 暗敷接地線，過門處埋地，與室外接地干線連接，并設(shè)置等電位端子聯(lián)結(jié)箱。室內(nèi)電氣設(shè)備、金屬外殼設(shè)備、金屬構(gòu)架等通過接地支線可靠連接在接地干線或者等電位端子連接箱。

3.2 屏蔽

抗爆控制室墻內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋交點處電氣連接，衰減了由于直接雷或者臨近LPZ 中產(chǎn)生的磁場，并減少了內(nèi)部電涌。

線路屏蔽，包括電源線路與信號線路屏蔽，防止環(huán)路中感應(yīng)出電壓和電流，本項目中所有的低壓電力電纜和信號線都采用的是帶屏蔽電纜，電纜屏蔽層需要接到接地干線或接地母排上，實現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)。

3.3 SPD 的設(shè)計和安裝

設(shè)計SPD 的目的是限制雷電流產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓及分走電涌電流的器件，這里講述連接到低壓配電系統(tǒng)的SPD 設(shè)計。

對于控制室設(shè)置照明配電箱，配電線路從另一建筑物配電所引來，本項目系統(tǒng)采用TN-S。

3.3.1 最大持續(xù)工作電壓Uc

相線與PE 線間、中性線與PE 線之間的最大持續(xù)運行電壓最小值為Uc=1.15×U0=253 V,因此要求Uc≥253 V，其中U0=220 V。

3.3.2 電壓保護(hù)水平Up

標(biāo)征電涌保護(hù)器限制接線端子間電壓的性能參數(shù)，它需要小于被保護(hù)設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓，即Up≤Uw。

3.3.3 沖擊電流Iimp

電源線路無屏蔽層，Iimp計算見第211 頁式（5）。

電源線路由屏蔽層或穿鋼管，Iimp計算見式（6）。

式中：I 為雷電流，一類200 kA，二類150 kA，三類100 kA；n 為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)；m 為需要確定的那一回線路內(nèi)導(dǎo)體芯數(shù)的總根數(shù)；Rs為屏蔽層或鋼管每公里的電阻，Ω/km；Rc為芯數(shù)每公里的電阻，Ω/km。

根據(jù)規(guī)范[1]在電源引入的總配電箱處應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級實驗的SPD。SPD 的電壓保護(hù)水平值應(yīng)小于或等于2.5 kV，沖擊電流是根據(jù)防雷類別、電源線路有無屏蔽層、電纜芯數(shù)、進(jìn)出建筑的金屬管道根數(shù)決定的；當(dāng)一個建筑物這些因素不能確定時?？蛇x擇沖擊電流≥12.5 kA。

本工程中抗爆控制室為3 類建筑物，電源線路無屏蔽層，雷電流I 為100 kA，n=1，m=5，則Iimp=0.5×100/5=10 kA，Iimp選擇≥10 kA。

3.3.4 電涌保護(hù)器連接類型1[2]（見圖4）

圖4 電涌保護(hù)器連接類型1

4 結(jié)語

化工企業(yè)裝置抗爆控制室的防雷接地保護(hù)是保證企業(yè)正常生產(chǎn)、電氣設(shè)備及人身安全的重要保證手段，保證電子設(shè)備正常運行、信息網(wǎng)絡(luò)可靠運行的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。