爆炸危險環境建筑物防雷設施選擇和布置的探討

摘　要：隨著人類社會的不斷進步，對雷電的認識已不僅僅局限于自然現象的范疇。我們今天研究雷電，并根據日趨成熟的雷電理論去防止雷擊所造成的危害，其意義是可想而知的。在電氣工程技術中，對爆炸危險環境的建筑物采取必要的防雷設施不容忽視。爆炸危險環境建筑物防雷由于其“特殊性”倍受電氣工程技術人員關注。本文結合相關雷電理論，對有關的防雷設施選擇和布置集中進行了闡述，希望借此機會，和業內同行探討。
關鍵詞：　爆炸危險環境 防雷設施 相關原則和結論 等電位聯結

1 引言
隨著世界能源及化工工業的發展，電氣工程技術人員對爆炸危險環境的接觸越來越廣泛。由于爆炸危險環境的建筑物遭受雷擊后，會引發大功率雷電放電，從而形成電火花引起爆炸，造成巨大的破壞和人身傷亡，這樣的例子不少。對這類建筑物采取有效的防雷設施業已成為電氣工程技術人員的重要任務。這既是難點，也是重點。
2 相關概念
2．1 爆炸危險環境建筑物的防雷劃分
《建筑物防雷設計規范》GB50057－94根據建筑物的重要性、使用性質以及發生雷電事故的可能性和后果把爆炸危險環境的建筑物防雷分為兩類。如表1－1所示：
　

表1-1 爆炸危險環境的建筑物防雷分類

危險區域 防雷等級	0區（10區）	1區	2區（11區）
第一類防雷建筑物	是	電火花容易引起爆炸并造成巨大破壞和人身傷亡者	否
第二類防雷建筑物	是	電火花不易引起爆炸或爆炸不致造成巨大破壞和人身傷亡者	是

另外，有爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐屬于第二類防雷建筑物。那么，上表中0區（10區）、1區和2區（11區）又是如何劃分的呢？
2．2 爆炸危險環境的等級劃分
IEC79－10標準和我國的《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB50058－92對爆炸氣體環境做了如下的闡述：
（一）在大氣條件下，易燃氣體、易燃液體的蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物；
（二）閃點低于或等于環境溫度的可燃液體的蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物；
（三）在物料操作溫度高于可燃液體閃點的情況下，可燃液體可能泄漏時，其蒸汽或薄霧與空氣形成爆炸氣體混合物。
上述爆炸氣體環境根據爆炸氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間，按照下列規定進行等級分區：
（一）0區：連續出現或長期出現爆炸氣體混合物的環境，或者說存在著連續級釋放源的區域；
（二）1區：在正常運行時可能出現爆炸氣體混合物的環境，或者說存在著第一級釋放源的區域；
（三）2區：在正常運行時不可能出現爆炸氣體混合物的環境，即使出現也是短時間存在爆炸氣體混合物的環境，或者說存在著第二級釋放源的區域；
（四）當通風良好時，應降低爆炸危險區域等級；當通風不良時，應提高爆炸危險區域等級。
我國的《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》對爆炸粉塵環境做了如下的闡述：
在大氣條件下，爆炸粉塵、可燃性導電粉塵、可燃性非導電粉塵和可燃纖維與空氣形成爆炸氣體混合物。同樣根據爆炸粉塵混合物出現的頻繁程度和持續時間，按照下列規定進行等級分區：
（一）10區：連續出現或長期出現爆炸粉塵混合物的環境；
（二）11區：有時會將積留下來的粉塵揚起而偶然出現爆炸粉塵混合物的環境。
對上述這些爆炸危險環境的一、二類防雷建筑物，其防雷設施應如何選擇和布置呢？

3 防雷設施的選擇和布置

為簡便起見，本章節所列建筑物均為爆炸危險環境建筑物。另外，雷電的危害主要有三種：直擊雷、感應雷和雷電波入侵，本章節所闡述的建筑物防雷設施針對前兩種，對于雷電波入侵所采取的措施請參見相關的技術文獻。
3．1接閃器
眾所周知，雷電放電有兩種，一種為云間或云內放電；另一種為云對地放電，也就是常說的直擊雷。直擊雷放電主要由雷云負、正先導電荷同地面高聳突出物的正、負先導電荷“中和”而形成，兩者之間的電位可高達數千萬伏甚至上億伏。地面的突出物越高，則產生上行先導需要的平均雷云下電場E0越小，相對放電電流IL越小。
基于上述原由，如果爆炸危險環境建筑物沒有防雷設施，則建筑物以下部位易遭受雷擊，如圖3－1所示：
為了保護爆炸危險環境建筑物避免雷擊放電形成電火花引起爆炸，應設置接閃器，接閃器由下列一種或多種設施組合而成：
（一）獨立避雷針；
（二）架空避雷線或架空避雷網；
（三）直接裝在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網，且避雷網（帶）應沿圖3－1所示易受雷擊的部位敷設。
避雷針、避雷帶、避雷網保護范圍計算有多種方法，一般來說，我們采用“滾球”計算法，其具體計算過程參見《建筑物防雷設計規范》GB50057－94。

表3-1 爆炸危險環境建筑物防雷設施選擇和布置形式表

表3-2 有管帽的管口接閃器的保護范圍
　

布置接閃器時，應該采取表3－1所涉及的措施，使保護范圍更加全面、合理。
        另外，當直擊雷擊中接閃器，且接閃器與被保護建筑物、與被保護建筑物附屬金屬物之間沒有等電位措施時，為防止接閃器產生高電位對這些物體發生反擊，還應使接閃器與這些物體之間保持一定的安全距離，這一點可以通過圖3－2所示的簡化模型加以理解。表3－3中則列出了式3－2簡化以后應該在工程中采取的接閃器防雷電反擊距離。

3．2 引下線
      當雷電流經過接閃器引流后，將通過引下線進入大地“中和”。引下線布置的合理，會大大降低雷電過電壓。在我國的《建筑物防雷設計規范》中，引下線布置應注意以下幾點。
     對于一類防雷建筑物：
    （1）金屬屋面周邊每隔18～24m應采用引下線接地一次；（2）現場澆制的或由預制構件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋宜綁扎或焊接成閉合回路，周邊每隔18～24m應采用引下線接地一次；（3）建筑物上有接閃器時，其周邊引下線間距不大于12m。
    對于二類防雷建筑物：
    引下線不應少于2根，并應沿建筑物四周均勻或對稱布置，其間距不應大于18m。
    對于一、二類防雷建筑物，沒有采取等電位措施時，應滿足表3－3所列引下線的防雷電反擊距離。
    實際上，要保證表3－3所列安全距離，還是有一定困難的。因此，對于裝有防雷設施的建筑物，在防雷設施與其它設施及建筑物內人員無法隔離的情況下，應采取等電位聯結。這一點也是在工程實際中經常采取的措施。
    引下線的制作及安裝參見相關國家標準圖集。如99D562等。

3．3 防雷接地裝置
        從圖3－2和式3－2可以看出，接地裝置的選擇和布置可以大大影響建筑物的防雷效果，對于獨立避雷針、架空避雷線或架空避雷網應有其獨立的防雷接地裝置，應滿足表3－3的安全距離要求。裝在建筑物上的避雷針、避雷網（帶），其接地裝置可以與電氣設備接地、防雷電感應接地合并設置，取其中接地電阻的最小值，不合并時，須滿足表3－3的安全距離要求。接地裝置工頻接地電阻值選擇和計算應符合《電力裝置的接地設計規范》。
表3-3 防雷設施至被保護建筑物,附近金屬的安全距離
　

       另外，防直擊雷的人工接地體距建筑物出入口或人行道不應小于3m，小于3m時應采取下列措施之一：
    （1） 水平接地體局部深埋不應小于1m；（2） 水平接地體局部應包絕緣物，可采用50～ 80mm厚的瀝青層，其寬度應超過接地體2m；（3） 采用瀝青碎石地面或在接地體上面敷設 50～80mm厚的瀝青層，其寬度應超過接地體2m；在防雷接地裝置與電氣接地裝置共用或相連的情況下：當低壓電源線路采用全長電纜或架空線換電纜引入時，宜在電源線路引入的總配電箱處加裝過電壓保護器；當Y ,Yn0型或D,yn11型接線的配電變壓器在本建筑物內或附設于外墻處時，在高壓側和低壓側均應裝設避雷器。防雷接地裝置可采用環形接地裝置網，以降低各種感應過電壓。

另外，接至防雷接地裝置的各種形式接地，除并列管道外不得串聯接地。
接地裝置的制作及安裝參見相關國家標準圖集，如86D563等。

3．4特殊建筑物防雷
有爆炸危險的露天鋼制封閉氣罐，當其壁厚不小于4mm時，可不裝設接閃器，但應接地，且接地點不應少于兩處；兩接地點間距離不宜大于30m，沖擊接地電阻不應大于30m 。放散管和呼吸閥應滿足表3－1的要求。

4 相關原則和結論
在現實生活中，由于防雷設施選擇和布置不當造成損失的例子很多，如1987年7月，日本茨縣取手市一幢三層樓頂上安裝的避雷針遭雷擊，雷電涌流不能及時通過引下線瀉入大地，形成局部電位抬高。室內電器設備全部損壞，如果該建筑物為爆炸危險環境建筑物，后果不堪設想。

可以看出，對爆炸危險環境建筑物必須采取防雷設施，并且要做到安全可靠、技術先進、經濟合理。這同時也是對爆炸危險環境建筑物采取防雷設施的原則。

通過對爆炸危險環境防雷設施的闡述并結合防雷設施選擇的原則，作者認為爆炸危險區域范圍的準確劃分或者說防雷等級的準確劃分是合理選擇爆炸危險環境防雷設施的重要出發點。否則，將會選擇無端復雜的防雷設施，人為地提高防雷難度和工程投資。

在規范允許的情況下，應多利用建筑物自身布置防雷設施，這樣大大可以降低實現表3－3所列安全距離的難度。
另外，從本文中還可以看出，等電位聯結是解決表3－3所列安全距離難度有效方法，在布置防雷設施時，應該多想想等電位聯結的措施，這對降低防雷難度，提高防雷質量大有裨益。在工程實際中，還應因地制宜，就地取材，盡可能利用鋼制支柱做引下線，對孤立的氣體放空金屬管道，如果裝上阻火器，防雷采用管柱直接接地即可，而阻火器的安裝對工藝專業來講也是容易做到的。
作者對這類建筑物的防雷也深感棘手，今天，認真考慮個中原由，爭取從中獲取點滴經驗，并借此機會和同行探討，懇請各位專家批評指正，心中將不勝感激。
參考文獻
1． 解廣潤主編，電力系統過電壓，水利電力出版社，1985年6月；
2． 徐永根主編，工業與民用配電設計手冊，水利電力出版社，1994年12月；
3． International Electrotechnical Commission，IEC79－10，IEC1024－1，IEC－TC81；
4． 機械工業部主編，建筑物防雷設計規范，中國計劃出版社，1994年10月；
5． 化工部主編，爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范，中國計劃出版社，1992年12月。