Design of Lightning Protection and Earthing for Factory Building Producing Initiating Explosive Devices

Gao Xiang / Ding Hui

某工業(yè)園區(qū)火工廠房防雷及接地設(shè)計方案

高翔1/ 丁輝2( 1.吉林省建苑設(shè)計集團(tuán)有限公司， 吉林 長春 130011； 2.中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司， 北京 100071)

摘要火工廠房易燃易爆，做好防雷接地設(shè)計尤其重要。通過給出計算實例的方法，闡述了典型火工廠房的防雷接地設(shè)計方案。方案充分考慮了火工廠房易燃易爆的特點(diǎn)，采用四根等高接閃桿加兩根接閃線的防雷設(shè)計，契合了規(guī)范對滾球半徑的要求；充分考慮了火工廠房通常建設(shè)在山區(qū)、土壤電阻率高的特點(diǎn)，通過對接地電阻、模塊電阻的計算確定了降阻模塊使用要求及廠房接地設(shè)計方法?？梢詾榈湫突鸸て窂S房防雷與接地的設(shè)計者提供參考。

關(guān)鍵詞火工品 接閃線塔 接地設(shè)計

AbstractGood lightning protection and grounding design is especially important for explosive factory. The method of calculation examples is given to describe the typical plant lightning protection and grounding design. The four towers plus two lines lightning protection design considers the explosive plant characteristics, fitting the sphere radius requirements. Taking full account of the soil of mountains characteristics, the resistance calculation and the grounding design are given. A reference of typical pyrotechnics plants’ lightning protection and grounding design is provided.

Keywordsinitiating explosive device, lightning protection tower, earthing design

1工程概況

本工程位于中國某市，分為多個單體建筑，其中共有7個火工品廠房，編號為1#～7#，本工程各廠房總體布局見圖1。1#為總裝測試廠房、2#～7#為庫房，2-1#為控制室(非防爆)。1#廠房建筑面積3 560m2，2#庫房建筑面積300m2，3#庫房建筑面積1 027m2，4#、5#、6#庫房面積為1 712m2，7#庫房面積為664m2。各個廠房、庫房皆分為主廠房和輔助用房兩部分，主廠房為輕鋼屋面，鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)；輔助用房為剪力墻和框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)和樁基結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝要求，各廠、庫房皆為電氣II類危險場所，電氣設(shè)備按dIIBT4防爆等級設(shè)計。

本項目所屬地區(qū)屬于中溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,冬季沒有嚴(yán)寒天氣，夏季沒有酷暑天氣，雨熱同季。年平均氣溫為8.6℃～10.5℃，年降水量為530～650mm，降水集中在夏季，年雷暴日為33.7天，凍土厚度為0.93m。建設(shè)地網(wǎng)的施工現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境差，地質(zhì)勘察鉆探顯示，場地地層由粉質(zhì)粘土、夯實填土、碎石土和強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r組成，場地平整后地表碎石較多，土壤電阻率實測值為245Ω·m，地質(zhì)勘察探明未見地下水位。因為廠房和庫房均存放和使用大量火工品，根據(jù)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范，防雷等級定為一類，對直擊雷防護(hù)及接地要求很高。

圖1　各廠庫房總平面簡圖

2設(shè)計依據(jù)

1)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057-2010)；2)《電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗收規(guī)范》(GB 50169-2006)；3)《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50065-2011)；4)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB 50343-2012)；5)《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設(shè)計安全規(guī)范》；6)《航天系統(tǒng)地面設(shè)施電磁兼容性和接地要求》(GJB 1696-93)；7)項目地質(zhì)勘察報告。

3防直擊雷設(shè)計

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057-2010)的相關(guān)要求以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本著安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則進(jìn)行防雷設(shè)計。

八個廠房、庫房均采用獨(dú)立接閃線塔進(jìn)行直擊雷防護(hù)，根據(jù)多年的防雷設(shè)計經(jīng)驗及以往已設(shè)計投入使用的類似廠房使用情況，由于接閃線存在雷電繞擊的可能性較大，降低了其防護(hù)的可靠性，為了更好地做好直擊雷防護(hù)，宜在接閃線塔頂端安裝優(yōu)化接閃針，接閃針選用BRS-BLZ-T/200型提前放電接閃針，該針具有比普通接閃針保護(hù)范圍大、能夠減小雷擊點(diǎn)落于非接閃針體的概率、耐腐蝕、免維護(hù)、安裝簡單和造型美觀等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場情況，八個廠、庫房共設(shè)計了26個接閃線塔，需要BRS-BLZ-T/200型提前放電接閃針26套，安裝于接閃線塔頂部。工程利用金屬制成的獨(dú)立接閃線塔的金屬桿塔作為防雷引下線，引下線下端與接地裝置連接，形成獨(dú)立接地系統(tǒng)。每個獨(dú)立接閃桿的桿塔、架空接閃線的端部設(shè)一根引下線。

3.1計算實例

以1#建筑物為例，該建筑物長99.1m、寬35.9m、高13.6m。方案一考慮采用在建筑物長度方向設(shè)置兩座等高接閃塔，塔間加架空接閃線的方案進(jìn)行建筑物設(shè)計。

當(dāng)接閃線的高度h大于或等于2hr時，無保護(hù)范圍；當(dāng)接閃線的高度h小于2hr時，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057-2010)附錄D單根接閃線保護(hù)范圍的制圖方法進(jìn)行繪圖，制圖見圖2。確定架空接線的高度時應(yīng)考慮其弧垂的影響，本工程弧垂高度按2m考慮。

當(dāng)h小于2hr且大于hr時，保護(hù)范圍最高點(diǎn)的高度應(yīng)按式(1)計算：

h0=2hr-h

(1)

接閃線在hX高度的XX’平面上的保護(hù)半徑按式(2)計算：

(2)

式中，bX為接閃桿在hX高度的XX’平面上的保護(hù)半徑，m；hr為滾球半徑，一類防雷滾球半徑為30m；hX為被保護(hù)物的高度，m；h為接閃線的高度，m，接閃線的高度應(yīng)考慮弧垂的影響，可理解為：接閃線高度=接閃線支柱高度-弧垂的高度。

接閃線兩端的保護(hù)寬度按單支接閃線的方法確定[1]。

圖2　單根架空接閃線的保護(hù)范圍

本工程建筑物高度hX=13.6m，滾球半徑hr=30m，代入公式(2)中可得：

令y=h(2×30-h)，對h求導(dǎo)：y′=60-2h。

當(dāng)h=30，y有最大值：ymax=900。

當(dāng)y取最大值時，bX也取最大值，bX最大值：bXmax=4.88m，由于建筑物寬35.9m，而單根架空接閃線在xx’平面上最大保護(hù)寬度為2bX，即9.76m，顯然單根架空接閃線不能完全保護(hù)本建筑物，故考慮采用設(shè)置四座等高接閃塔，在建筑物長度方向的接閃塔間加架空接閃線的方案。

首先考慮設(shè)定接閃線高度h小于或等于hr，兩根等高接閃線的保護(hù)范圍按下列方法確定：

兩根接閃線之間保護(hù)范圍最低點(diǎn)的高度按式(3)計算：

(3)

接閃線兩端的保護(hù)范圍按兩支接閃桿的方法確定，但在中線上的h0線的內(nèi)移位置按以下方法確定：

(4)

其中，

(5)

圖3　兩根等高接閃線在高度h≤h r時的保護(hù)范圍

根據(jù)防雷規(guī)范GB 50057-2010，獨(dú)立接閃桿、架空接閃線與建筑物之間的距離不小于3m，且應(yīng)按式(6)～(8)計算[1]。

地上部分：

當(dāng)hX<5Ri時：

(6)

當(dāng)hX≥5Ri時：

(7)

地下部分：

(8)

式中，Sa1為空氣中的間隔距離，m；Se1為地中的間隔距離，m；Ri為獨(dú)立接閃桿、架空接閃線或網(wǎng)支柱處接地裝置的沖擊接地電阻值(按規(guī)范規(guī)定此值一般取10Ω)；hX為被保護(hù)建筑物或計算點(diǎn)的高度，m。

計算得出，Sa1≥4.54m，Se1≥4m。

確定D的大小要考慮以下幾個因素：

1)前面算出單根接閃線在hX處的最大保護(hù)范圍為0～4.88m。

2)Sa1≥4.54m，Se1≥4m。

3)接閃線兩端的保護(hù)范圍按照兩支等高接閃桿的方法計算，有一定距離的內(nèi)移。

基于以上幾個因素，先設(shè)定D與建筑物等寬，即D=35.9m。

當(dāng)h=18m(此處h為接閃線的高度)時，h0=12.0m<13.6m，不能完全保護(hù)建筑物。

當(dāng)h=23m(此處h為接閃線的高度)時，兩根接閃線之間保護(hù)范圍最低點(diǎn)h0=17.0m。

下面進(jìn)行驗證：

根據(jù)規(guī)范，架空接閃線至屋面和各種突出屋面的風(fēng)帽、放散管等物體之間的間隔距離應(yīng)不小于3m，且應(yīng)按式(9)、(10)計算：

當(dāng)(h+l/2)<5Ri時，Sa2≥0.2Ri+0.03(h+l/2)

(9)

當(dāng)(h+l/2)≥5Ri時，Sa2≥0.05Ri+0.06(h+l/2)

(10)

式中，Sa2為接閃線至被保護(hù)物在空氣中的間隔距離，m；h為接閃線的支柱高度，m；l為接閃線的水平長度，m。

計算得Sa2≥5.16m，顯然23m-13.6m=9.4m>5.16m，滿足規(guī)范。

此處應(yīng)注意，h為接閃線的支柱高度，考慮接閃線的弧垂為2m，可設(shè)定為25m。同時l為接閃線的水平長度，可理解為接閃線的兩個支柱之間的距離，考慮到Sa1≥4.54m，Se1≥4m，設(shè)定l=109.1m，即各接閃塔與建筑物的距離為5m。

接閃線兩端中線上保護(hù)范圍最低點(diǎn)的內(nèi)移距離按式(4)、(5)計算得：

x=4.04m<5m

亦滿足規(guī)范要求。

因此，選擇防直擊雷方案如下：接閃塔高度為25m，建筑物長度方向上的接閃塔離建筑物不小于5m，建筑物寬度方向上的接閃塔之間距離為35.9m，考慮接閃線弧垂為2m。

多年后提及此事，里根也備感懊惱，他曾對一位好友回憶說，“我當(dāng)時真的并沒有想過要在5分鐘后轟炸蘇聯(lián)”，“我以為此時麥克風(fēng)還沒與導(dǎo)播室連線呢。話一出口，我也意識到，自己玩得委實過火，這太不應(yīng)該了”。

在最低點(diǎn)h0=17.0m平面上的保護(hù)范圍見圖4，建筑物保護(hù)范圍剖面見圖5。

圖4　接閃線、接閃塔在 h 0=17.0m平面上 的保護(hù)范圍

圖5　建筑物接閃線保護(hù)范圍剖面圖

圖6　1#、2#廠房接地示意圖

4接地防護(hù)

接地是防雷接地系統(tǒng)中的重要一環(huán)。各種形式的雷擊，如直擊雷、感應(yīng)雷等，雷電流都要通過防雷接地裝置流入大地。因此，只有設(shè)計合理的接地系統(tǒng)，設(shè)置良好的接地裝置才能可靠地預(yù)防雷擊。眾所周知，接地電阻越小，散流就越快，被雷擊物體高電位保持時間就越短，危險性就越小，整個防雷接地工程的防雷設(shè)計是否可靠都取決于此。

廠區(qū)內(nèi)各廠房接地分為防直擊雷的獨(dú)立接地系統(tǒng)和各廠房內(nèi)技術(shù)接地、靜電接地、工作接地及保護(hù)接地等各種接地組成的共用接地系統(tǒng)，根據(jù)工藝技術(shù)要求，各廠房共用接地系統(tǒng)要求：1#、2#、2-1#、6#廠房設(shè)計要求接地電阻值小于0.5Ω；3#、4#、5#、7#廠房及倉庫設(shè)計要求接地電阻值小于1Ω；八座廠、庫房獨(dú)立接閃線塔接地設(shè)計要求接地電阻值小于10Ω。1#、2#廠房接地見圖6。

通過前期地質(zhì)勘察，該廠區(qū)地質(zhì)環(huán)境較差，利用建筑自然接地體無法達(dá)到設(shè)計要求，需要增加人工接地體設(shè)計，為保持整個接地網(wǎng)阻值的長期穩(wěn)定、防止接地體腐蝕造成阻值增大而產(chǎn)生的二次投資，人工接地體采用BRS-JD-P型非金屬平板型低電阻接地模塊建設(shè)接地網(wǎng)。該接地極可有效增加地網(wǎng)接地效果，還具有工程造價較低、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。接地極圍繞建筑物組成環(huán)型地網(wǎng)，接地極間可采用4×40(mm)熱鍍鋅扁鋼焊接連接。非金屬接地模塊應(yīng)挖坑埋設(shè)，埋設(shè)深度為室外地坪下1.1m，接地裝置距離建筑物不小于3m。接地模塊之間用水平4×40(mm)鍍鋅扁鋼相連，其間距為5m，當(dāng)受地方限制時可適當(dāng)減小。當(dāng)接地模塊按上述要求在各廠房四周敷設(shè)一圈后，經(jīng)現(xiàn)場實際測量，達(dá)不到設(shè)計接地電阻值時，應(yīng)在距離該圈外緣不小于3m處再敷設(shè)一圈接地模塊，直到達(dá)到設(shè)計要求。其中，1#、2#、2-1#三個廠房的相互距離較短，其共用地網(wǎng)的敷設(shè)方式可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇在距離三個廠房都不遠(yuǎn)且土質(zhì)較好的空地處做接地網(wǎng)。

接地裝置埋在土壤中的部分，其連接宜采用放熱焊接；當(dāng)采用通常的焊接方法時，應(yīng)在焊接處除渣后做防腐處理[1，3]。扁鋼與扁鋼(角鋼)搭接長度為扁鋼寬度的2倍且不少于三面施焊。接地裝置連接應(yīng)可靠，連接處不應(yīng)松動、脫焊、接觸不良。

當(dāng)全部接地模塊都用鍍鋅扁鋼連接完畢，檢查焊接都已可靠且焊接處已做防腐處理后，采用土壤電阻率較低的土壤進(jìn)行回填處理，回填土壤中不應(yīng)夾有石塊和建筑垃圾等，外取的土壤不得有較強(qiáng)的腐蝕性，在回填土?xí)r應(yīng)分層夯實[1-2]。

5接地網(wǎng)實施用量計算

現(xiàn)場土壤電阻率實測值245Ω·m，考慮到土質(zhì)的不均勻性，參考值選400Ω·m。單個接地模塊特性參數(shù)見表1。單個水平接地模塊的接地電阻見式(11)、(12)。

(11)

并聯(lián)后的總接地電阻：

(12)

式中，ρ為埋置地層的電阻率，400Ω·m；h為接地模塊的埋置深度，1m；a，b為Ⅰ型模塊的長、寬，0.5×0.4(m)；M0為模塊調(diào)整系數(shù)，0.33；Rnj為多模塊接地電阻值；n為接地模塊個數(shù)；η為模塊利用系數(shù)，0.6。

表1　單個水平接地模塊技術(shù)指標(biāo)

注：*土壤電阻率取典型值400Ω·m。

根據(jù)已知條件計算得知，單個模塊接地電阻為64Ω。如要達(dá)到設(shè)計要求，需要接地模塊數(shù)量如下：

當(dāng)接地電阻(Rnj)要求小于0.5Ω時，需要接地模塊214塊。

當(dāng)接地電阻(Rnj)要求小于1Ω時，需要接地模塊107塊。

當(dāng)接地電阻(Rnj)要求小于10Ω時，需要接地模塊11塊。

水平接地體的接地電阻計算按式(13)計算：

(13)

式中，ρ為埋置地層的電阻率，400Ω·m；L為扁鋼總長度，100m；t為扁鋼埋地深度，1m；d為接地體寬度，0.04m；A為扁鋼形狀系數(shù)，2.14。

通過計算得知，水平接地電阻為9.4Ω。

綜合考慮接地模塊與連接扁鋼組合后，其復(fù)合接地電阻可按式(14)計算：

(14)

式中，Rx為接地模塊與扁鋼組合后的電阻值；η為利用系數(shù)，取0.9。

代入式(15)地網(wǎng)接地阻值會有小量降低。根據(jù)多年來的實踐經(jīng)驗，充分考慮計算的可靠性，建議接地極用量如下：

小于0.5Ω時，需要接地模塊220塊。

小于1Ω時，需要接地模塊140塊。

小于10Ω時，需要接地模塊14塊。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，為了減少工程成本，在1#、2#、2-1#三個廠房共用一處0.5Ω地網(wǎng)；6#廠房土質(zhì)較差，增加40塊接地模塊獨(dú)立做一處0.5Ω地網(wǎng)；3#、4#、5#廠房各自獨(dú)立做1Ω地網(wǎng)；7#廠房土質(zhì)較差，增加20塊接地模塊做1Ω地網(wǎng)。八所廠房獨(dú)立接閃線塔兩兩一組，共用一處10Ω地網(wǎng)。由于實際現(xiàn)場難免會出現(xiàn)各種因素變化，按上述設(shè)計各廠房如果出現(xiàn)沒能達(dá)到阻值要求的情況時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取相應(yīng)的措施，直到達(dá)到設(shè)計接地電阻值要求。

6結(jié)束語

火工品廠房屬于爆炸危險場所，其防雷接地設(shè)計一定要緊扣規(guī)范以保障建筑物的安全。火工品廠房防直擊雷設(shè)計要求較多，需滿足各種距離要求。本文針對典型廠房給出了計算實例，可為設(shè)計者提供參考；地網(wǎng)接地電阻受土壤質(zhì)地、所在地水文環(huán)境、氣候條件、地網(wǎng)接地極特性參數(shù)(長度、數(shù)量、深度、材質(zhì)、形狀)以及地網(wǎng)結(jié)構(gòu)等多種因素影響，要想精確計算其數(shù)值幾乎是不可能的。本文本著盡量客觀的原則進(jìn)行了測算，根據(jù)規(guī)范給出了詳細(xì)計算，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行施工可以有效減少地網(wǎng)施工的盲目性。

參考文獻(xiàn)

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Grounding Technology of West Guangxi Rural School Building Lightning Protection and Electrical Equipments

Huang Xiantun