易燃易爆危險化學品企業防雷設計

●張福泉,朱 奎

(天津市消防總隊天津 300090)

雷擊災害被聯合國列為十大自然災害之一。易燃易爆危險化學品企業一般規模大、工作壓力高、裝置露天,是防火、防雷工作的重中之重。在目前我國沒有針對易燃易爆危險化學品企業防雷設計規范的前提下,如何有效的消除雷擊火災隱患,筆者結合工作實際,分析并提出如下防雷設計建議。

1 易燃易爆危險化學品企業環境及雷擊火災隱患特點

易燃易爆危險化學品企業一般位于城郊開闊地帶,四周較為空曠,容易遭受雷擊,具有以下幾個特點：(1)建(構)筑物防直擊雷設計不規范。有的易燃易爆危險化學品企業建筑未安裝防直擊雷設施或明敷防雷引下線未沿外墻最短垂直路徑接地。(2)露天裝置沒有防雷裝置。(3)靜電防護存在缺陷,儲罐、物料管線法蘭、呼吸閥和裝置等未作跨接或跨接電阻值偏大,未能接地或接地不良,接地電阻值偏大,不符合規范要求。(4)變配電系統存在隱患。有的 380V交流供電線路是架空明線接入企業再地埋引入建筑的,有的是由 10kV電力線架空接入,經變壓器后再地埋引入建筑的。在鄉村和山區有時根本沒有地埋措施,未安裝電涌保護器,非常容易遭受感應雷擊電磁脈沖侵入。(5)通信網絡、數據采集傳輸系統存在缺陷。有些企業的 ISDN、電話線、監控、消防、場站儀表數據采集設備等線路由戶外架空明線布設,未安裝電涌保護器等防雷措施。

2 企業建(構)筑物防雷設計

2.1 防雷等級確定

依據計算,并參照 GB50057-94(2000年版)《建筑物防雷設計規范》第 2.0.3條的要求,“具有 1區爆炸危險環境的建筑物,且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者”,易燃易爆危險化學品企業的建(構)筑物應按第二類防雷建筑物進行設計。

2.2 防雷設計

2.2.1 該類建(構)筑物一般由辦公樓、控制室、泵房、操作車間、罩棚、配電室及其他附屬建筑物組成。防直擊雷接閃器設計宜采用裝設在建筑物上的避雷網(帶)或避雷針或由其混合組成。避雷網應沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設,并應在整個屋面組成不大于 10m×10m或 12m×8m的網格。罩棚一般采用鋼架結構,其棚頂采用金屬屋面,可直接利用其作為接閃器,不用再另設避雷針或避雷帶(屋頂有其他需要保護的物體除外)。金屬屋面厚度,鐵板不應小于 4mm,銅板不應小于 5mm,鋁板不應小于 7mm。

2.2.2 易燃易爆危險化學品企業的建(構)筑物防雷引下線設計,由于建(構)筑物一般采用鋼筋混凝土結構和鋼架結構,鋼筋混凝土結構應利用樁內兩條對角主筋作為自然引下線,引下線間距不大于 18m,引下線不應少于 2根,應沿建筑物周圍均勻布置。引下線在適當地點設若干連接板,該連接板可供測量、接人工接地和作等電位連接用;將辦公樓及附屬建筑物內所有電器設備和金屬導體做等電位連接;泵房、操作車間、配電室應設置均壓環,均壓環必須可靠良好接地,應將均壓環與建筑物接地進行可靠焊接。將所有金屬物體,包括電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設備外殼以及所有進出金屬管道等金屬構件進行電氣連接,并接至均壓環上,以均衡電位。均壓環可采用 40mm×4mm的扁銅或鍍鋅扁鋼,間隔1m。均壓環與建筑物內等電位排進行可靠連接,不需再另設接地裝置。

2.2.3 建(構)筑物防雷接地裝置設計,一般采用自然接地體作為接地裝置。應將防雷接地、防靜電接地、電氣設備工作接地、保護接地、信息系統的接地、等電位連接帶、建筑物金屬構件采用共用接地,達到均壓、等電位以減小各種接地設備之間、不同系統之間的電位差。當自然接地體達不到接地電阻要求時,應設置人工接地體。考慮到接地裝置使用的長期性和耐腐蝕性,建議接地裝置布置依據地形進行設計。人工接地體設置在散水坡 1m以外,可以不破壞散水坡保護面,同時也加大了地網包圍的有效面積。在建筑外設計成閉合的環形,可以起到均壓環的作用,也可以從不同的方位引入地線作等電位連接使用,可以作為不同位置進入建筑物線纜的外屏蔽層接地線使用。水平接地體通常使用 40mm×4mm鍍鋅扁鋼,埋深 0.6m(深度應大于當地凍土層);垂直接地體使用L50×50×5×2500mm鍍鋅角鋼或垂直接地體間使用非金屬接地模塊。接地電阻要求,易燃易爆危險化學品企業的地網分為直擊雷保護接地電阻≤10Ω、防靜電接地電阻≤100Ω、電源工作接地電阻≤10Ω、信號線路直流工作接地電阻≤4Ω四個部分。當采用統一接地時,接地電阻值應按最小值確定。

3 露天裝置區防雷設計

易燃易爆危險化學品企業的露天裝置有：高大的生產設備;儲罐;通過框架或支架安置在高處的生產設備和引向火炬的主管道;安置在地面上的大型壓縮機、成群布置的機泵等轉動設備;在空曠地區的火炬、煙囪和排氣筒;安置在高處易遭受直擊雷的照明設施等。

3.1 露天裝置區防直擊雷設計

3.1.1 接閃器設計。防直擊雷接閃器應利用生產設備的金屬實體作為防直擊雷的接閃器;用作接閃器的生產設備應為整體封閉、焊接結構的金屬靜設備;轉動設備不應用作接閃器;用作接閃器的生產設備應有金屬外殼,其易受直擊雷的頂部和外側上部應有足夠的厚度,鋼制設備的壁厚應大于或等于 4mm。易受直擊雷且在附近高大生產設備、框架和大型管架(已用作接閃器)等的防雷保護范圍之外的轉動設備;不能作為接閃器的金屬設備;非金屬外殼的靜設備等應另行設置接閃器。

3.1.2 引下線設計。高大的生產設備應利用其金屬殼體作為引下線;生產設備通過框架或支架安置時,應優先利用金屬框架作為引下線;高大爐體、塔體、筒倉、大型設備、框架等應至少使用兩根引下線,引下線的間距不應大于 18m;在高空布置、較長的臥式容器和管道(如送往火炬的管道)應在兩端設置引下線,長度超過 18m時應增加引下線數量;引下線應以最短的路徑直接引到接地體,應按照規范滿足截面積和厚度要求,并在地面以上加機械保護。利用柱內縱向主鋼筋作為引下線時,柱內縱向主鋼筋應采用焊接的方法。

3.1.3 接地裝置設計。利用金屬外殼作為接閃器的生產設備,至少在金屬外殼底部分兩處連接到接地體;另行設置的接閃器(針狀、線狀和網狀),均應有引下線直接接到接地體;防直擊雷用的每根引下線所直接連接的接地體,其沖擊接地電阻不應大于 10Ω。

3.2 露天裝置區防感應雷設計

所有金屬設備、框架、管道、電纜金屬保護層(鎧裝、鋼管、槽板等)和放空管口等,均應連接到接地裝置上。金屬物體與附近引下線之間的空間距離應按下式確定：

式中,S為空間距離(m);Kc為分流系數(取 0.66);lx為引下線計算點到接地連接點的長度(m)。如果 S不滿足要求,應在高于連接點的地方增加接地連接線;平行敷設的金屬管道、框架和電纜金屬保護層等,當其間凈距小于 100mm時應每隔30m進行金屬連接,相交或相距處凈距小于 100mm時亦應連接。防直擊雷接地體應與防感應雷接地體連成一體。

3.3 露天裝置區排放設施防雷設計

排放設施,包括放散管、排風管、安全閥、呼吸閥、放料口、取樣口、排污口等,其中安裝在生產設備易受直擊雷的頂部和外側上部的放空口,應根據排放的物料和濃度、排放的頻率或方式、正常或事故排放、手動或自動排放等生產操作性質和安裝位置分別進行防雷擊保護。儲存閃點低于或等于 45℃的可燃液體設備,在生產緊急停車時連續排放,其排放物達到爆炸危險濃度者(包括送火炬系統的管路上的臨時放空口,但不包括火炬)或儲存閃點低于或等于 45℃的可燃液體貯罐,其呼吸閥不帶防爆阻火器的情況下的放空口,應設置接閃器。此時,放空口外的爆炸危險氣體空間應處于接閃器的保護范圍內,且接閃器的頂端應高出放空口 3m,水平距離應大于 4～5m。

4 供配電系統防雷設計

4.1 380/220V供配電系統宜采用 TN-S系統

在這種配電方式的整個系統(包括分支線路)中,具有單獨的中性線(N)和保護接地線(PE),即整個系統中性線與保護接地線始終是分開的,PE線上沒有交流電流流過,在整個防雷工程的等電位連接接地系統中,它與等電位連接接地系統保持牢固的連接,所以PE線上電位相等。

4.2 電纜應穿鋼管埋地引入并接地

電纜應穿鋼管埋地進入廠區,電纜金屬外皮或電纜金屬保護管兩端均應接地。供電系統電纜金屬外皮或電纜金屬保護管兩端均應接地,其目的是屏蔽雷擊電磁脈沖,減少或削弱雷電危害,防止雷擊事故。供電系統電纜應單獨布線,不應與油品、液化石油氣和天然氣管道、熱力管道敷設在同一溝內,避免電纜與其他管道相互影響,引起爆炸火災事故,電纜溝應充砂填實。

4.3 外來導體等電位連接

外來導體包括金屬水管、通訊電纜線及電力電纜鎧裝外皮或電纜金屬管等。所有的水管和電纜應埋地進入配電室或機房,水管和電纜鎧裝外皮和保護金屬管應在進出建筑物時與接地裝置相連接,電纜應選用鎧裝電纜或穿金屬管埋地。以上所有接地都要與建(構)筑物、罐區形成等電位連接。

4.4 供配電系統電涌保護器的布置和選擇

電涌保護器(SPD)的布置原理如圖 1所示。在安裝電涌保護器使用導線進行連接時,導線電感在雷電波的頻率作用下不能忽略,應考慮多級防護,以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害。為防止電涌保護器遭受雷擊損壞后,電源對地短路,需要在電涌保護器前安裝空氣開關作為短路保護裝置。根據 ITU、K 20和 IEC61312-3等規范的規定,兩級 SPD之間,必須有一定的線路長度(即一定的感抗或加裝退耦裝置)來達到避免多級SPD當中出現某一級SPD不啟動導通泄流的盲點的要求。規范同時規定,末級 SPD的保護電壓水平必須低于被保護設備對浪涌電壓的耐受能力。

圖1 電涌保護器布置原理

5 電子信息系統防雷設計

易燃易爆危險化學品企業的電子設備主要為：監控設備、通信、消防、數據采集設備等。在雷擊發生時,產生巨大瞬變電磁場,在 1km范圍內網絡、信號及通訊金屬連線等都會受感應雷擊影響,甚至徹底破壞系統。對于網絡、信號及通訊方面的防雷工作是較易被忽視的。電子信息系統防雷應從等電位連接與共用接地系統、屏蔽及布線、防雷與接地、安裝電涌保護器進行綜合設計。(1)電子設備的金屬外殼、機柜、機架、金屬管(槽)、屏蔽線纜外層、信息設備防靜電接地和安全保護接地及浪涌保護器接地端等均應以最短的距離與等電位連接網絡的接地端子連接。防止過長的連接導線構成較大的環路而增大對空間雷擊電磁脈沖干擾(LEMP)的耦合幾率,造成泄放雷電流不暢,降低系統安全性。(2)電子信息系統設備主機房宜選擇在建筑物中心樓層低的區域,其機房應遠離外墻結構柱,設置在雷電防護區內,有條件的,建議安裝金屬屏蔽網或金屬屏蔽室。金屬屏蔽網、金屬屏蔽室應與等電位接地端子板連接。(3)信號線路電纜應采用金屬屏蔽層的線纜或使用金屬管進行敷設。室外應以埋地敷設方式進入建筑物;在樓內應采用金屬屏蔽槽垂直敷設和水平敷設方式進入機房。(4)在網絡、通信、數據傳輸設備防護方面,依據相關規范對信號系統雷電及過電壓防護要求,如在液位檢測儀引出的控制線上安裝專用電涌保護器。在通信、監控、消防系統進出線分別安裝電涌保護器,用于對機房及各系統的保護。

6 結束語

易燃易爆危險化學品企業是雷擊火災高風險單位,應從外部防雷、內部防雷綜合設計,注重接閃器、引下線連接與共用接地系統、屏蔽及合理布線、等電位連接與安裝電涌保護器等方法。在實際的防雷工程設計中,還需根據各類設備的特點和防護對象的實際情況靈活應用、綜合考慮,才能獲得良好的效果。

[1]GB 15599-95,石油與石油設施雷電防護規范[S].

[2]GB 50057-94,建筑物防雷設計規范(2000年版)[S].

[3]GB 50343-2004,建筑物電子信息系統防雷設計規范[S].

[4]IEC 61312,雷電電磁脈沖的防護[S].

[5]GB 50174-93,電子計算機機房設計規范[S].

[6]YD/T5098,通信局(站)雷電過電壓保護工程設計規范[S].

[7]高強.雷電與防雷[J].天津化工,2003,17(5).