山東四君子集團(tuán)酒廠罐區(qū)防雷工程設(shè)計(jì)

王道朋　劉曉華　程萌

摘要 為了保護(hù)山東四君子集團(tuán)酒廠罐區(qū)防雷安全，在分析其周圍地閃密度、雷電活動(dòng)時(shí)間變化規(guī)律、雷電流幅值分布及土壤地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上，從安裝避雷針及敷設(shè)地網(wǎng)等方面對(duì)其進(jìn)行防雷工程設(shè)計(jì)，并對(duì)防雷系統(tǒng)工程提出了合理化建議。

關(guān)鍵詞 罐區(qū)；地閃密度；避雷針；防雷設(shè)計(jì)；山東四君子集團(tuán)酒廠

中圖分類號(hào) TU895 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）15-0186-02

雷電是一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，其強(qiáng)大的雷電流和交變的電磁場(chǎng)嚴(yán)重威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，雷電的電動(dòng)力和熱能極易引起危險(xiǎn)爆炸環(huán)境的雷電災(zāi)害，造成巨大的損失。1989年8月12日9：55，中國(guó)石油總公司黃島油庫(kù)罐區(qū)發(fā)生特大雷擊事故，19人死亡，100多人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 540萬(wàn)元。黃島油庫(kù)雷擊爆炸事故的慘痛教訓(xùn)使人們對(duì)雷電的危害有了更深刻的認(rèn)識(shí)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子設(shè)施及易燃易爆產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，使雷擊事故概率增加。為了保護(hù)人員、財(cái)產(chǎn)安全，做好易燃易爆設(shè)施的防雷工程尤為重要，防雷減災(zāi)也逐漸成為專家學(xué)者的研究方向。李 密等[1]通過(guò)工程實(shí)例對(duì)淄博市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃，王愛(ài)軍等[2]對(duì)防雷工程周圍的易損度進(jìn)行了區(qū)劃，黃 灝等[3]通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)乩纂姙?zāi)害的分析，提出了雷電災(zāi)害管理的建議。本文主要研究酒廠罐區(qū)的直擊雷防護(hù)措施，以期保護(hù)罐區(qū)防雷安全，為類似區(qū)域的雷電防護(hù)提供參考。

1 保護(hù)對(duì)象的主要概況及防雷現(xiàn)狀

1.1 地理、地質(zhì)情況

四君子酒廠位于山東省單縣，土壤多為黃土和黏土，土壤電阻率較低。需要保護(hù)的罐區(qū)長(zhǎng)45 m、寬15 m、高10 m。整個(gè)區(qū)域上方有彩鋼板架設(shè)，厚度未達(dá)到4 mm，罐體位于彩鋼棚下。

1.2 雷電環(huán)境

1.2.1 地閃密度分布。地閃密度為每平方千米年平均落雷次數(shù)，是估算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)時(shí)的重要參數(shù)。用Ng表示，單位為次/（km2·年）。由山東省雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的閃電數(shù)據(jù)資料中提取出以罐區(qū)為中心方圓5 km范圍內(nèi)地閃數(shù)據(jù)（2007—2016年），統(tǒng)計(jì)出地閃次數(shù)，利用Surfer繪制出地閃密度分布漸變圖（圖1），該地區(qū)的Ng=3.06次/（km2·年）。

1.2.2 雷電活動(dòng)時(shí)間變化規(guī)律。對(duì)罐區(qū)周圍5 km的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，該區(qū)域發(fā)生地閃1 067次（表1），其中負(fù)地閃占總地閃的98.0%，為1 047次；正地閃占總地閃的2.0%，為20次。

該區(qū)域地閃主要活動(dòng)期為夏季，即6—8月，其中7—8月為地閃高發(fā)期，占總地閃的81.0%。其余月份基本沒(méi)有地閃發(fā)生。一天內(nèi)地閃的發(fā)生規(guī)律呈單峰狀分布，主要分布在17：00左右。

1.2.3 雷電流幅值分布。雷電流強(qiáng)度在10～15 kA的地閃占地閃總數(shù)的比例最大，為28.0%；其次為15～20 kA的地閃，所占比例為21.0%。該區(qū)域內(nèi)地閃平均電流強(qiáng)度約為13.65 kA，正地閃的平均強(qiáng)度約為20.93 kA，負(fù)地閃的平均強(qiáng)度值為13.51 kA。

1.3 防雷現(xiàn)狀

整個(gè)罐區(qū)被彩鋼板覆蓋，但是沒(méi)有安裝直擊雷接閃裝置，需要做直擊雷避雷針、地網(wǎng)等防護(hù)措施。

2 雷擊發(fā)生的可能性、危害性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，有2種雷害經(jīng)常發(fā)生。

2.1 直擊雷

雷電的發(fā)生具有選擇性，極易擊中高聳的建筑，由于被保護(hù)的罐體周圍沒(méi)有高聳建筑，相對(duì)比較孤立，雷擊概率很大。如果罐體遭受雷擊，由于內(nèi)部為易燃易爆原料，很容易發(fā)生爆炸。

2.2 反擊

接閃器的作用是靠其對(duì)雷云電場(chǎng)引起的畸變將雷閃吸引到自身，并安全導(dǎo)入地中，從而使位于其保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備和建筑物免遭直接雷擊。但所引下的是幅值極大、上升陡度很高的雷電流，此雷擊電流入地后會(huì)使地電位突然升高，與設(shè)備連接的地線將此高電位引入設(shè)備，對(duì)被保護(hù)設(shè)備形成危害[4-5]。

3 方案設(shè)計(jì)

選用3套提前放電避雷針，安裝在罐體北側(cè)，每支避雷針高度為18 m，安裝于設(shè)計(jì)圖紙所示的位置（圖2），通過(guò)三針聯(lián)合保護(hù)的方式對(duì)罐體進(jìn)行防護(hù)；同時(shí)對(duì)彩鋼板頂部屋脊處敷設(shè)避雷帶，并做3處接地，且用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼進(jìn)行連接，組成一個(gè)地網(wǎng)。

每支避雷針選用2塊石墨接地極作為垂直接地體，選用2支40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體做獨(dú)立的接地裝置，接地電阻達(dá)到10 Ω以下。

同時(shí)，對(duì)整個(gè)罐區(qū)做接地網(wǎng)，選用12塊石墨接地極作為垂直接地體，選用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體做接地網(wǎng)，接地電阻達(dá)到10 Ω以下（圖2）。

避雷針的保護(hù)半徑根據(jù)GB 50057—2010中滾球半徑法確定：

rx=[H（2Hr-H）]1/2-[Hx（2Hr-Hx）]1/2

其中：H為避雷針高度，此處相對(duì)于彩鋼板頂?shù)母叨葹? m；Hr為滾球半徑，二類建筑取45 m；Hx為被保護(hù)物的高度。

由此可以計(jì)算出3支等高避雷針在10 m高度上的保護(hù)半徑為25.6 m；避雷針保護(hù)軸線的中心最低點(diǎn)為5.9 m；避雷針之間在10 m高度的最小保護(hù)寬度為25 m。其保護(hù)范圍可以滿足對(duì)各罐體進(jìn)行有效的防護(hù)，各管體均在避雷針保護(hù)半徑內(nèi)。

當(dāng)雷雨云形成時(shí)，云與地面之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，此電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到3 kV/m，從而使地面凸起部分或金屬部件上開(kāi)始出現(xiàn)電暈放電。當(dāng)雷電云層內(nèi)部形成一個(gè)下行先導(dǎo)時(shí)，閃電電擊便形成了。下行先導(dǎo)電荷以階梯形式向地面移動(dòng)，下行先導(dǎo)攜帶著的電荷使地面建立起電場(chǎng)，從避雷針尖端產(chǎn)生了一個(gè)上行的先導(dǎo)，此上行先導(dǎo)向上傳播一直到與下行先導(dǎo)會(huì)合。此時(shí)，閃電電流便流過(guò)所形成的通道，地面上的其他建筑物可能會(huì)生成數(shù)個(gè)上行先導(dǎo)。與下行先導(dǎo)會(huì)合的第一個(gè)上行先導(dǎo)決定了閃電電擊的地點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

雷電防護(hù)工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮被保護(hù)物周圍雷電環(huán)境、土壤地質(zhì)環(huán)境、被保護(hù)物的特征及雷電災(zāi)害發(fā)生的后果等。對(duì)被保護(hù)物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，應(yīng)選取科學(xué)合理的防雷措施，將雷電災(zāi)害危險(xiǎn)程度降到最低。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 李密，邱東鳳，石娟，等.淄博市雷電災(zāi)害易損性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（8）：177-182.

[2] 王愛(ài)軍，柴瑞.唐山市雷電災(zāi)害易損性分析及易損度區(qū)劃[J].建筑電氣，2010，29（10）：28-32.

[3] 黃灝，王寶.煙臺(tái)市雷電災(zāi)害易損性分析及區(qū)劃[J].山東氣象，2012，32（130）：35-38.

[4] 王鳴曉，林建民，馬光進(jìn)，等.電氣設(shè)備防雷工程設(shè)計(jì)探討[J].氣象科技，2013（2）：417-421.

[5] 閆戰(zhàn)嶺.建筑物防雷工程設(shè)計(jì)分析[J].現(xiàn)代建筑電氣，2016（8）：62-65.endprint