閆 戰(zhàn) 嶺

(上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司, 上?！?01999)

?

由雷擊事故分析探討工業(yè)建筑防雷系統(tǒng)

閆 戰(zhàn) 嶺

(上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司, 上海201999)

闡述了某鋼鐵企業(yè)雷擊事故的原因和防雷保護(hù)區(qū)域的劃分,探討了鋼鐵企業(yè)內(nèi)大量工業(yè)建筑的綜合防雷措施。提出工業(yè)建筑防雷系統(tǒng)只有綜合考慮均壓、接地、屏蔽、分流這四項(xiàng)防雷措施,滿足國家規(guī)范GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求,才能起到理想的防護(hù)效果,確保生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

工業(yè)建筑; 雷擊事故分析; 電子設(shè)備; 防護(hù)措施; 防雷系統(tǒng)

0　引　言

隨著鋼鐵企業(yè)內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度不斷提高,系統(tǒng)內(nèi)電子設(shè)備的數(shù)量和規(guī)模越來越大,而電子設(shè)備普遍存在著絕緣強(qiáng)度低、過電壓耐受能力差的弱點(diǎn),當(dāng)其因雷擊受到電磁脈沖,特別是閃電電磁脈沖的襲擊,會(huì)出現(xiàn)不同程度的運(yùn)行故障,甚至造成巨大損失。

本文針對(duì)近幾年雷擊事故的原因,對(duì)鋼鐵企業(yè)內(nèi)工業(yè)建筑防雷系統(tǒng)進(jìn)行剖析,以確保生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1　雷擊事故分析

某鋼廠冷軋廠區(qū)域空壓站遭雷擊,強(qiáng)大的雷電流在空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)急劇變化,在空壓機(jī)信號(hào)線路上感應(yīng)出過電流竄入控制系統(tǒng),造成空壓站中4臺(tái)空壓機(jī)死機(jī)并跳電,致使生產(chǎn)線5條機(jī)組停機(jī)近1 h,對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員提供的資料和防雷技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)取得的調(diào)查資料,經(jīng)過分析,確定了以下幾方面原因:

(1) 自然環(huán)境原因。雷擊事故發(fā)生地點(diǎn)地勢(shì)平緩,土質(zhì)較好,空壓站周圍無高大建筑物。鋼廠內(nèi)大型工業(yè)建筑比較多,多數(shù)為金屬鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì),易聚集電荷引發(fā)雷擊。

(2) 空壓站防雷存在缺陷?？諌赫緸殇摻罨炷羻螌咏Y(jié)構(gòu),內(nèi)有空壓機(jī)數(shù)臺(tái)及1個(gè)控制系統(tǒng),外界線路進(jìn)入室內(nèi)均為埋地方式。室內(nèi)空壓機(jī)和控制柜有兩路供電,一路沿墻上敷設(shè),另一路埋地敷設(shè)?？諌赫驹O(shè)計(jì)時(shí)建筑物本身無任何外部防直擊雷措施,防直擊雷措施存在缺陷,對(duì)雷擊產(chǎn)生空間電磁場(chǎng)的變化沒有很好地屏蔽。

(3) 內(nèi)部防雷設(shè)施不完善?？諌赫緝?nèi)部信號(hào)及電源線路上都沒有裝設(shè)防電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD),無法消除由于雷擊產(chǎn)生空間電磁場(chǎng)變化而在線路上感應(yīng)的過電流,空壓機(jī)控制柜接地方式?jīng)]有達(dá)到防雷要求,使雷電流無法順利泄入大地。

2　防雷保護(hù)區(qū)域的劃分

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定,將工業(yè)建筑中要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū),以規(guī)定各部分空間不同的雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度和指明各區(qū)交界處的等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)的位置。各區(qū)以在其交界處的電磁環(huán)境有明顯改變,作為劃分不同防雷區(qū)的特征。雷電防護(hù)區(qū)劃分如圖1所示。

圖1　雷電防護(hù)區(qū)劃分

在兩個(gè)防雷區(qū)的界面上應(yīng)將所有通過界面的金屬物做等電位聯(lián)結(jié),并宜采用屏蔽和防電涌措施。

3　綜合的防雷措施

防雷工程通常分為防直擊雷和感應(yīng)雷兩部分。直擊雷防御系統(tǒng)捕捉雷電閃擊,保護(hù)建筑物及設(shè)備。感應(yīng)雷防御系統(tǒng)降低雷擊時(shí)的沖擊電位差和電磁脈沖。工業(yè)建筑物所處環(huán)境、雷擊季節(jié)的不同,其強(qiáng)度都不一樣,所以將需保護(hù)的建筑物作為整體,實(shí)行分區(qū)和等電位聯(lián)結(jié)的原則,在工程實(shí)施中滿足GB 50057—2010的要求,才能起到全面的保護(hù)效果。

建筑物綜合防雷系統(tǒng)如圖2所示。

國際電工委員會(huì)-雷電防護(hù)專業(yè)委員會(huì)將整體防雷總結(jié)為均壓、接地、屏蔽、分流四項(xiàng)技術(shù)的總和。只有綜合考慮這四項(xiàng)措施,嚴(yán)格按照GB 50057—2010的要求,才能起到理想的防護(hù)效果。

(1) 均壓(等電位聯(lián)結(jié))。接閃裝置在接閃雷電時(shí),引下線產(chǎn)生大電流和瞬間高電位,會(huì)對(duì)尚處于地電位的導(dǎo)體產(chǎn)生電磁感應(yīng)和旁側(cè)閃絡(luò),并使其電位升高,進(jìn)而對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成傷害。為了減少這種閃絡(luò)危險(xiǎn),最簡單的辦法是采用均壓環(huán)將處于地電位的導(dǎo)體等電位聯(lián)結(jié)起來。這樣在閃電電流通過時(shí),室內(nèi)的所有設(shè)施立即形成一個(gè)“等電位島”,保證導(dǎo)電部件之間不產(chǎn)生電位差,不發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)放電。

為了徹底消除雷電引起的毀壞性電位差,必須實(shí)行等電位聯(lián)結(jié),電源線、信號(hào)線、金屬管道等都要通過過電壓保護(hù)器進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié),各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面處同樣要依此進(jìn)行局部等電位聯(lián)結(jié),并最后與等電位聯(lián)結(jié)母排相連。進(jìn)入室內(nèi)金屬物體及SPD等電位聯(lián)結(jié)如圖3所示。

圖3　進(jìn)入室內(nèi)金屬物體及SPD等電位聯(lián)結(jié)

(2) 接地。良好的接地能快速、有效地泄放雷電能量,降低引下線上的電壓,避免發(fā)生反擊。按GB 50057—2010的要求,工業(yè)建筑物多為共用接地系統(tǒng),因此其內(nèi)部的設(shè)備接地電阻值應(yīng)不大于1 Ω。

(3) 屏蔽。屏蔽就是利用金屬網(wǎng)、箔、殼或管子等導(dǎo)體把需要保護(hù)的對(duì)象包圍起來,使雷電電磁脈沖波入侵的通道全部截?cái)?所有屏蔽套、殼等均應(yīng)接地。屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射對(duì)電子設(shè)備影響的最有效方法。調(diào)查顯示,有效的屏蔽能將70%的電磁場(chǎng)能量通過屏蔽層泄放。

(4) 分流。分流是現(xiàn)代防雷技術(shù)迅猛發(fā)展的重點(diǎn),是保護(hù)各種電子設(shè)備或電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵措施。分流就是在一切從室外來的導(dǎo)體(包括電力電源線、數(shù)據(jù)線、電話線或天饋線等信號(hào)線)與防雷接地裝置或接地線之間并聯(lián)一種適當(dāng)?shù)腟PD。當(dāng)直擊雷或雷電感應(yīng)在線路上產(chǎn)生的過電壓波沿這些導(dǎo)線進(jìn)入室內(nèi)或設(shè)備時(shí),SPD電阻突然降到低值(近乎于短路狀態(tài)),雷電電流由此處分流入地。雷電流在分流后,仍有少部分沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備,這對(duì)于一些不耐高壓的電子設(shè)備很危險(xiǎn),所以這類設(shè)備在導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備前應(yīng)進(jìn)行多級(jí)分流(不少于三級(jí)防雷保護(hù))。多級(jí)防雷保護(hù)分流示意如圖4所示。

圖4　多級(jí)防雷保護(hù)分流示意

在工業(yè)建筑配電系統(tǒng)的過電壓保護(hù)中,通常第一級(jí)采用放電間隙元件(安裝在總配電箱進(jìn)線處),以泄漏較大的雷電流。此類SPD殘壓較高,約為4～6 kV。

標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010規(guī)定:在LPZ0A或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處,從室外引來的線路上安裝SPD,當(dāng)線路有屏蔽時(shí)每個(gè)SPD的雷電流按雷電流幅值的30%考慮。本文討論第二類防雷建筑物。假設(shè)首次雷電流幅值為150 kA(10/350 μs波形),電源線路為鎧裝埋地,TN-S配電模式,在建筑物已安裝合格的防直擊雷措施后,有50%的雷電流通過引下線流入接地裝置,因此低壓配電線路上每線分配電流為150 ×50%×30%/4=5.6 kA。又根據(jù)要求,每線標(biāo)稱放電電流Im不宜小于15 kA(10/350 μs波形)。換算成8/20 μs波形,放電電流I=Im×(350/20)12=62.7 kA,故第一級(jí)SPD放電電流為65～100 kA(8/20 μs波形)。

在第二級(jí)采用限壓元件(安裝在分配電箱進(jìn)線處),將殘壓控制在設(shè)備的沖擊絕緣水平以下。GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[2]中對(duì)SPD的標(biāo)稱放電電流推薦值為不小于40 kA(8/20 μs波形),殘壓不高于2 kV。

為了更好地對(duì)設(shè)備起到保護(hù)作用,應(yīng)在被保護(hù)設(shè)備電源輸入前端安裝第三級(jí)SPD,標(biāo)稱放電電流不高于15 kA,殘壓不高于1.2 kV。

另外,由于限壓元件的響應(yīng)時(shí)間較快(25 ns),而放電間隙元件的響應(yīng)時(shí)間則較慢(約100 ns)。雷電侵入波沿著電力電纜首先到達(dá)放電間隙,由于放電間隙有響應(yīng)時(shí)延,侵入波將繼續(xù)行進(jìn),應(yīng)保證在侵入波到達(dá)限壓元件前讓放電間隙動(dòng)作。侵入波在電纜中的傳播速度v=1.5×108m/s,放電間隙的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間t=100 ns,限壓元件的響應(yīng)時(shí)間為25 ns,則侵入波在時(shí)間差75 ns內(nèi)向前行進(jìn)的距離為s=vt=1.5×108×75×10-9=11.25 m。

如果第一級(jí)保護(hù)器件和第二級(jí)保護(hù)器件之間的距離(電纜)大于11.25 m,就能夠保證前級(jí)保護(hù)先動(dòng)作,而達(dá)到將大的雷電流先行泄放掉的目的。由于防雷器件的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間有一定的誤差,故應(yīng)將前、后級(jí)保護(hù)器件間的距離考慮得更長些,顯然15 m比較合適[3]。

在實(shí)際的工程中,有時(shí)很難保證第一級(jí)保護(hù)器件(放電間隙型)和第二級(jí)保護(hù)器件(限壓型)之間的距離(電纜)大于15 m,就需經(jīng)常采用集中電感來等效該距離。導(dǎo)線的單位電感L0≈1.6×10-6H/m,為了等效15 m長導(dǎo)線分布參數(shù)的電感量,集中電感應(yīng)L=L0s=1.6×10-6×15=24 μH,即可以用電感量為24 μH的集中電感來等效15 m長的導(dǎo)線。

第二級(jí)、第三級(jí)保護(hù)均為限壓型器件,響應(yīng)時(shí)間均為25 ns,考慮到其實(shí)際響應(yīng)時(shí)間的誤差(可假定為25 ns),為了保證前級(jí)先動(dòng)作,則兩級(jí)保護(hù)間的距離應(yīng)該為s=vt=1.5×108×25×10-9=3.75 m。

當(dāng)上一級(jí)SPD為開關(guān)型SPD,次級(jí)SPD采用限壓型SPD時(shí),兩者之間的電纜線間距應(yīng)大于10 m;當(dāng)上一級(jí)SPD與次級(jí)SPD都采用限壓型SPD時(shí),兩者之間的電纜線間距應(yīng)大于5 m;在實(shí)際施工中,當(dāng)分配電箱與設(shè)備間距大于15 m時(shí),必須安裝第三級(jí)SPD。

4　結(jié)　語

防雷系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,如何保證工業(yè)建筑信息系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及精密電子設(shè)備正常運(yùn)行,已成為專業(yè)技術(shù)人員必須關(guān)注的問題。在鋼鐵企業(yè)中,大部分控制系統(tǒng)已相繼進(jìn)行了防雷系統(tǒng)完善工作,經(jīng)過完善的工業(yè)控制系統(tǒng),運(yùn)行效果良好。因此,工業(yè)建筑物防雷系統(tǒng)的建立是確保生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

[1]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50057—2010[S].

[2]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50343—2012[S].

[3]李祥超.防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:氣象出版社,2010.

【辦刊宗旨】

以現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能建筑技術(shù)為引導(dǎo)，引領(lǐng)建筑電氣技術(shù)不斷開拓自主知識(shí)創(chuàng)新，向著高效、節(jié)能和綠色的目標(biāo)和方向發(fā)展。及時(shí)、全面地報(bào)道國內(nèi)外建筑電氣最新研究成果和行業(yè)信息，為建筑電氣的研究與開發(fā)、產(chǎn)品制造與應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域打造一流的技術(shù)交流和信息傳遞平臺(tái)。

Discussion on Lightning Protection System of Industrial Building from Analysis of Lightning Accident

YAN Zhanling

(Shanghai Jinyi Inspection Technology Co., Ltd., Shanghai 201999, China)

This paper elaborated the lightning accident causes of a steel enterprise and the partition of lightning protection area.The comprehensive lightning protection measures of industrial building were discussed in steel enterprise.It is pointed out that the lightning protection system of industrial building should synthetically consider the lightning protection measures of dividing,bonding,earthing,shielding,and meet the relative requirements of national standard GB 50057—2010.So it has the ideal protective effect to insure the safe and stable operation of production equipments.

industrial building; lightning accident analysis; electronic equipment; protective measures; lightning protection system

閆戰(zhàn)嶺(1978—),男,工程師,從事雷電防護(hù)工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)07-0053-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.014

2016-06-06