由雷击事故分析探讨工业建筑防雷系统

2016-08-25闫战岭

现代建筑电气 2016年7期

关键词：电磁脉冲分流屏蔽

闫战岭

(上海金艺检测技术有限公司, 上海　201999)

由雷击事故分析探讨工业建筑防雷系统

闫战岭

(上海金艺检测技术有限公司, 上海201999)

阐述了某钢铁企业雷击事故的原因和防雷保护区域的划分,探讨了钢铁企业内大量工业建筑的综合防雷措施。提出工业建筑防雷系统只有综合考虑均压、接地、屏蔽、分流这四项防雷措施,满足国家规范GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的相关要求,才能起到理想的防护效果,确保生产装置安全、稳定地运行。

工业建筑; 雷击事故分析; 电子设备; 防护措施; 防雷系统

0　引　言

随着钢铁企业内工业控制系统自动化程度不断提高,系统内电子设备的数量和规模越来越大,而电子设备普遍存在着绝缘强度低、过电压耐受能力差的弱点,当其因雷击受到电磁脉冲,特别是闪电电磁脉冲的袭击,会出现不同程度的运行故障,甚至造成巨大损失。

本文针对近几年雷击事故的原因,对钢铁企业内工业建筑防雷系统进行剖析,以确保生产装置安全、稳定地运行。

1　雷击事故分析

某钢厂冷轧厂区域空压站遭雷击,强大的雷电流在空间产生的电磁场急剧变化,在空压机信号线路上感应出过电流窜入控制系统,造成空压站中4台空压机死机并跳电,致使生产线5条机组停机近1 h,对生产造成较大影响。

根据现场人员提供的资料和防雷技术人员在现场取得的调查资料,经过分析,确定了以下几方面原因:

(1) 自然环境原因。雷击事故发生地点地势平缓,土质较好,空压站周围无高大建筑物。钢厂内大型工业建筑比较多,多数为金属钢结构材质,易聚集电荷引发雷击。

(2) 空压站防雷存在缺陷。空压站为钢筋混凝土单层结构,内有空压机数台及1个控制系统,外界线路进入室内均为埋地方式。室内空压机和控制柜有两路供电,一路沿墙上敷设,另一路埋地敷设。空压站设计时建筑物本身无任何外部防直击雷措施,防直击雷措施存在缺陷,对雷击产生空间电磁场的变化没有很好地屏蔽。

(3) 内部防雷设施不完善。空压站内部信号及电源线路上都没有装设防电涌保护器(Surge Protective Device,SPD),无法消除由于雷击产生空间电磁场变化而在线路上感应的过电流,空压机控制柜接地方式没有达到防雷要求,使雷电流无法顺利泄入大地。

2　防雷保护区域的划分

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]规定,将工业建筑中要保护的空间划分为不同的防雷区,以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位联结点的位置。各区以在其交界处的电磁环境有明显改变,作为划分不同防雷区的特征。雷电防护区划分如图1所示。

图1　雷电防护区划分

在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位联结,并宜采用屏蔽和防电涌措施。

3　综合的防雷措施

防雷工程通常分为防直击雷和感应雷两部分。直击雷防御系统捕捉雷电闪击,保护建筑物及设备。感应雷防御系统降低雷击时的冲击电位差和电磁脉冲。工业建筑物所处环境、雷击季节的不同,其强度都不一样,所以将需保护的建筑物作为整体,实行分区和等电位联结的原则,在工程实施中满足GB 50057—2010的要求,才能起到全面的保护效果。

建筑物综合防雷系统如图2所示。

国际电工委员会-雷电防护专业委员会将整体防雷总结为均压、接地、屏蔽、分流四项技术的总和。只有综合考虑这四项措施,严格按照GB 50057—2010的要求,才能起到理想的防护效果。

(1) 均压(等电位联结)。接闪装置在接闪雷电时,引下线产生大电流和瞬间高电位,会对尚处于地电位的导体产生电磁感应和旁侧闪络,并使其电位升高,进而对人员和设备构成伤害。为了减少这种闪络危险,最简单的办法是采用均压环将处于地电位的导体等电位联结起来。这样在闪电电流通过时,室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”,保证导电部件之间不产生电位差,不发生旁侧闪络放电。

为了彻底消除雷电引起的毁坏性电位差,必须实行等电位联结,电源线、信号线、金属管道等都要通过过电压保护器进行等电位联结,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位联结,并最后与等电位联结母排相连。进入室内金属物体及SPD等电位联结如图3所示。

图3　进入室内金属物体及SPD等电位联结

(2) 接地。良好的接地能快速、有效地泄放雷电能量,降低引下线上的电压,避免发生反击。按GB 50057—2010的要求,工业建筑物多为共用接地系统,因此其内部的设备接地电阻值应不大于1 Ω。

(3) 屏蔽。屏蔽就是利用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来,使雷电电磁脉冲波入侵的通道全部截断,所有屏蔽套、壳等均应接地。屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。调查显示,有效的屏蔽能将70%的电磁场能量通过屏蔽层泄放。

(4) 分流。分流是现代防雷技术迅猛发展的重点,是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。分流就是在一切从室外来的导体(包括电力电源线、数据线、电话线或天馈线等信号线)与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的SPD。当直击雷或雷电感应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时,SPD电阻突然降到低值(近乎于短路状态),雷电电流由此处分流入地。雷电流在分流后,仍有少部分沿导线进入设备,这对于一些不耐高压的电子设备很危险,所以这类设备在导线进入设备前应进行多级分流(不少于三级防雷保护)。多级防雷保护分流示意如图4所示。

图4　多级防雷保护分流示意

在工业建筑配电系统的过电压保护中,通常第一级采用放电间隙元件(安装在总配电箱进线处),以泄漏较大的雷电流。此类SPD残压较高,约为4～6 kV。

标准GB 50057—2010规定:在LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处,从室外引来的线路上安装SPD,当线路有屏蔽时每个SPD的雷电流按雷电流幅值的30%考虑。本文讨论第二类防雷建筑物。假设首次雷电流幅值为150 kA(10/350 μs波形),电源线路为铠装埋地,TN-S配电模式,在建筑物已安装合格的防直击雷措施后,有50%的雷电流通过引下线流入接地装置,因此低压配电线路上每线分配电流为150 ×50%×30%/4=5.6 kA。又根据要求,每线标称放电电流Im不宜小于15 kA(10/350 μs波形)。换算成8/20 μs波形,放电电流I=Im×(350/20)12=62.7 kA,故第一级SPD放电电流为65～100 kA(8/20 μs波形)。

在第二级采用限压元件(安装在分配电箱进线处),将残压控制在设备的冲击绝缘水平以下。GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[2]中对SPD的标称放电电流推荐值为不小于40 kA(8/20 μs波形),残压不高于2 kV。

为了更好地对设备起到保护作用,应在被保护设备电源输入前端安装第三级SPD,标称放电电流不高于15 kA,残压不高于1.2 kV。

另外,由于限压元件的响应时间较快(25 ns),而放电间隙元件的响应时间则较慢(约100 ns)。雷电侵入波沿着电力电缆首先到达放电间隙,由于放电间隙有响应时延,侵入波将继续行进,应保证在侵入波到达限压元件前让放电间隙动作。侵入波在电缆中的传播速度v=1.5×108m/s,放电间隙的动作响应时间t=100 ns,限压元件的响应时间为25 ns,则侵入波在时间差75 ns内向前行进的距离为s=vt=1.5×108×75×10-9=11.25 m。

如果第一级保护器件和第二级保护器件之间的距离(电缆)大于11.25 m,就能够保证前级保护先动作,而达到将大的雷电流先行泄放掉的目的。由于防雷器件的实际响应时间有一定的误差,故应将前、后级保护器件间的距离考虑得更长些,显然15 m比较合适[3]。

在实际的工程中,有时很难保证第一级保护器件(放电间隙型)和第二级保护器件(限压型)之间的距离(电缆)大于15 m,就需经常采用集中电感来等效该距离。导线的单位电感L0≈1.6×10-6H/m,为了等效15 m长导线分布参数的电感量,集中电感应L=L0s=1.6×10-6×15=24 μH,即可以用电感量为24 μH的集中电感来等效15 m长的导线。

第二级、第三级保护均为限压型器件,响应时间均为25 ns,考虑到其实际响应时间的误差(可假定为25 ns),为了保证前级先动作,则两级保护间的距离应该为s=vt=1.5×108×25×10-9=3.75 m。

当上一级SPD为开关型SPD,次级SPD采用限压型SPD时,两者之间的电缆线间距应大于10 m;当上一级SPD与次级SPD都采用限压型SPD时,两者之间的电缆线间距应大于5 m;在实际施工中,当分配电箱与设备间距大于15 m时,必须安装第三级SPD。

4　结　语

防雷系统是一项复杂的系统工程,如何保证工业建筑信息系统中的计算机及精密电子设备正常运行,已成为专业技术人员必须关注的问题。在钢铁企业中,大部分控制系统已相继进行了防雷系统完善工作,经过完善的工业控制系统,运行效果良好。因此,工业建筑物防雷系统的建立是确保生产装置安全、稳定运行的不可或缺的重要环节。

[1]建筑物防雷设计规范:GB50057—2010[S].

[2]建筑物电子信息系统防雷设计规范:GB 50343—2012[S].

[3]李祥超.防雷工程设计与实践[M].北京:气象出版社,2010.

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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