火炸药爆炸危险场所防雷设计

郝鹏超

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

0 引言

生产贮存火药、炸药、弹药、引信及火工品的厂房及仓库属火炸药爆炸危险场。 此类建筑一旦爆炸将造成巨大破坏还可能造成人身伤亡，因此在进行此类建筑设计时，必须认真贯彻“安全第一、预防为主”的方针，预防事故发生，减少事故损失。

由于火炸药爆炸危险场所的特殊性，在对相关建筑设计时，要格外重视。 本文结合相关规范，以具体火炸药库房为实例，对火炸药爆炸危险场所的防雷设计进行介绍。

1 规范的选用

对于火炸药危险场所的设计，目前可参考的规范:GB 50154－2009《地下及覆土火炸药仓库设计规范》；GB 51009－2014《火炸药生产厂房设计规范》；《火药、炸药、弹药、引信及火工品工厂设计安全规范》兵总质【1990】2 号；WJ 2470－97《小量火药、炸药及其制品危险性建筑设计安全规范》。

上述规范的适用范围不同，应根据工程的性质、用途及爆炸危险品的种类、储量，参考相应的规范进行设计。

2 确定防雷类别

根据生产分类及工作性质确定爆炸危险建筑适用于上述哪本规范。 上述规范都对生产、贮存不同危险物质建筑的防雷类别有明确的规定。

不同的规范、标准对防雷设计要求略有不同，但总体来说火炸药危险场所的防雷类别和该建筑物的危险场所电气类别有关，因此设计时要明确建筑物的危险场所电气类别。

3 防雷设计

根据规范要求，爆炸危险场所的防雷类别根据不同使用性质，分别采取一类、二类防雷措施。 二类防雷按照常规做法，在屋面设置接闪网格即可，本文主要针对一类防雷进行介绍。 一类防雷主要是确定独立接闪杆杆塔(或接闪线支柱)的位置、高度、数量及杆塔、基础的选型。

3.1 杆塔与支柱位置的确定

首先确定独立接闪杆杆塔或架空接闪线(网)的支柱至被保护建筑物之间的距离。 根据GB 50057－2010《建筑物防雷设计规范》(以下简称《雷规》)中独立接闪杆和架空接闪线(网)的支柱至被保护建筑物之间的距离(图1)应符合下列公式的要求，但不得小于3m。

(1)地上部分

式中，Sa1为空气中距离，m；Se1为地中距离，m；Ri为独立接闪杆或架空接闪线(网)支柱处接地装置的冲击接地电阻，Ω；hx为被保护物或计算点的高度，m。

图1 防雷装置至被保护物的间隔距离

上述公式的计算结果是接闪杆塔与被保护建筑物的最小距离要求，接闪杆塔的位置不仅要满足此要求，同时还要查看总图，考虑建筑周边道路及土围堤的位置关系，如果不注意，杆塔基础有可能设置在道路上。

3.2 采用接闪杆保护

接闪杆的高度利用滚球法计算，根据建筑的高度来确定接闪杆的高度。 当接闪杆高度h小于或等于滚球半径hr时，单支接闪杆的保护范围应按下列方法确定，接闪杆在hx高度的平面上和在地面上的保护半径，按下式求得。

如果双支接闪杆还不能满足保护要求，那就要考虑采用接闪线塔进行保护。 为什么不采用更多的接闪杆进行保护而采用接闪线塔进行保护，在下文工程案例中会有说明。

3.3 采用接闪线保护

当单支接闪线的高度h<2hr时，在hx高度的平面上的保护宽度bx，按下式求得:

式中，bx为接闪线在hx高度的平面上的保护宽度，m；h为接闪线的高度，m；hr为滚球半径，m；hx为被保护物的高度，m。

可以看出此公式和单支接闪杆在hx高度的平面上保护半径公式相同，可以简单地认为，接闪线就是在接闪线的方向上设置了无数支接闪杆。 上述公式所得是接闪线最低点(垂点)的高度，杆塔的高度还要加上接闪线的弧垂高度，根据国家标准图15D501 第104 页可以查到不同跨度的接闪线的最大弧垂，见表1。

表1 不同长跨度的接闪线的最大弧垂

同时选择接闪线时需要注意，按照标准图集接闪线采用φ＝7.8mm 镀锌钢绞线，但根据《雷规》，当接闪器为热镀锌钢绞线时，最小截面为50mm2，换算为直径φ＝7.98mm。 因此建议设计者选择不小于φ＝8mm 的热镀锌钢绞线作为接闪线。

3.4 杆塔支座及基础型式的确定

接闪杆、架空接闪线塔的杆塔型式及基础的型式要根据杆塔高度及工程所在地的风压、地基承载力进行选择。 杆塔高度根据上文计算得出，风压及地基承载力这两个参数一般结构专业都会有，根据这两个参数对照国家标准图15D501 进行选择。

4 工程案例

现在以某火炸药库房为案例进行防雷设计介绍。 本库房为单层混凝土结构，长为48m，宽为12m，高为7.5m。 库房贮存物品为各类弹药，每个储存间内同时存放药量最大为50kg，建筑危险等级为Ax 级。 本弹药库设计参考规范为中国兵器工业总公司部标准WJ 2470－97《小量火药、炸药及其制品危险性建筑设计安全规范》。 根据表2.1 本弹药库危险场所电气类别为F1，防雷类别为一类防雷，因此需要设置独立接闪杆或接闪线塔进行保护。

根据规范要求及式(1)计算(根据规范要求，冲击接地电阻按10Ω 计算)，接闪杆或接闪线(网)的杆塔可设置在距库房四周外沿大于4.3m 的位置。但根据总图位置，库房周围有道路及灌溉渠，因此杆塔需避开道路及灌溉渠。 本弹药库总图见图2。

图2 库房总图

由于道路及灌溉渠内侧间距不能满足规范要求，需将杆塔向两侧外移，设置在道路及灌溉渠外侧。 杆塔基础位置距建筑位置见图3。

图3 杆塔基础位置

接闪杆(或线塔)基础位置确定之后，就要计算接闪杆(或线塔)的高度，首先考虑用独立接闪杆进行保护，本建筑为第一类防雷建筑物，根据规范，滚球半径hr＝30m，建筑物高度hx＝7.5m，根据接闪杆高度h<30m 时式(4)有解，当h＝30m，保护半径rx有最大值为10.15m(当h>30m 时公式无解，是因为接闪杆高于30m 处，半径30m 的滚球无法与地面相切，不能对建筑进行有效保护，因此高于30m 的单独接闪杆，根据规范要求，接闪杆应按照滚球半径(这里为30m)的高度作为接闪杆杆尖进行保护计算)。 即在7.5m 的高度，单支接闪杆的最大保护范围为10.15m，单支接闪杆的保护范围见图4。

图4 单根接闪杆保护范围

图5 双支接闪杆保护范围

从图5 可以看出双支30m 高的接闪杆无论如何都无法对弹药库进行完全保护，至少需要四支及以上接闪杆进行保护(本文不再详细计算)，所以对于本弹药库采用接闪线塔更为合理。

接闪线塔一般沿建筑的长度方向设置，这样同样高度的接闪线，对建筑物的保护范围最大。 接闪线塔位置和前文接闪杆杆塔位置一致。 将本弹药库参数带入式(5)(取hr＝30m，bx＝6m)，求解方程得出h＝14.7m，即接闪线在14.7m 的高度上可以将弹药库完全保护。 接闪线剖面保护范围见图6 阴影部分。

图6 接闪线保护范围(h＝14.7m 时)

14.7m 是接闪线最低点的高度，本弹药库接闪线塔跨距为68m，查表1 最大弧垂按3.2m 考虑，因此接闪线杆塔的最低高度应该为接闪线的最低点高度14.7m 加上最大弧垂的高度3.2m，为17.9m，可以选择20m 高的接闪线支柱。

根据图1 及规范要求，接闪线至屋面间距Sa2应满足下列公式

(1)当(h＋l/2)<5Ri时，

(2)当(h＋l/2)≥5Ri时，

式中，Sa2为接闪线至被保护物在空中的间距距离，m；h为接闪线的支柱高度，m；l为接闪线的水平长度，m；Ri为独立接闪杆或架空接闪线(网)支柱处接地装置的冲击接地电阻，Ω。

根据以上公式计算，Sa2应≥3. 47m，根据上文计算选择，接闪线最低点至屋面的实际间距Sa2＝9. 3m(接闪线最低点为20－3. 2 ＝16. 8m，建筑屋面高度为7. 5m)，因此接闪线至屋面间距Sa2满足规范要求。

最后确定杆塔及基础型式，本工程地基承载力特征值为140kPa，基本风压为0.3kN/m，因为杆塔总高度为20m，所以按标准图15D501 第99 页，接闪线杆塔选用GFW1－1 型，基础选用JA－4 型。

通过上述分析计算，最终本弹药库采用20m 高接闪线塔进行保护，杆塔设置在东西两侧，左侧距弹药库10.5m，右侧距弹药库9.5m。 杆塔选用GFW1－1 型，基础选用JA－4 型，接闪线采用φ＝8mm 的热镀锌钢绞线。

5 结束语

火炸药危险场所的防雷设计首先要明确适用规范，并确定爆炸危险场所电气类别，这是防雷设计的先决条件，不同规范对危险场所电气类别的划分及防雷要求还是略有不同。 同时根据以上分析计算，利用接闪线比利用接闪杆对弹药库进行保护，不仅杆塔的高度大大降低，而且数量上也大大减少，设计计算上也较为简单。 因此当被保护的建筑物较高较长时，优先选用接闪线对建筑进行防直击雷保护比较合理。