化工企业抗爆控制室防雷接地系统的设计

赵晓娟，崔 寅

（1.中海油石化工程有限公司，山东 济南 250000 2.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250000）

引言

雷电的危害性是巨大的，通过对雷电流的研究，得出雷电流的最大幅值出现在首次正极性雷击中；最大陡度（）出现在首次以后的负极性雷击中；正极性雷击通常仅出现一次，无重复雷击。因此防雷做到用首次正极性雷电流和首次以后的负极性最大陡度（）[1]。

化工企业中抗爆控制室是化工企业的重要场所，控制室内有仪表控制系统、电源系统、电信系统（火灾报警控制器、视频监控系统等）、计算机等设备，本文从设计的方面介绍了抗爆控制室的防雷分类、防雷措施（接闪器、引下线）、接地措施（自然接地体和人工接地体）和防雷击电磁脉冲措施（等电位连接、屏蔽、合理布线和SPD 的设计及安装）。

项目概括：抗爆控制室所在地区年平均雷暴日为30 d/a，长48.2 m，宽18.7 m，高6 m。

1 控制室防雷

由规范[1]计算抗爆控制室的年预计雷击次数[见式（1）]。

式中：N 为建筑物年预计雷击次数，次/a；k 为校正系数；Ng为年平均密度，次/（km-2·a-1）；Ae为等效面积，km2。

项目所处地不是土壤电阻率较小处，故此处k=1；Ng=0.1Td=0.1×30=3 次/（km-2·a-1）。抗爆控制室高度为6 m＜100 m，则为孤立建筑物，等效面积为：

抗爆控制室的年预计雷击次数为N=1×3×9×10-3=0.027 次/a。

由于N∈（0.01，0.05），且属于重要场所，因此本抗爆控制室按照第三类防雷设计。

2 建筑物防雷措施（见图1）

图1 建筑物防雷装置措施组成部分

2.1 接闪器

该抗爆控制室为混凝土屋面结构，屋面上有一台屋顶轴流式排风机，材质为玻璃钢，高度为0.8 m，需要加接闪杆保护，用滚球法确定接闪器的保护范围。即接闪杆高度计算见式（2）。

式中：rx为保护半径，m；hx为被保护的高度，m；h 为接闪杆高度，m；hr为滚球半径，m，如表1 所示。

表1 不同防雷类别hr 值

雷击电流在流过接闪杆时会产生高电位，高电位会对要保护的建筑物或者设备发生反击，则接闪杆放置在距离屋顶轴流式排风机3 m 的位置。即h=2.5 m，本项目选用热镀锌圆钢Φ12 mm，符合最小截面S≥50 mm2。

本项目选用的接闪器为热镀锌圆钢Φ12 mm，符合最小截面S≥50 mm2。屋面接闪带支架采用预制混凝土支座，支架高度为0.15 m，混凝土支座每隔1 m 设置一个，转角处每隔0.5 m 设置一个。接上杆与屋面接闪网可靠焊接。

2.2 引下线

抗爆控制室柱子的结构为混凝土，经过给结构专业提资，结构专业柱内钢筋直径为16 mm，引下线间距不大于25 m，用作引下线的柱内钢筋应与屋面和基础钢筋可靠连接，由于抗爆控制室柱子与墙有一定间距，通过在柱子上的预埋板，引出连接板到墙外，与接地干线相连。具体见图2。

图2 抗爆墙内钢筋/结构柱内钢筋作引下线（mm）

2.3 接地装置

抗爆控制室利用基础钢筋、地下圈梁等金属作为自然接地体，根据基础接地极的布置和形式，计算接地电阻大小。

在腐蚀性环境下，人工接地极应采用铜或铜覆钢的材料。

人工水平接地极采用热镀锌扁钢-50mm×5mm，符合规范要求的S≥90 mm2，离建筑物基础及散水坡外，此处设计为3 m，埋设深部不小于0.8 m（冻土层以下），建筑物入口及过马路处埋设深度为1 m，四周的的人工水平接地体形成一个封闭的环形，施工时建筑物四周的边缘角处应做成圆弧形。

式（3）计算得出人工水平接地极的工频接地电阻。

其中：项目所在地ρ=50 Ωm，L=145.8 m，d=0.025 m，h=0.8 m，A=1，计算人工水平接地体的工频接地电阻为Rh=0.82Ω。

人工垂直接地体采用角钢L50 mm×5 mm，L=2.5 m，3 根为一组，式（4）计算得出单根垂直接地极的工频接地电阻。

其中：项目所在地ρ=50 Ωm，L=2.5 m，d=0.025 m，h=0.8 m 计算出单根Rv=18 Ω，则一组垂直接地体的工频接地电阻为6 Ω。

对于控制室，共用接地电阻不大于1 Ω，故本装置加了6 组人工垂直接地体。

3 防雷击电磁脉冲

针对防雷击电磁脉冲，根据电磁脉冲产生的原理和危害，主要措施有图3 中4 个方面。

图3 防雷击电磁脉冲

3.1 等电位连接

在控制室内部沿墙面300 mm 暗敷接地线，过门处埋地，与室外接地干线连接，并设置等电位端子联结箱。室内电气设备、金属外壳设备、金属构架等通过接地支线可靠连接在接地干线或者等电位端子连接箱。

3.2 屏蔽

抗爆控制室墙内结构钢筋交点处电气连接，衰减了由于直接雷或者临近LPZ 中产生的磁场，并减少了内部电涌。

线路屏蔽，包括电源线路与信号线路屏蔽，防止环路中感应出电压和电流，本项目中所有的低压电力电缆和信号线都采用的是带屏蔽电缆，电缆屏蔽层需要接到接地干线或接地母排上，实现等电位联结。

3.3 SPD 的设计和安装

设计SPD 的目的是限制雷电流产生瞬态过电压及分走电涌电流的器件，这里讲述连接到低压配电系统的SPD 设计。

对于控制室设置照明配电箱，配电线路从另一建筑物配电所引来，本项目系统采用TN-S。

3.3.1 最大持续工作电压Uc

相线与PE 线间、中性线与PE 线之间的最大持续运行电压最小值为Uc=1.15×U0=253 V,因此要求Uc≥253 V，其中U0=220 V。

3.3.2 电压保护水平Up

标征电涌保护器限制接线端子间电压的性能参数，它需要小于被保护设备的绝缘耐冲击电压，即Up≤Uw。

3.3.3 冲击电流Iimp

电源线路无屏蔽层，Iimp计算见第211 页式（5）。

电源线路由屏蔽层或穿钢管，Iimp计算见式（6）。

式中：I 为雷电流，一类200 kA，二类150 kA，三类100 kA；n 为地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数；m 为需要确定的那一回线路内导体芯数的总根数；Rs为屏蔽层或钢管每公里的电阻，Ω/km；Rc为芯数每公里的电阻，Ω/km。

根据规范[1]在电源引入的总配电箱处应装设Ⅰ级实验的SPD。SPD 的电压保护水平值应小于或等于2.5 kV，冲击电流是根据防雷类别、电源线路有无屏蔽层、电缆芯数、进出建筑的金属管道根数决定的；当一个建筑物这些因素不能确定时。可选择冲击电流≥12.5 kA。

本工程中抗爆控制室为3 类建筑物，电源线路无屏蔽层，雷电流I 为100 kA，n=1，m=5，则Iimp=0.5×100/5=10 kA，Iimp选择≥10 kA。

3.3.4 电涌保护器连接类型1[2]（见图4）

图4 电涌保护器连接类型1

4 结语

化工企业装置抗爆控制室的防雷接地保护是保证企业正常生产、电气设备及人身安全的重要保证手段，保证电子设备正常运行、信息网络可靠运行的重要技术环节。