防雷接地技术在沙特东部基地施工现场的计算应用

2011-09-24谢冠锋黄保升

石油化工建设 2011年1期

关键词：架体雷电电位

谢冠锋黄保升

中国石化集团炼化工程公司北京 100029

防雷接地技术在沙特东部基地施工现场的计算应用

谢冠锋黄保升

中国石化集团炼化工程公司北京 100029

介绍在中国石化炼化工程公司在海外国际项目的大型生活营地设施如何作好单体设施防雷、接地及策划。以确保施工安装阶段的人身及设备安全。

雷电设施单体滚球半径防雷接地措施

中国政府先后于1994年颁布防雷设计的国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057—94，1999年《中华人民共和国气象法》通过实施,国家还设立了全国雷电防护标准委员会，各省级地区设立了防雷中心，这表明国家在对预防雷电灾害非常重视。而在国际化工装置建设工程中在施工安装阶段施工现场和营地一般在远离城市的开阔地带，是最容易遭受雷击的场所，施工作业性质一般为大型露天野外作业、高空作业、长期流动作业、大型吊装机具使用等，决定了石油化工装置建设必须认真对待施工现场的防雷接地保护措施，已正式纳入项目施工技术措施中，并应得到更加广泛的重视。近年来中国石化集团炼化工程公司在海外特别是在中东地区和中亚地区承包的大型石油化工项目大都在阿拉伯半岛东西部沙漠边缘和戈壁地带，是没有任何防护的开阔地带，在5个月之久的冬季更是雷电的多发期，更是要引起我们重视的安全防护管理的关键点，下面就中国石化集团炼化工程公司沙特东部基地建设谈谈我们的防雷接地技术的应用。

1 雷电形成机理及危害

1.1 雷电形成的两个阶段

雷电的形成由以下两个阶段组成：静电感应阶段、静电放电阶段

雷电形成的第一阶段是静电感应阶段：地面的水分蒸发变为水蒸气；水蒸气上升与高空冷空气相遇形成水滴；水滴积聚成云；水滴在强气流吹动下形成较小的水滴和较大的水滴，在这一过程中也正是摩擦起电的过程，较小的水滴带负电，较大的水滴带正电，从而分别形成带正电的云与带负电的云。而带有大量静电电荷的云对地面或地面上的物体产生强烈的静电感应，为云与地面及地面物体之间的发电打下了基础。

雷电形成的第二阶段是静电放电阶段：当带异性电荷的云团之间和云团和大地之间的电压足够高时，其间的空气被击穿而产生放电。

1.2 雷电的危害

雷电危害的机理是高压的击穿效益，电流的热效应、化学效应、机械效应等。具体表现为五种形式。静电感应危害、过电压危害、直接雷击危害、电磁波危害和地电位反击危害，其中静电感应危害产生于雷电的第一阶段，其余危害产生于雷电的第二阶段。

2 雷电的预防原则与措施

2.1 雷电的预防原则

2.1.1 安全接地

现代防雷技术离不开接地，接地体是防雷装置的重要环节，无论是对直击雷的防护，还是雷电感应的防护最终都需要通过接地体将雷电流泄放到大地中去，我们知道最理想的接地就是接地电阻为零的接地，这在现实生活工作中是不可能的，所以安全接地只是依据各种设备的使用情况、技术性能、耐压水平等作出对接地要求的技术指标来算。例如：我们在日常的检测工作中，经常接触到各种各样的设备，而设备的运行必定会存在漏电或雷电流经过时所产生的电位差，为尽量避免内部设备被高电位反击和操作人员被雷击的事故，必须对设备进行安全接地，接地电阻小于4Ω。

2.1.2 共用接地系统

在同一建筑物内，将所需接地系统连到一个地网上，或者把各系统原来的接地网通过地下或地上的金属连接起来，使他们之间形成为电气相通的统一接地网，当发生雷击时，雷电流在各系统上产生的高电压将同时存在各系统的接地线上，这样就使各接地线之间不存在高电位差，基本清除了系统之间的击穿问题（各系统电位相同，两点间没有电流，保持系统的等电位）。共用接地系统是将交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电地、防雷接地等共用一组接地装置。如果接地电阻达不到标准时，应外延增加人工接地装置使其达到要求。

2.1.3 等电位连接的实施

等电位连接就是把建筑物内附近的所有金属物，如建筑物的基础钢筋、自来水管、煤气管及其金属屏蔽层，电力系统的零线、建筑物的接地系统，用电气连接的方法连接起来（含截获可靠的导线连接）使整座建筑物成为一个良好的等电位体。配置有信息系统的机房内的电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、计算机直流地、防静电接地、屏蔽线外层、安全保护地及各种SPO（浪涌保护器等）接地端均应以最短的距离就近与等电位网络可靠连接。等电位连接的目的就是为了防止和设备与设备之间、系统与系统之间危险的电位差，确保设备和操作人员的安全。

2.2 雷电的预防措施

雷电的预防措施主要使用避雷针（避雷带、避雷网、避雷线）、电涌保护器。其中电涌保护器电压开关型电涌保护器、限压型电涌保护器、复合型电涌保护器等。

3 沙特东部基地现场防雷

东部基地设施建设期间，现场多专业交叉施工，各区域的接地防雷系统不能实质性的连接贯通成为等电位连接；安全施工必须设置合理的单体防护措施。为更加形象的将化工装置的施工阶段的临时用电设备、机械设备及高架设施及人身的防雷设计具体化并加以推广使用。

东部基地分四个居住区，分别为：一般员工区（西1、西2）、办公区和公共区域（中1、中2）、管理人员居住区和娱乐设施（东1、东2）、动堆栈区等四个功能单元。根据现场实际施工和营运需要，在东堆栈区的设一永久性的污水处理厂高度为12m，其他设施均高3m，现场组对维修吊车高度30m。

针对上述区域内高架设备的分布，下面分别对其防雷保护分别进行设置、计算。

3.1 现场高架设备的防雷

由于上述施工现场内的起重机、污水处理厂、营房、娱乐设施、规划中的金属结构厂均不处于北边韩国的管道加工厂区相邻建筑物等设施的防雷装置接闪器的保护范围以外，而且本装置位于长江以南的宁波市。根据相关国家气象部门颁布的该区域‘年平均雷暴日数’中提供的测试数据，该地方的年雷暴日数为40d/a。另据中国国家颁布的关于《施工现场内机械设备及高架设施需要安装防雷装置的规定》要求，由于该地区的年雷暴日数为35d/a，而且在90d/a＞40d/a≥40d/a范围内，则不强调安装防雷装置。

据现场实际情况，为保证本项目的冬季雷雨季节施工作业安全，并利用此就位设施本体防雷措施同时对设施本体四周装置设施、结构安装施工进行防雷保护，我们采用提高该地区的年雷暴日数为40 d/a，根据《施工现场内机械设备及高架设施需要安装防雷装置的规定》要求；采用在沙特东部基地正中央的办公区东侧搭建40m高的钢结构架体，并在在钢结构架体的顶部设置避雷针的防雷措施。整体钢结构架体防雷接地措施如下：

（1）架体顶设置长度L=2m、直径φ=40mm镀锌钢管制作的避雷针；

（2）利用架体作为避雷引下线，并使其与避雷针、接地体进行可靠的电气连接；

（3）架体周边利用L40×4、长度L=2.5m镀锌角钢做接地体，接地电阻应小于或等于4Ω。接地体埋深顶部距地面0.8m。

（4）接地母排使用-40×4的镀锌扁钢。

利用此已采取防雷接地措施的架体，可以保护的防雷半径计算如下（根据施工现场实际防雷需要，可将其划分为第三类防雷建筑物。）：

已知钢结构架体技术参数:

架体高度：h=46m

本地区年雷暴日：D=40d/a

取滚球半径：hr=60m

避雷针长度：L=2m

则架体防雷保护半径如下：

根据上式可以计算出：

当架体四周建筑物高度为0m时，塔体可提供的防雷保护半径为60m；

当架体四周建筑物高度为5m时，塔体可提供的防雷保护半径为36m；

当架体四周建筑物高度为10m时，塔体可提供的防雷保护半径为27m；

当架体四周建筑物高度为15m时，塔体可提供的防雷保护半径为20m；

当架体四周建筑物高度为20m时，塔体可提供的防雷保护半径为15m。

通过对最高防雷钢结构架体的防雷计算，并结合平面布置以及西面输电防雷线路可以看出在地面上防雷钢结构架体的防雷半径为60m。根据上述架体的防雷半径计算结果及地面建筑物的高度，可以看出位于居住区和生活区均处于防雷干结构架体和输电线路所构成的防雷保护半径之内。

而在东部区域内规划中的堆场，不在该防雷保护之中。在即将开展设计的堆场附属的机加工工厂中增加必要的一组防护钢结构架体，通过对其采取防雷保护措施也可以实现作业人员及设备的防雷保护。

由于架体的接地引下线可以利用本体钢架进行电气接地，但本体上所固定的照明、信号及通讯线路（网络信号接受终端和网络信号发射路由器），必须采用钢管敷设。钢管与机械设备的金属结构体必须做可靠的电气连接。同时考虑到欧洲国家的信号与防雷公用等势体电位的接地电阻小于1Ω的习惯，我们在接地极的南北两端各自延伸出一组接地装置；并与各单元接地连接成环行电气连接。从而保证