天阳盆地地下水置换工程厂房的防雷设计

2021-09-23王峥

山西水利科技 2021年2期

关键词：电涌扁钢保护器

王峥

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原030024）

1 工程概况

大同市天阳盆地地下水置换工程是以册田水库为水源地，在利用现有大同市册田灌区北干分灌区提水工程的基础上，采用泵站提水、向天阳盆地供水，起到涵养地下水源的作用。

新建西营泵站为本工程提水泵站，泵站由引水涵、进水池、主副厂房、压力管道及厂区等部分组成。站内共布置了4 台水泵，其中一台为备用机组。

主厂房平面尺寸为37 m×16 m（长×宽），地面以上主厂房高度为11.6 m。副厂房紧靠主厂房下游布置，副厂房内设有中控室、高压开关站、电容器室以及低压配电室等，平面尺寸为37 m×8 m（长×宽），采用砖混结构。

2 设置防雷装置必要性的分析

2.1 按防雷装置的拦截效率确定

厂地的建筑物主要有厂房建筑物和办公建筑物，厂房建筑物长37 m，宽24 m。其中主厂房长L=37 m，宽W1=16 m，高H1=11.6 m。副厂房L=37 m，宽W2=8 m，高H2=5.4 m。主厂房里布置有水轮机，电动机，吊车，风机等一次电力设备，副厂房布置有高低压配电柜，变压器，变频器，电容器及自动化控制设备，按电子系统的重要性，厂房内电子系统属于一般用途的需防护电子信息设备。厂房属于大同地区，年平均雷暴日数Td=42.3 天，大于40 天，属于多雷区，所以此处雷击大地密度为Ng=0.1×Td=4.23 次/（km2×年）。厂房的高度都小于100 m，唯一不同的是主副厂房的高度不一致，主厂房高H1=11.6 m，副厂房高H2=5.4 m。应分别求出扩大宽度，主厂房的扩大宽度为：

副厂房的扩大宽度为：

整个厂房的等效面积为：

建筑物的扩大宽度如图1 所示，虚线包围面积为建筑物防雷等效面积。

图1 雷击建筑物等效扩大宽度图

所以该厂房的年预计雷击次数是：

N1=K×Ng×Ae=0.08 次/年

式中:N1——建筑物年预计雷击次数，次/年；

K——校正系数，此处厂房是旷野孤立的建筑物，等于2；

Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，4.23 次/（km2·a）；

Ae——厂房的等效面积，km2。

该厂房的高压电源进线为埋地敷设，埋地高压电缆的有效截收面积为：

Ae1=0.1ds×L1×10-6=0.05 km2

埋地信号线的有效截收面积为：

Ae2=2ds×L2×10-6=1 km2

入户设施年预计雷击次数：

N2=0.1Td（Ae1＋Ae2）=4.44 次/年

式中：N2——入户设施年预计雷击次数，次/年；

ds——埋地引入线缆的计算截收面积的等效宽度，取500 m；

L1，L2——所考虑的线缆长度，取1 000 m；

Ae1——埋地高压电缆的有效截收面积，km2；

Ae2——埋地信号线的有效截收面积，km2；

所以厂房及入户设施年预计总雷击次数是N1+N2=4.52 次/年。该厂房顶为钢筋混凝土材料，室内电子信息系统属于D 类电子信息系统，抗冲击过电压能力相当弱，被冲击后不允许中断信号，可接受的年平均最大雷击次数Nc=0.58/7.7=0.075 次（0.58 是校正系数，7.7 是雷电和各种电设备的因素之和）。预测的总雷击次数N1=0.08 大于Nc=0.075，所以应安装防雷保护装置，且拦截效率为1-Nc/N1=0.062 5，小于0.8，定为D 级雷电防护等级，与规范设定的一致。

2.2 按风险管理要求确定雷击风险

厂房被雷击的位置有很多不确定性，所以需要考虑雷电可直接击于厂房上，连接厂房的设施。雷击后的损害有人畜伤害、物理损害、电气电子系统损害。损失有人身伤亡、公众服务、文化遗产、经济损失。

雷击建筑物伤害人的概率PA=1，没有LPS 保护的建筑物的物理损害的概率PB=1，导致内部系统失效的概率PC=1。雷击建筑物附近时，没有安装电涌保护器SPD 时，那么概率PM=1。建筑物的截收面积与前面的计算不同，如图2 所示。

图2 雷击建筑物及附近截收面积计算图

Ad1=LW1+3LH1+6W1H1+π（3H1）2/2=4 894.5 m2

Ad2=LW2+3LH2+6W2H2+π（3H2）2/2=1 566.6 m2

Am=［2502π-（3H1）2×π/2－（3H2）2×π/2］+L×（2×250-3H1-3H2）+W1×（250-3H1）+W2（250-3H2）=213 549 m2

式中：Ad1——主厂房的雷击截收面积，m2；

Ad2——副厂房的雷击接受面积，m2；

Am——雷击建筑物附近的截收面积，m2；

雷击建筑物的年平均次数：

ND=Ng×（Ad1＋Ad2）×0.5×10-6=0.013

NM=Ng×［Am-（Ad1＋Ad2）×0.5］×10-6=0.89

RA=ND×PA×ra×Lt=0.000 001 3

RB=ND×PB×rP×hZ×rf×Lf=0.000 006 5

RC=ND×PC×L0=0.000 13

式中：ND——雷击建筑物的年平均次数，次/年；

Ng——雷击大地密度，4.23 次/（km2·年）；

NM——雷击建筑物附近的年平均次数，次/年；

RA、RB、RC——无保护措施时，与人生伤亡有关的风险分量；

PA、PB、PC——雷击建筑物时，各种损害概率，均为1；

ra、rP、rf、hZ——由土壤类型、防火措施、与建筑物火灾的危险关系、特殊伤害决定的人身伤亡损失的因子，分别为0.01、1、0.01、1；

Lt、Lf、L0、——损失伤亡减少因子，分别为0.01、0.05、0.01。

因为厂房无架空线及其他设备引入，所以不考虑雷击服务设施。雷击建筑物时直接的人生伤亡损失风险为RA+RB+RC=0.000 137 8 大于规范中要求的10-5，所以须采取防雷保护措施。

3 防雷装置的设置

3.1 雷电的认识

通过急剧上升和下降的水蒸气摩擦而产生带有正电荷和负电荷的雷云，或上升的水蒸气脱离地面时，就已经带有了正负电荷，融入云层中，云与云之间互相放电，云与大地之间互相放电。给建筑物带来危害的是云与大地之间的放电。根据以上论述该地区的年预计总雷击次数为4.52 次/年，大于0.25 次/年。厂房属于第二类防雷建筑物。

3.2 接闪带

同一截面积的接闪带、引下线、接地极宜采用扁钢，因为表面积大。例如，同是100 mm2的截面积时，圆钢的半径规格是5.643 mm，长度为1 m 的圆钢表面积是35 438 mm2，扁钢的规格是4 mm×25 mm（厚×宽），长度为1 m 的扁钢表面积是58 000 mm2，可得知扁钢的表面积大于圆钢的表面积。

在厂房屋顶的易遭雷击的边角处装设避雷带，女儿墙的接闪带距屋面的距离小于：

式中：hr——第二类防雷建筑物选用的滚球半径，取45 m；

d——女儿墙上接闪带间的距离，取16 m；

S——接闪带距屋面的距离，m。

所以必须在屋顶上敷设接闪网格，为了施工方便用规格为4 mm×25 mm（厚×宽）的热镀锌扁钢做成9.25 m×8 m（长×宽）的接闪带网格。接闪带的支架采用与接闪带同规格的镀锌扁钢，支架间的距离为1 m。

关于接闪带的机械效应，接闪带在强大的雷电流流过时，会产生冲击性的电磁力，雷电流为首次正极雷，雷电流I=150 kA，电磁力为：

F=2×10-7×I2×l/d=520 N

式中：I——雷电流幅值，选用150 kA；

l——导体平行段的长度，取9.25 m；

d——导体平行直线段之间的距离，取8 m；

所以应牢固安装接闪带。

3.3 引下线

厂房周长为122 m，沿着屋顶四周做引下线7根，平均间距17.4 m。引下线采用规格为4 mm×25 mm（厚×宽）的热镀锌扁钢，在距地1.8 m 处设置断接卡，并用不易日晒风化的塑料管保护。每隔1 m 做支持卡子，保证引下线的牢固和整齐美观。

厂房附近的土壤电阻率ρ 为381.7 Ωm，接地体的有效长度=78 m。厂房环形接地体的周长为140.84 m。周长的一半大于接地体的有效长度。

所以环形接地体的引下线冲击接地电阻值

式中：Rh——冲击接地电阻，Ω；

ρ——厂房附近的土壤电阻率，取381.7 Ωm；

L3——接地体的有效长度，m；

h——水平接地体的埋设深度，取1 m；

d——水平接地体的等效直径，取0.015 m；

A——水平接地极的形状系数，取-0.18。

Rh小于规范要求的10 Ω，不用补加水平接地体。雷击时流经引下线的雷电流幅值是75 kA，会产生的瞬态过电压411 kV，如图3 所示，此时应注意引下线处的人身安全。需要做等电位联结。

图3 防雷引下线对行人反击示意图

引下线与被反击物体的间隔距离为：

S≥0.06×K×Lc=0.05 m

式中：S——空气中引下线与被反击物体的间隔距离，m；

K——引下线的分流系数，取0.44；

Lc——被反击物体的高度，取1.75 m；

实际设计中，要在引下线3 m 范围内设护栏、警告牌，距离道路边沿不宜小于3 m（海拔1 000 m 及以下地区500 kV 变电站在持续运行电压情况下，相对地的距离是1.3 m）。

3.4 接地体

在厂房的四周布置人工接地体，扁钢的尺寸为4 mm×25 mm（厚×宽）。接地体绕厂房一周设置，敷设在散水坡外，用混凝土保护起来（研究表明混凝土对接地导体的阻值影响不大）。距离墙的距离为1 m，敷设深度为1 m。

3.5 SPD（电涌保护器）的设置

在副厂房的中控室布置有公用LCU 屏、直流屏、水力量测屏，配电室有微机保护模块，主厂房有机组LCU 屏等二次电子信息系统设备。雷电的直接雷击，从厂房外电源线路的入侵，雷击引下线的反击等引起的电磁场效应都会影响该电子信息系统的正常显示和运行。

处于厂房避雷带保护外的为LPZ0A 区，处于保护内的为LPZ0B 区及后续的LPZ1、LPZ2 等，对于二级防雷建筑物的厂房来说，最大雷电流(即首次雷击电流)150 kA，线路埋地敷设，中控室的总配电箱的一级SPD 的冲击放电电流为：

式中:I——雷电流幅值，选用150 kA；

n——地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数，取3 根；

m——需要确定的那一回线路内导体芯线的总根数，取4 根；

Rs——屏蔽层或钢管每千米的电阻，取1.4 Ω/km；

Rc——芯线每千米的电阻，取0.2 Ω/km；

S——单根导体的最小截面，mm2；

Iimp——一级电涌保护器SPD 的冲击放电电流，kA。

选SPD 的规格为一级试验的电涌保护器SPD（电压开关型），电压保护水平为2.5 kV，冲击电流规格为12.5 kA。保护模式采用3+1 模式。电涌保护器SPD 的接线导体截面积最小可以是S=Iimp/8=0.75 mm2，但规范要求最小的导线截面积为6 mm2。

在LPZ2 区及以后的防雷保护区的SPD2、SPD3，为了与上一级电涌保护器SPD 的能量配合，SPD 的标称放电电流分别为5 kA、3 kA。其中N 线与PE 线之间的SPD 标称放电电流为20 kA、12 kA。电压保护水平最低为1.5×0.8=1.2 kV（1.5 kV 为电子设备的耐冲击电压值）。有时也要根据设备具体要求来设置与该设备相适应的SPD。