王 崢

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司 山西太原030024）

1 工程概況

大同市天陽盆地地下水置換工程是以冊田水庫為水源地，在利用現(xiàn)有大同市冊田灌區(qū)北干分灌區(qū)提水工程的基礎上，采用泵站提水、向天陽盆地供水，起到涵養(yǎng)地下水源的作用。

新建西營泵站為本工程提水泵站，泵站由引水涵、進水池、主副廠房、壓力管道及廠區(qū)等部分組成。站內共布置了4 臺水泵，其中一臺為備用機組。

主廠房平面尺寸為37 m×16 m（長×寬），地面以上主廠房高度為11.6 m。副廠房緊靠主廠房下游布置，副廠房內設有中控室、高壓開關站、電容器室以及低壓配電室等，平面尺寸為37 m×8 m（長×寬），采用磚混結構。

2 設置防雷裝置必要性的分析

2.1 按防雷裝置的攔截效率確定

廠地的建筑物主要有廠房建筑物和辦公建筑物，廠房建筑物長37 m，寬24 m。其中主廠房長L=37 m，寬W1=16 m，高H1=11.6 m。副廠房L=37 m，寬W2=8 m，高H2=5.4 m。主廠房里布置有水輪機，電動機，吊車，風機等一次電力設備，副廠房布置有高低壓配電柜，變壓器，變頻器，電容器及自動化控制設備，按電子系統(tǒng)的重要性，廠房內電子系統(tǒng)屬于一般用途的需防護電子信息設備。廠房屬于大同地區(qū)，年平均雷暴日數(shù)Td=42.3 天，大于40 天，屬于多雷區(qū)，所以此處雷擊大地密度為Ng=0.1×Td=4.23 次/（km2×年）。廠房的高度都小于100 m，唯一不同的是主副廠房的高度不一致，主廠房高H1=11.6 m，副廠房高H2=5.4 m。應分別求出擴大寬度，主廠房的擴大寬度為：

副廠房的擴大寬度為：

整個廠房的等效面積為：

建筑物的擴大寬度如圖1 所示，虛線包圍面積為建筑物防雷等效面積。

圖1 雷擊建筑物等效擴大寬度圖

所以該廠房的年預計雷擊次數(shù)是：

N1=K×Ng×Ae=0.08 次/年

式中:N1——建筑物年預計雷擊次數(shù)，次/年；

K——校正系數(shù)，此處廠房是曠野孤立的建筑物，等于2；

Ng——建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，4.23 次/（km2·a）；

Ae——廠房的等效面積，km2。

該廠房的高壓電源進線為埋地敷設，埋地高壓電纜的有效截收面積為：

Ae1=0.1ds×L1×10-6=0.05 km2

埋地信號線的有效截收面積為：

Ae2=2ds×L2×10-6=1 km2

入戶設施年預計雷擊次數(shù)：

N2=0.1Td（Ae1＋Ae2）=4.44 次/年

式中：N2——入戶設施年預計雷擊次數(shù)，次/年；

ds——埋地引入線纜的計算截收面積的等效寬度，取500 m；

L1，L2——所考慮的線纜長度，取1 000 m；

Ae1——埋地高壓電纜的有效截收面積，km2；

Ae2——埋地信號線的有效截收面積，km2；

所以廠房及入戶設施年預計總雷擊次數(shù)是N1+N2=4.52 次/年。該廠房頂為鋼筋混凝土材料，室內電子信息系統(tǒng)屬于D 類電子信息系統(tǒng)，抗沖擊過電壓能力相當弱，被沖擊后不允許中斷信號，可接受的年平均最大雷擊次數(shù)Nc=0.58/7.7=0.075 次（0.58 是校正系數(shù)，7.7 是雷電和各種電設備的因素之和）。預測的總雷擊次數(shù)N1=0.08 大于Nc=0.075，所以應安裝防雷保護裝置，且攔截效率為1-Nc/N1=0.062 5，小于0.8，定為D 級雷電防護等級，與規(guī)范設定的一致。

2.2 按風險管理要求確定雷擊風險

廠房被雷擊的位置有很多不確定性，所以需要考慮雷電可直接擊于廠房上，連接廠房的設施。雷擊后的損害有人畜傷害、物理損害、電氣電子系統(tǒng)損害。損失有人身傷亡、公眾服務、文化遺產、經(jīng)濟損失。

雷擊建筑物傷害人的概率PA=1，沒有LPS 保護的建筑物的物理損害的概率PB=1，導致內部系統(tǒng)失效的概率PC=1。雷擊建筑物附近時，沒有安裝電涌保護器SPD 時，那么概率PM=1。建筑物的截收面積與前面的計算不同，如圖2 所示。

圖2 雷擊建筑物及附近截收面積計算圖

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——主廠房的雷擊截收面積，m2；

Ad2——副廠房的雷擊接受面積，m2；

Am——雷擊建筑物附近的截收面積，m2；

雷擊建筑物的年平均次數(shù)：

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——雷擊建筑物的年平均次數(shù)，次/年；

Ng——雷擊大地密度，4.23 次/（km2·年）；

NM——雷擊建筑物附近的年平均次數(shù)，次/年；

RA、RB、RC——無保護措施時，與人生傷亡有關的風險分量；

PA、PB、PC——雷擊建筑物時，各種損害概率，均為1；

ra、rP、rf、hZ——由土壤類型、防火措施、與建筑物火災的危險關系、特殊傷害決定的人身傷亡損失的因子，分別為0.01、1、0.01、1；

Lt、Lf、L0、——損失傷亡減少因子，分別為0.01、0.05、0.01。

因為廠房無架空線及其他設備引入，所以不考慮雷擊服務設施。雷擊建筑物時直接的人生傷亡損失風險為RA+RB+RC=0.000 137 8 大于規(guī)范中要求的10-5，所以須采取防雷保護措施。

3 防雷裝置的設置

3.1 雷電的認識

通過急劇上升和下降的水蒸氣摩擦而產生帶有正電荷和負電荷的雷云，或上升的水蒸氣脫離地面時，就已經(jīng)帶有了正負電荷，融入云層中，云與云之間互相放電，云與大地之間互相放電。給建筑物帶來危害的是云與大地之間的放電。根據(jù)以上論述該地區(qū)的年預計總雷擊次數(shù)為4.52 次/年，大于0.25 次/年。廠房屬于第二類防雷建筑物。

3.2 接閃帶

同一截面積的接閃帶、引下線、接地極宜采用扁鋼，因為表面積大。例如，同是100 mm2的截面積時，圓鋼的半徑規(guī)格是5.643 mm，長度為1 m 的圓鋼表面積是35 438 mm2，扁鋼的規(guī)格是4 mm×25 mm（厚×寬），長度為1 m 的扁鋼表面積是58 000 mm2，可得知扁鋼的表面積大于圓鋼的表面積。

在廠房屋頂?shù)囊自饫讚舻倪吔翘幯b設避雷帶，女兒墻的接閃帶距屋面的距離小于：

式中：hr——第二類防雷建筑物選用的滾球半徑，取45 m；

d——女兒墻上接閃帶間的距離，取16 m；

S——接閃帶距屋面的距離，m。

所以必須在屋頂上敷設接閃網(wǎng)格，為了施工方便用規(guī)格為4 mm×25 mm（厚×寬）的熱鍍鋅扁鋼做成9.25 m×8 m（長×寬）的接閃帶網(wǎng)格。接閃帶的支架采用與接閃帶同規(guī)格的鍍鋅扁鋼，支架間的距離為1 m。

關于接閃帶的機械效應，接閃帶在強大的雷電流流過時，會產生沖擊性的電磁力，雷電流為首次正極雷，雷電流I=150 kA，電磁力為：

F=2×10-7×I2×l/d=520 N

式中：I——雷電流幅值，選用150 kA；

l——導體平行段的長度，取9.25 m；

d——導體平行直線段之間的距離，取8 m；

所以應牢固安裝接閃帶。

3.3 引下線

廠房周長為122 m，沿著屋頂四周做引下線7根，平均間距17.4 m。引下線采用規(guī)格為4 mm×25 mm（厚×寬）的熱鍍鋅扁鋼，在距地1.8 m 處設置斷接卡，并用不易日曬風化的塑料管保護。每隔1 m 做支持卡子，保證引下線的牢固和整齊美觀。

廠房附近的土壤電阻率ρ 為381.7 Ωm，接地體的有效長度=78 m。廠房環(huán)形接地體的周長為140.84 m。周長的一半大于接地體的有效長度。

所以環(huán)形接地體的引下線沖擊接地電阻值

式中：Rh——沖擊接地電阻，Ω；

ρ——廠房附近的土壤電阻率，取381.7 Ωm；

L3——接地體的有效長度，m；

h——水平接地體的埋設深度，取1 m；

d——水平接地體的等效直徑，取0.015 m；

A——水平接地極的形狀系數(shù)，取-0.18。

Rh小于規(guī)范要求的10 Ω，不用補加水平接地體。雷擊時流經(jīng)引下線的雷電流幅值是75 kA，會產生的瞬態(tài)過電壓411 kV，如圖3 所示，此時應注意引下線處的人身安全。需要做等電位聯(lián)結。

圖3 防雷引下線對行人反擊示意圖

引下線與被反擊物體的間隔距離為：

S≥0.06×K×Lc=0.05 m

式中：S——空氣中引下線與被反擊物體的間隔距離，m；

K——引下線的分流系數(shù)，取0.44；

Lc——被反擊物體的高度，取1.75 m；

實際設計中，要在引下線3 m 范圍內設護欄、警告牌，距離道路邊沿不宜小于3 m（海拔1 000 m 及以下地區(qū)500 kV 變電站在持續(xù)運行電壓情況下，相對地的距離是1.3 m）。

3.4 接地體

在廠房的四周布置人工接地體，扁鋼的尺寸為4 mm×25 mm（厚×寬）。接地體繞廠房一周設置，敷設在散水坡外，用混凝土保護起來（研究表明混凝土對接地導體的阻值影響不大）。距離墻的距離為1 m，敷設深度為1 m。

3.5 SPD（電涌保護器）的設置

在副廠房的中控室布置有公用LCU 屏、直流屏、水力量測屏，配電室有微機保護模塊，主廠房有機組LCU 屏等二次電子信息系統(tǒng)設備。雷電的直接雷擊，從廠房外電源線路的入侵，雷擊引下線的反擊等引起的電磁場效應都會影響該電子信息系統(tǒng)的正常顯示和運行。

處于廠房避雷帶保護外的為LPZ0A 區(qū)，處于保護內的為LPZ0B 區(qū)及后續(xù)的LPZ1、LPZ2 等，對于二級防雷建筑物的廠房來說，最大雷電流(即首次雷擊電流)150 kA，線路埋地敷設，中控室的總配電箱的一級SPD 的沖擊放電電流為：

式中:I——雷電流幅值，選用150 kA；

n——地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數(shù)，取3 根；

m——需要確定的那一回線路內導體芯線的總根數(shù)，取4 根；

Rs——屏蔽層或鋼管每千米的電阻，取1.4 Ω/km；

Rc——芯線每千米的電阻，取0.2 Ω/km；

S——單根導體的最小截面，mm2；

Iimp——一級電涌保護器SPD 的沖擊放電電流，kA。

選SPD 的規(guī)格為一級試驗的電涌保護器SPD（電壓開關型），電壓保護水平為2.5 kV，沖擊電流規(guī)格為12.5 kA。保護模式采用3+1 模式。電涌保護器SPD 的接線導體截面積最小可以是S=Iimp/8=0.75 mm2，但規(guī)范要求最小的導線截面積為6 mm2。

在LPZ2 區(qū)及以后的防雷保護區(qū)的SPD2、SPD3，為了與上一級電涌保護器SPD 的能量配合，SPD 的標稱放電電流分別為5 kA、3 kA。其中N 線與PE 線之間的SPD 標稱放電電流為20 kA、12 kA。電壓保護水平最低為1.5×0.8=1.2 kV（1.5 kV 為電子設備的耐沖擊電壓值）。有時也要根據(jù)設備具體要求來設置與該設備相適應的SPD。

4 總結

任何建筑物的防雷設置都不是百分百的有效，目前都屬于被動防雷，只能降低雷擊概率。根據(jù)工程地理位置的實際情況，我們確定該建筑物是否需要設置防雷保護，再去確定如何進行防雷設置。