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浅谈污水厂电气设计中的防雷设计
更新时间:2018-01-25 来源:《通讯世界》2014年2期 作者:顾琪

1、概述

  随着科技的进步,城市污水厂在改善人民生活环境中起着越来越大的作用,但在安全运行方面,雷电的影响也日益突出,因此防雷设计在污水厂电气设计中是一个应非常重视的环节。特别是《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010,以下简称《雷规》)的实施,对防雷工程设计的核心内容有了比较完整的规定,是防雷工程设计重要的国家标准。

2、防雷设计及应对措施

  污水厂的防雷设计大致包含防雷分类、防雷措施、防雷装置等内容,结合污水厂的规模与工艺处理所需达到的要求,每个工程的防雷设计内容有所不同。

2.1防雷分类

  《雷规》根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果,将建筑物的防雷分类分为三类:第一类防雷建筑物所包含的情况均为定性要求,第二类、第三类防雷建筑物所包含的情况除有定性要求外,还增加了按年预计雷击次数来确定建筑物的防雷分类。

  第一类、第二类防雷建筑物中的爆炸危险场所的划分按《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058-1992)要求分为爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境执行,第二类、第三类防雷建筑物中的火灾危险场所的划分按《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058-1992)中的火灾危险环境定义执行。

  按照《雷规》中的防雷分类,污水厂无第一类防雷建筑物;加氯间、污泥消化池、沼气柜、沼气过滤间、沼气压缩机房、沼气火柜等爆炸危险场所属于第二类防雷建筑物,预计雷击次数大于0.05次/a的火灾危险场所、预计雷击次数大于0.25次/a的一般性民用建筑物或一般性工业建筑物属于第二类防雷建筑物;预计雷击次数大于或等于0.01次/a且小于或等于0.05次/a的火灾危险场所、预计雷击次数大于0.05次/a,且小于或等于0.25次/a的一般性民用建筑物或一般性工业建筑物属于第三类防雷建筑物。

2.2建(构)筑物的防雷措施

  《雷规》规定各类防雷建筑物应设置外部防雷装置和内部防雷装置。外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成,内部防雷装置由防雷等电位连接和与外部防雷装置的间隔距离组成。各类防雷建筑物应采取防闪电电涌侵入的措施。以下污水厂各类建(构)筑物的防雷措施仅针对第二类、第三类防雷建筑物:

  2.2.1外部防雷装置

  (1)接闪器

  污水厂各类防雷建(构)筑物的接闪器可采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆,也可采用由接闪网、接闪带或接闪杆混合组成的接闪器,沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设,在整个屋面组成的网格,第二类防雷建筑物为不大于10m×10m或12m×8m,第三类防雷建筑物为不大于20m×20m或24m×16m。

  (2)引下线

  污水厂各类防雷建(构)筑物的引下线可利用钢筋混凝土屋顶、梁、柱、基础内的钢筋,若设置专设引下线,数量不应小于2根,并应沿建筑物四周和内庭院四周均匀对称布置,其间距沿周长计算的距离,第二类防雷建筑物为不应大于18m,第三类防雷建筑物为不应大于25m。

  从雷电分流的角度,污水厂各类防雷建(构)筑物在已设自然引下线的前提下,不必再设置专设引下线,只要条件许可,设置自然引下线是工程设计首选。

  (3)接地装置

  污水厂各类防雷建(构)筑物的接地装置可利用基础内钢筋网作为接地体,包括利用槽形、板形或条形基础的钢筋,也可在基础下面混凝土垫层内敷设人工环形基础接地体。采用共用接地装置的接地电阻应按50Hz电气装置的接地电阻确定,不应大于按人身安全所确定的接地电阻值。

  (4)装置连接

  污水厂各类防雷建(构)筑物的外部防雷装置中接闪器、引下线、接地装置应可靠连接,对于连接方式,《雷规》中明确提出:构件内有箍筋连接的钢筋或成网状的钢筋,其箍筋与钢筋、钢筋与钢筋应采用土建施工的绑扎法、螺丝、对焊或搭焊连接。单根钢筋、圆钢或外引预埋连接板、线与构件内钢筋应焊接或采用螺栓紧固的卡夹器连接。构件之间必须连接成电气通路。在设计时应同结构设计专业配合,明确相应装置的连接措施。

  (5)防闪电感应的措施

  污水厂第二类防雷建筑物中的危险建筑物、爆炸危险场所应采取防闪电感应的措施,具体做法可见《雷规》中相应的规定。

  2.2.2内部防雷装置

  (1)防雷等电位连接

  内部防雷装置应防止由于雷电流流经外部防雷装置或建筑物的其它导电部分而在需要保护的建筑物内发生危险的火花放电,为避免产生这类危险的火花放电,必须做防雷等电位连接。

  防雷等电位连接就是将防雷装置与下列诸物体之间互相连接以实现等电位:金属装置,建筑物金属体,建筑物内系统,从外部引入建筑物的外来导电物体和线路。

  上述互相连接的方法可采用:在那些自然等电位连接不能提供电气贯通之处用等电位连接导体,在用等电位连接导体做直接连接不可行之处用电涌保护器(SPD)连接;在不允许用等电位连接导体做直接连接之处用隔离放电间隙(ISG)连接。

  (2)电涌保护器(以下简称SPD)

  SPD的作用是快速泄放电涌电流,有效限制电涌电压,这两个功能是同时获得的,即在泄流过程中达到泄压,使电气、电子设备受到保护。设置SPD是保证外部防雷装置中防闪电电涌侵入措施及内部防雷装置中防雷等电位连接的重要措施。《雷规》中把SPD分为对电气系统和电子系统两部分的防护,本文只针对电气系统的SPD进行讨论。

  ①SPD选用原则

  选择SPD的重要参数为电压保护水平(Up)、冲击通流容量(Iimp、Imax、In)、最大持续工作电压(Uc)、保护模式(模块数量与接法)。

  SPD的有效电压保护水平Up/f必须小于需要保护的线路设备的耐冲击电压Uw,220/380V三相配电线路中Uw按《雷规》表6.4.4的规定取值。

  SPD应能承受在安装点上预计的放电电流。

  SPD的最大持续工作电压Uc的最小值按《雷规》表J.J.1的规定取值。

  SPD的保护模式按《雷规》附录J.1.2的规定选择。

  ②SPD的安装位置

  SPD的选择与安装是比较复杂的问题,它与当地雷害程度、雷击点的远近、高压与低压电源线路的接地系统类型、电源变电所的接地方式、线缆的屏蔽和长度情况等都有关联。SPD设置极数应综合考虑保护距离、电涌保护器连接导线长度、被保护设备耐冲击电压Uw等因素。

  在户外线路进入建筑物处(LPZ0A或LPZ0B进入LPZ1区),安装入口级SPD,用于泄放雷电流并将雷电冲击过电压降低。在需保护的各个设备(LPZ1-LPZ2或LPZ2-LPZ3)的中心附近(LPZ1或LPZ2),安装设备级SPD。

  在入口级和设备级之间(LPZ1或LPZ2),当距离很长且附近有需保护的对象时,经计算后可安装中间级SPD。

  ③电气系统入户处SPD设置

  污水厂设置防雷装置的建(构)筑物,SPD首先应安装在线路的引入端,这样被保护的设备就越多,根据《雷规》中相关的规定,污水厂的第二类、第三类防雷建筑物电源引入处SPD的选择见表1。

180125 浅谈污水厂电气设计中的防雷设计 (1).png

  ④防雷击电磁脉冲(以下简称LEMP)SPD设置

  《雷规》中第3.0.3条第2~4款所规定的第二类防雷建筑物应采取防LEMP措施,其他各类防雷建筑物,当其建筑物内系统所接设备的重要性高,以及所处雷击磁场环境和加于设备的闪电电涌无法满足要求时,也应采取防LEMP措施。

  LEMP是敏感电子设备遭受雷害的主要原因。LEMP通过传导、感应、辐射等方式从不同的渠道侵入建筑物的内部,致使电子设备受损。其中,电源线是LEMP入侵最主要的渠道之一。安装电源SPD是防御LEMP从配电线这条渠道入侵的重要措施。

  污水厂一般没有《雷规》中第3.0.3条第2~4款所规定的第二类防雷建筑物,但污水厂的综合楼(含中控室、化验室等)还是应采取防LEMP措施。

  户外线路进入建筑物处,即LPZ0A或LPZ0B进入LPZ1区,所需安装的电涌保护器按本章节“3)电气系统入户处SPD设置”确定;在LPZ2区和更高区的界面处,当需要安装SPD时,对电气系统宜选用Ⅱ级或Ⅲ级试验的SPD。

  为使建筑物内系统得到保护,安装的SPD应满足如下要求:

  a.确定SPD的有效电压保护水平Up/f;

  b.SPD在能量上应与上游的SPD配合好。

  ⑤电气系统设置SPD的保护距离

  污水厂各建(构)筑物按照《雷规》要求设置的SPD,是否要求在建筑物的各级配电系统中均设置或多级装设,对此,《雷规》中采用SPD的有效电压保护水平Up/f来判断是否需要装设SPD:如果上级SPD的有效电压保护水平Up/f不能保护末端设备的耐冲击电压值,此时就需要安装SPD。

  当确定从户外沿线路引入雷击电涌时,SPD的有效电压保护水平值Up/f的选择见表2。

180125 浅谈污水厂电气设计中的防雷设计 (2).png

  ⑥电气系统设置SPD之间的能量配合

  LEMP和操作过电压会危及电气系统和电子系统。除了采取等电位连接和接地、电磁屏蔽、合理布线等措施外,为避免雷电和操作引起的电涌通过配电线路损害电子设备,按IEC防雷分区的观点,通常在配电线路穿越防雷分区(LPZ)界面处安装SPD,这些SPD除了注意接线方式外,还应对它们进行精心选择并使之能量配合,以便按照各SPD的能量耐受能力分摊雷电流,把雷电流导引入地,使雷电威胁值减少到受保护设备的抗扰度之下,达到保护设备的效果,这就是多级电源SPD的能量配合。

  《雷规》中第6.4.5条第3款:“电涌保护器应与同一线路上游的电涌保护器在能量上配合,电涌保护器在能量上配合的资料应由制造商提供。若无此资料,Ⅱ级试验的电涌保护器,其标称放电电流不小于5kA,Ⅲ级试验的电涌保护器,其标称放电电流不小于3kA。”

  2.2.3其它防雷措施

  其它防雷措施按《雷规》中4.5.1、4.5.2、4.5.6、4.5.7条执行。

3、结语

污水厂的防雷设计是项系统工程,采用任何一种单一的防雷器件或方式都难以保证其安全,因此,必须采取综合防护措施,对症下药将各类可能引起雷害的因素排除,才能将雷害减少至最低限,保证污水厂的正常运行。现行规范《雷规》也是一部真正与IEC紧密结合的规范,在防雷领域的理论与实践中发挥出强大的作用。

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