某危险品工房的防雷设计研究本科毕设论文Word文档格式.docx
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2.2工房危险因素分析5
2.3工房防雷等级的划分6
2.4第一类防雷建筑物防雷技术要求6
2.4.1第一类建筑物防直击雷技术要求6
2.4.2第一类建筑物防感应雷技术要求7
2.4.3第一类建筑物防雷电波入侵的技术要求8
3危险品工房直击雷的防护9
3.1工房平面图9
3.2工房落雷频率计算9
3.3危险品工房直击雷的防护设计12
3.3.1接闪器的设计12
3.3.2引下线的设计15
3.3.3接地装置的设计15
3.4现代的防雷器的发展16
4危险品工房防雷电电磁感应设计17
4.1雷电电磁脉冲简介17
4.2浪涌保护器18
4.3防感应雷设计18
4.4防雷电波入侵设计18
4.5等电位连接设计19
5防雷装置管理20
5.1防雷装置的日常检查与维护20
5.2防雷档案管理20
5.3防雷装置的检测21
6结论22
参考文献23
致谢25
1.绪论
1.1雷电的危害
雷电不仅仅是一种雄伟壮观的自然景象，它更会给人类带来巨大的灾害[1]。
雷电是一种典型的天然强电磁脉冲，据统计，全球范围内每秒约发生100次闪电过程。
雷电放电通道的峰值电压高达数百万副伏，电流达几十万安，电流上升率达几万安/微妙。
因此，在放电通道周围会产生强大的电磁感应效应、热效应、电动力效应、高电压波入侵和电磁辐射效应，对附近的建筑物、人员和电子设备构成严重威胁[2]。
雷电的主要危害分为两类：
一是雷直接击在建筑物上发生热效应作用和电动力作用；
二是雷电的二次作用，即雷电流产生的静电感应和电磁感应。
雷电的具体危害表现如下：
（1）雷电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害。
（2）雷电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量热能，在雷击点的热量会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸。
（3）雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象导致财产损失和人员伤亡。
（4）雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷，当雷电消失来不及流散时，即会产生很高电压发生放电现象从而导致火灾。
（5）雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流可引起变电器局部过热而导致火灾。
（6）雷电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置或电气线路断路而燃烧导致火灾。
1.2国内外关于雷电防护的研究
国内对防雷技术发展的研究及现状：
自从1990年，国际电工委员会颁布了建筑物防雷标准IEC1024-1，正式定义了雷电流标准波形和参数，作为防雷研究的依据，规定了用峰值电流I、电流上升率、波头（或者波前）时间T
、半峰值时间T
描述电流[3]。
我国第一部《建筑物防雷设计规范》GBJ57-83于1983年11月公布，紧接着于1994年4月颁布了第二部《建筑物防雷设计规范》GB50057-94，此规范吸收了许多的外国的先进的防雷技术，并将接闪器保护范围的计算方法改为IEC推荐的“滚球法”并结合我国的防雷设计的实际经验增加了许多新的条款。
1998年—2000年期间，受国家电力公司的委托，由广东电力试验研究所牵头与原中国科学院兰州高原大气物理研究所及武汉水利电力大学合作在广东从化（1998--1999）及韶关地区（1999--2000）进行了火箭引雷试验，对闪电通道底部电流进行测量，并研究半导体消雷器的防雷效果[4]。
试验采用火箭拖带的细钢丝直接接地和通过100m左右的绝缘尼龙线再经过电流测试装置和大地连接两种方式。
前者是传统的引雷方式，可以模拟高层建筑物激发的上行雷；
后者称为空中引雷方式，可以模拟下行雷与地面目标的连接，试验共取得5次成功，其中有3次空中引雷被高速摄像机记录到，1999年实验地点与1998年相同，重点是研究半导体消雷器的防雷效果，共有效发射20发火箭，都是采用钢丝经6m的尼龙线和消雷器相连接的方式以保证人工引雷能击中消雷器，试验记录到有意义的数据和图像一共11次，其中8次成功地将雷电网地电位升高，快慢电场变化高速摄像等一批综合观测资料。
国外对防雷技术的研究以及现状：
20世纪90年代以前，国际和国内的标准、规范都缺少关于雷电电磁脉冲防护的规定，1992年，国际电工委员会防雷专委会（IEC-TC/81）开始讨论这个问题，1995年2月，该机构发布了国际标准《雷电电磁脉冲的防护》IEC1312-1、2、3，分别对雷电电磁脉冲的定义、分区防护和过电保护器件测试做出了规定。
20世纪90年代以后，防雷工程主要致力于改进避雷装置以减小雷电流峰值和上升率，减弱电磁辐射[5]。
比如：
美国、意大利和我过先进的公司都应该有生产此设备；
采用优化避雷针抑制雷电流上升速率；
使用有源避雷针，屏蔽地面上行先导等，但经过实践证明上诉改进并不理想，都存在流通能力低、抗风能力差、成本高和引雷的致命弱点。
美国国家航天局在20世纪80年代中期就将雷电预警系统用于航天器材发射。
另外，主动预防雷电技术也已经有所发展，1997年1月日本科学家用CO
激光引发雷电，病获得了初步的成功,以飞秒激光等为代表的高功率激光技术的发展，给激光消雷技术带来了光明的应用前景；
美国海军曾经试验用水下爆炸的方法激起水柱引发雷雨云放电，以避免对军舰的威胁。
1.3防雷技术的发展
近代雷电发展是从1752年富兰克林发明了尖头避雷针到科学家们发现大气电场的存在，以及对大气电场从定型到定量的转变，加之科学家们的不断努力，最终奠定了现代雷击及其电磁脉冲防护的理论基础[5]。
第二次世界大战期间，由于雷暴威胁飞机和气球飞行，干扰无线电通信，没的双方都投入了大量的人员进行研究，加上雷达和航空技术的进步，为雷电科学提供了新的测量手段，Schonland（1956年）和Berger（1966年）先后提出闪击由先导放电和主放电两个发展阶段组成[6]。
原始的防雷技术是在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，雷电过电压下间隙击穿接地，放电降压而起到保护线路或设备绝缘的作用。
保护间隙，其两极由角形棒组成，一极固定在绝缘件上连接带电导线，而另一极接地，间隙击穿后电弧在角形棒间上升拉长，电弧电流较小时可以自行熄弧，电弧电流大到几十安培以上时就不可能自行熄弧；
雷电过电压时，单相、两相或三相间隙都可能击穿接地，造成接地故障、两相或三相间短路故障，以致线路电源断路器保护动作分闸。
管型避雷器，是一种具有喷气熄弧功能的间隙装置，它有内外两个间隙，外间隙类似保护间隙，两极均固定在绝缘件上，内间隙置于避雷器管内，当雷电过电压内外间隙击穿时，雷电流和工频短路电流经管内壁接地，管壁物质受热气化，有较大压力气体经内间隙喷出管外，强制间隙熄弧。
管型避雷器的选用受安装地点最大、最小短路电流制约，最大短路电流大于避雷器的断流上限时避雷器会爆炸；
短路电流小于避雷器的断流下限时就不能熄弧，避雷器可能烧坏。
另外管型避雷器多次动作后，管内径会逐渐增大，熄弧能力会下降甚致消失。
保护间隙和管型避雷器都是靠间隙击穿接地放电降压起到保护作用，这种作用同时会造成接地故障或相间短路故障，保护作用不完善是显见的，在现行防雷保护中仅将它们限用于线路防雷，并尽量与自动重合闸装置配合，以减少线路停电事故。
而对于电气设备防雷多采用阀型避雷器，它像似带有自动闸阀器具，在过电压下自动开闸泄流降压，恢复运行电压时闭闸断流，这种保护作用是靠避雷器内电阻元件的限流限压作用实现的，过电压下电阻元件可将雷电流限制在5kA内，电压（即残压）限制在设备的雷电冲击绝缘水平以下；
有些电阻元件在运行电压下仍有电流（即续流）通过，长时续流会使其损坏，故一般需加串联间隙隔离运行电压，并靠间隙灭弧和切断续流。
避雷器的电阻元件可避免电力系统直接接地或相间短路故障，其保护作用不会影响电力系统的正常安全运行，是阀型避雷器突出优点。
阀型避雷器的发展已有几代产品。
总之，雷电防护技术已经由单纯的重视直击雷和强电防护转向直击雷和雷电磁脉冲并重，强电防护与弱电防护并举，在防护方法上，从分流，等电位连接，接电针对传导过电压的防护方法，发展到包括电磁场所防护的屏蔽，滤波等技术的综合防雷技术。
1.4本课题研究的目的和意义
随着经济的不断发展，社会的不断进步，危险品已经深入我们的日常生活中。
石矿行业所采用的炸药；
工业硫酸的生产；
化肥的生产；
乙炔气的制备等等一切，都是危险品。
危险品是指易燃、易爆、有强烈腐蚀性的物品的总称。
如汽油、炸药、强酸、强碱、苯、萘、赛璐珞、过氧化物等。
不仅仅产品是危险的，而且它们的生产过程也是相当危险的，因此一旦此类工厂发生事故，那将造成不可估量的损失。
因此，在放电通道周围会产生强大的电磁感应效应、热效应、电动力效应、高电压波入侵和电磁辐射效应，对附近的建筑物、人员和电子设备构成严重威胁，对于现代工业的危险品工房来说，其一生产量大；
其二现代化的生产机器比较多，比如半自动化，自动化的生产机器等等。
雷电的直击雷危害以及电磁感应危害都会对危险品工房造成不可估量的损失，因此对于现代化的工业厂房，尤其是此类危险品工房而言，对其进行严密的防雷设计是必不可少的。
必须保证此类工房的安全性质。
2危险品工房的防雷等级划分
2.1工房概况
此工程位于山西省一处比较偏远的地方，这个工房分为两部分，第一部分是控制室，里面主要是一部大型的电子信息控制设备；
第二部分是生产间，里面分为炸药准备区，弹体准备区，炸药融化混合区，保温冷却区以及一个临时库存区。
里面的一切操作均由操作手进行操作，人利用控制室里的设备进行操作。
关于生产工艺流程，该工艺主要用于TNT、梯黑铝、梯铝、梯黑等混合炸药。
TNT的熔点只有80℃可做溶剂，加入HMX可提高威力，在装药时装药过程抽真空以消除缺陷，防止炸药后出现气泡或者产生裂纹。
保温冷却，在低比压冷却罐里用热芯棒逐层冷却，8小时之后再进行自然冷却，这种装药需要连续混药，防止有界面断层出现。
这条生产线实现了半自动化生产，但是仍需要人的干预，总控制室在土围外。
2.2工房危险因素分析
主要爆炸性物品分析：
TNT：
是一种烈性炸药，呈黄色粉末或鱼鳞片状，难溶于水，可用于水下爆破。
由于威力大，常用来做副起爆药。
爆炸后呈负氧平衡，产生有毒的一氧化碳，故不适用于地下工程爆破。
它是一种带苯环的有机化合物，溶点为摄氏81度。
它带有爆炸性，常用来制造炸药。
它经由甲苯的氮化作用而制成。
炸药的数量有被使用作为能量单位，每公斤可产生420万焦耳的能量，1000吨TNT相等于4.2兆焦耳，一百万吨相等于4200兆焦耳。
其分子量227.13。
白色或苋色针状结晶，无臭，有吸湿性;
蒸汽压0.01kPa（82℃）；
熔点81.8℃；
沸点280℃（爆炸）；
溶解性:
不溶于水，微溶于乙醇，溶于苯、芳烃、丙酮；
密度:
相对密度（水=1）1.65;
稳定性:
稳定；
危险标记1（爆炸品）；
主要用途:
用于制造染料、医药、炸药，也作试剂等。
RDX：
黑索金作为一种高能单质炸药，具有威力大，猛度高，化学安定性好等优点，广泛用于制造雷管、传爆药和导爆索。
钝化黑索金以及黑索金制成的混合炸药用于炮弹、航弹、火箭（导弹）战斗部以及鱼雷、水雷、地雷等爆炸威力大的炸药装药，并在高能发射药和推进剂中作为一种组分获得了应用。
纯的黑索金的熔点为：
204.5～205℃，压药密度为1.77g/cm
时，爆速达到8600m/s，是最好的高能炸药之一。
制备的黑索金由于含有少量的奥克托今而熔点略低。
AL：
铝有很大的能量，能释放出很多的热量。
比如通过我们学过的铝热反应就能清楚的想到铝的热量是非常大的。
其一旦被引燃，将或造成严重的经济损失和人员伤亡。
2.3工房防雷等级的划分
本工程分为3个部分，总控制室、生产间、临时库房，其中生产间和临时库房主要进行危险作业和储存危险品，定为1区爆炸危险环境，没有大型电子设备，主要进行直击雷的防护。
总控制室没有危险作业，其中有一台大型电电磁的电子设备，主要需要进行防雷电感应以及防雷电波入侵的设计。
依据GB50057—2010版《建筑物防雷设计规范》相关规定如下：
（1）凡制造、使用或贮存炸药、火药、起爆药、火工品等大量爆炸物质的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。
（2）具有0区或10区爆炸危险环境的建筑物。
（3）具有1区爆炸危险环境的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。
凡是满足上述要求的建筑物都属于第一类防雷建筑物。
爆炸危险性是指制造、使用或存储大量爆炸物质，如火药、炸药、起爆药、火工品等，在电火花作用下或引起强烈爆炸，造成巨大破坏和人身伤亡；
以及在正常情况下爆炸性气体、可燃性粉尘或纤维/空气混合物可能会连续、短时间频率出现或长时间存在的这类爆炸危险场所。
如火炸药生产车间、乙炔站、电石库和汽油提炼车间等[7]。
所以，本论文所阐述的工程是属于第一类防雷建筑。
2.4第一类防雷建筑物防雷技术要求
2.4.1第一类建筑物防直击雷技术要求
（1）装设独立避雷针或架空避雷线，使被保护建筑物及突出屋面的物体（如风帽、放散管等）均处于被保护范围之内；
对排放有爆炸危险性气体或粉尘的管道，保护范围应高出管顶2m以上。
对于使用独立避雷针或架空避雷线时应有独立接地装置，冲击接地电阻应不大于10Ω。
（2）对于难以装设独立避雷针或架空避雷线的场所，可在建筑物上装设避雷针或沿整个屋面装设网格不大于6×
6m的避雷网。
装设均压环时环间垂直距离不大于12m，并于建筑物内金属结构及设备相连，可利用电力设备接零干线或接地干线作均压环。
对排放爆炸危险性气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀及排风管等，管顶及附近避雷针针尖应高出管顶3m以上，保护范围应高出管顶2m以上。
（3）排放爆炸危险气体，蒸汽或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等的管口外的以下空间应处于接闪器的保护范围以内，当有管帽时，应按表2—1确定，当无管帽时，应为管口上方，半径为5m的半球体。
接闪器与雷闪的接触点应设在上述空间之外。
表2—1有管帽的管口处于接闪器保护范围内的空间
装置内的压力与周围空气压力的压力差（kpa）
排放物的比重
管帽以上的垂直高度（m）
距管口处的水平距离（m）
﹤5
重于空气
1
5～25
2.5
5
≦25
轻于空气
﹥25
重或轻于空气
（4）排放爆炸危险气体、蒸汽或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管等，当其排放物达不到爆炸浓度，长期点火燃烧，一排放就点火燃烧时，及发生事故时排放物才达到爆炸浓度的通风管、安全阀，接闪器的保护范围可仅保护到管帽，无管帽时可仅保护到管口。
（5）独立避雷针的杆塔、架空避雷线的端部和架空避雷网的各支柱处应至少设一根引下线。
对用金属制成或有焊接、绑扎连接钢筋网的杆塔、支柱，宜利用其作为引下线。
2.4.2第一类建筑物防感应雷技术要求
（1）建筑物内的设备、管道、构架、电缆金属外表、钢屋架、钢窗等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属物，均应接到防雷电感应的接地装置上。
（2）金属屋面周边每隔18—24m应采用引下线接地一次。
对于现场浇制的或由预制构件组成的钢筋混凝土屋面，其钢筋宜绑扎或焊接成闭合回路，并应每隔18—24m采用引下线接地一次。
（3）防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，对于有特殊要求的电力、电子设备接地装置，在不能共用时也可分开设置。
（4）对于平行敷设的长金属物体，当净距离小于100mm时应每隔20～30m用金属线进行跨接；
交叉净距离小于100mm时也应用金属线跨接；
当管道连接处不能做到保持良好金属连接时，也应用金属线跨接。
2.4.3第一类建筑物防雷电波入侵的技术要求
（1）全长采用直接埋地电缆，入户处电缆金属外皮与防雷电感应接地装置相连。
（2）采用长度不小于50m的金属铠装电缆直接埋地引入，入户处电缆金属外皮与防雷电感应接地装置相连，电缆与架空线路连接处装设阀型避雷器，并与电缆金属外皮和绝缘子铁脚一起接地，且冲击接地电阻不应大于10Ω。
（3）金属管道入户处应与防雷电感应接地装置相连，管道入户处及邻近100m内要求每隔25m左右接地一次，且要求各冲击接地电阻不应大于20Ω。
3危险品工房直击雷的防护
3.1工房平面图
要对一个建筑进行防雷设计，必须了解其规模大小，包括最基本建筑的长、宽、高，以及功能分布。
此工房是一个长为80m，宽为10m，高度为5m的生产工房。
平面图如图3.1所示：
3.2工房落雷频率计算
雷电发生的频率是对雷电防护的一个至关重要的数据资料，每个国家的不同地区每年的落雷概率是不一样的，我们可以根据各个地区的不同情况，来针对其特点制定相应的防雷条框，根据这个来设计进行防雷工程。
对于雷击事件而言，经常落雷的区域以及建筑物上常有的遭受雷击的部位都存在一定的统计规律，因此掌握这些规律并采取有针对性的防护措施，对减少雷击事件的发生是具有非常重要的作用的[8]。
易于受雷击的部位主要包括以下几方面：
（1）缺少避雷设备或避雷设备不合格的高大建筑物、储罐等；
（2）没有良好接地的金属屋顶；
（3）潮湿或空旷地区的建筑物、树本等；
（4）由于烟气的导电性，烟囱特别易遭雷击；
（5）建筑物上有无线电而又没有避雷器和没有良好接地的地方[9-11]。
对于建筑物防雷等级的划分来说，是要考虑很多因素的，而建筑物年雷击率是建筑物防雷设计的重要依据，我国现行的防雷设计规范GB50057—2010中给出了建筑物年雷击率n（次/年）的计算公式：
（3.1）
式中：
——建筑物预计雷击次数（次／a）：
——校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：
位于旷野孤立的建筑物取2；
金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；
位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；
Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·
a）a］；
——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。
对于雷电发生的频率来说，我们一般采用两种方法进行描述：
雷暴日和落雷密度。
那么，什么是雷暴日呢？
即以一年的当中该地区有多少天发生人耳能听到雷鸣来表示该地区的雷电活动强弱，雷暴日的天数越多，表示该地区雷电活动越强；
反之则越弱。
因为人耳能听到的范围有限，一般距离在15km左右，所以雷暴日只能反映局部地区的雷电活动情况。
那么什么是落雷密度呢？
落雷密度是1km2范围内一年总共发生的雷电次数[12,13]。
经过几代科学家们的共同努力终于发现，一个地区的落雷密度和暴日是相关的，满足一下公式：
（3.2）
——落雷密度（次/（km
·
年））；
——雷暴日（天/年）。
无论是雷击风险评估还是防雷装置设计审核,对建筑物等效面积的计算都是必不可少的。
建筑物等效面积能够直接影响到年预计雷击次数以及雷击风险值的计算,对建筑物防雷设计或风险评估具有重要的意义。
建筑物等效面积应为其实际平面积向外扩大后的面积。
其计算方法应符合下列规定：
（1）当建筑物的高H小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算确定
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