娄底市污水处理厂防雷工程设计.docx

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娄底市污水处理厂防雷工程设计

分类号：

TM862UDC：

D10621-408-（2013）0629-0

密级：

公开编号：

2009024066

成都信息工程学院

学位论文

娄底市污水处理厂综合防雷设计

论文作者姓名：

申请学位专业：

雷电防护科学与技术

申请学位类别：

工学学士

指导教师姓名（职称）：

论文提交日期：

2013年06月14日

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：

日期：

2013年06月01日

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）

签名：

日期：

2013年06月01日

娄底市污水处理厂综合防雷设计

摘要

随着城市规模不断扩大，人口不断增长，城市用水资源日益短缺，需要更加环保有效的治理。

因此污水处理厂在水循环中起着核心作用。

污水处理厂在降低成本的同时，也要求整个系统的高效率运行，所以近年来大量电子测量设备以及自动化控制设备也大量投入使用。

然而与传统的工艺相比，电子系统对电涌的抵抗能力很差。

敏感电子设备很难在大的电流冲击下保持完好。

再加上污水处理厂一般都位于露天开阔地段，设备分布分散，就进一步增加由于雷电放电或者电磁脉冲侵袭带来的风险。

一旦设备损坏，对整个城市水循环造成停滞，则会有更严重的后果。

为了有效地应对这种威胁、提高系统地可利用率，必须采取外部和内部的综合防雷措施。

因此本设计除了采取常规建筑的内部和外部防雷措施，用到了等电位，SPD等方法来加强防止电磁脉冲以及地电位反击。

关键词：

自动化控制，电磁脉冲，综合防雷，SPD，等电位

LightningandSurgeProtectionforSewagePlantsinLoudi

ABSTRACT

Withenlargingofthecityandthegrowthofpopulation,thelackofwaterresourceisbecomingaproblem.Sothatwaterrunningshortrequireamoreefficienttreatment.Therefore,sewageplantsplayacentralroleinthecircleofwater.Nowthereareconsiderablefinancialeffortsforelectronicmeasuringequipmentanddecentralizedelectroniccontrolandautomationsystems.However,thenewelectronicsystemsprovidealowresistanceagainsttransientsurges.Thestructuralconditionsofthespaciousopen-airplantswithwastewatertreatmenttechnologyandspreadmeasuringdevices,soitishighlyprobabletoexpectthatifonlythesystemfailed,therewereundefinablelost.

Inordertocomeuptothethreateffectivelyandincreasetheavailabilityofthesystems,externalandinternallightningprotectionmustbeprovided.

Keywords:

sewageplants,lightningprotection,comprehensiveprotection

第一章绪论

1.1雷电危害性

雷电是一种自然放电现象。

由于雷电放电电压高、放电时间短，它的产生人类目前无法控制。

雷云的生成、移动、放电的整个过程伴随多种物理效应，如：

静电感应、高温高热、电磁辐射、光辐射等，这些物理效应的共同作用，已严重危害建筑物弱电设备的安全运行，甚至危及人员的安全。

雷电灾害严重性还表现在波及面广。

主要有两个方面的因素，首先积聚大量电荷的雷云有较大的活动范围及其放电过程的辐射范围可覆盖达几十公里的范围，其次地面各种网络（电力、通信等网络）的相互渗透、错综复杂。

使雷电灾害的范围进一步扩大。

根据气象站的观测情况统计，娄底市年平均雷暴日为50天，排在全省地级市第3位，是湖南省雷暴多发区域。

据气象资料分析，每年的5月至9月是雷雨高发季节，而从7月到9月是雷击事故的多发季节。

虽然这段时期雷电频率较前几年有所下降，但是雷电强度增大，容易造成灾害事故，如图1-1所示。

图1-1雷电危害示意图

实现雷电防护的基本原理是提供一个使雷电过压过电流及雷击电磁脉冲对地泄放的合理途径，而不是任其随机的选择放电通道。

其含义是控制雷击能量的泄放与转换。

从综合防护上讲一个完整的防雷系统应该包括三方面：

直击雷的防护、传导雷（雷电波侵入）防护、雷电电磁脉冲的防护，缺少任何一面都是不完善和有潜在危险的。

1.1.1直击雷的危害

1、雷电流的电效应

由安培定律可知两平行导体间作用力公式

（1-1）

由此可知，对于平行导线，此力足以导致其产生位移；对于弯曲导线，此力有可能造成其折断。

此外，雷（雨）云迅速放电造成放电通道周围空气突然收缩或膨胀会产生0.1至10Hz的次声波，对人、畜也会有伤害作用。

2、雷电流的机械力

由于瞬间产生大量的热量，致使物体内部的水分剧烈蒸发变成气体，气体膨胀形成的机械作用可使树木劈裂、房屋倒塌、器物爆裂、爆炸。

3、雷电流的热效应

如果雷电流通过金属体的截面较小温升达到熔点可导致金属物体熔化或非金属易燃物体燃烧。

1.1.2闪电感应的危害

1、静电感应

当金属物体或架空线处于雷云和大地所形成的电场中时，导体上就会感应出与雷云相反的电荷。

当雷云对线路附件的地而发生主放电时，先导通道中的电荷自下而上迅速中和，导体上的束缚电荷成为自由电荷，向线路两侧传播形成雷电电磁脉冲电压冲击波，这个感应电压的幅值与雷电流的幅值成正比，与雷击点到导线的距离成反比。

2、电磁感应

接闪器发生接闪时，巨大的能量会在瞬间流过防雷引下线对地泄放，在防雷引下线的周围会感应出强大的瞬变的电磁场，处在这个电磁场中的。

导体就会感应出较大的电动势。

如果在附近存在闭合的回路，回路上就会感应出感应电流，当自控系统的信号线近距离经过，就会在信号线回路中感应出强电流浪涌，可能击穿控制模块和变送器，损坏设备。

1.1.3闪电电涌的危害

直击雷雷电的不到50%的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地，其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流，其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通建筑物的其他金属管道、缆线分流。

这里的能量分配比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。

雷电接闪后，雷电流在泄放过程中在导体上产生的高电压或电位差对其它物体产生的电击现象为电流反击。

一般分为“击穿反击”和“传导反击”，其中“传导反击”中的“地电位反击”对信息系统的影响最人。

所谓“传导反击”是指雷电被接闪后，雷电流在泄放过程中，在流经的接地体、引下线以及与之相连的导体上形成的电位差，此电位差通过线缆、连接导体（包括SPD）传导耦合到仪表、电气设备的线路接口上而击坏仪表和电气设备，如图1-2（a-b）所示。

图1-2（a）地电位反击

图1-2（b）雷电波随信号线入侵

1.1.4雷击电磁脉冲的危害

雷击电磁脉冲是指雷电流经电阻、电感、电容耦合产生的电磁效应，包含闪电电涌和辐射电磁场。

电磁干扰的传输途径可分为两大类：

传导干扰和辐射干扰。

传导干扰是通过干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗进行传播的，辐射干扰是通过电磁波进行传播的。

两者之间会相互转换，辐射干扰经过导线可转换成传导干扰，传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。

例如雷电泄放即为这一相互转换的典型过程，如图1-3所示。

图1-3雷电通过耦合侵入导线回路

电磁干扰信号按其出现的方式，可分成两种模式：

差模干扰和共模干扰。

以串联的方式出现在信号源回路之中的干扰信号称为差模干扰，主要是由长线路传输的互感耦合所致。

而共模干扰则是由网络对地电位发生变化而引起的干扰，共模干扰有时也称为对地干扰，它是造成自动化装置不能正常工作的主要原因。

在远处雷击情况下，行波电涌沿信号线路传播，产生的感应或传导的浪涌电压和浪涌电流影响可达2km外的电子设备。

分雷电流在信号电缆中流动时，将产生纵向与横向电压。

芯线和电缆的金属屏蔽层之间产生的纵向电压，施加在所连接的电子设备的输入端与接地外壳之间的绝缘层上。

芯线之间产生的横向电压，施加在所连接电子设备的输入端。

浪涌电流在信号线上主要通过电阻性耦合、电感性耦合、电容性耦合损伤线路上和所连接的电子设备，目前的电子设备通常只能耐受数千伏的击穿电压，远远低于浪涌产生的数万伏或者数十万伏过电压的威胁，LEMP干扰如图1-4所示。

图1-4雷电电磁脉冲干扰

第二章污水处理厂综合设计思想

2.1雷暴日等级的划分

根据年平均雷暴日数将雷暴发生的地区划分为：

少雷区、中雷区、多雷区、强雷区。

少雷区：

年平均雷暴日在25d及以下的地区；

中雷区：

年平均雷暴日大于25d，不超过40d的地区；

多雷区：

年平均雷暴日大于40d，不超过90d的地区；

强雷区：

年平均雷暴日超过90d的地区。

娄底市年平均雷暴日为50天，属于多雷区。

2.2雷电防护区划分

雷电防护区的划分应根据需要保护和控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同的雷电防护区（LPZ），如图2-1所示。

图2-1雷电防护区划分

对雷电电磁脉冲（LEMP）的防护是基于雷电防护区（LPZ）概念：

包含被保护系统的空间可划分成LPZ这些区域是理论上指定的空间，某空间的LEMP严重程度和该空间内的内部电子信息系统的耐受水平相匹配。

根据LEMP强度的显著变化划分连贯的区域，如表2-1所示。

表2-1防雷保护区

防雷分区

分区概念

LPZ0A

本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，都可能遭到直接雷击；本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。

LPZ0B

本区内的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内，应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击；但本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷防护区。

LPZ1

本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各类导体的电流比LPZ0B区进一步减小；且由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场强度也已得到了初步的衰减。

LPZ2

为进一步减小所导引的电流或电磁场而增设的后续防护区。

2.3雷击风险评估方法

2.3.1计算年预计雷击次数确定建筑物的防雷分类

在可能发生对地闪击的地区，遇下列情况之一时，应划为第三类防雷建筑物：

1、省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆。

2、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的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物，以及火灾危险场所。

3、预计雷击次数大于或等于0.05次/a，且小于或等于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物。

4、在平均雷暴日大于15d/a的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15d/a的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物。

2.3.2计算防雷装置的拦截效率确定电子信息系统雷电防护等级

按防雷装置的拦截效率确定雷电防护等级

1、建筑物及入户设施年预计雷击次数N值可按下式确定：

（2-1）

N1——建筑物年预计雷击次数（次/a），

N2——建筑物入户设施年预计雷击次数（次/a），

2、建筑物电子信息系统设备因直接雷击和雷电电磁脉冲可能造成损坏，可接受的年平均最大雷击次数NC可按下式计算：

（2-2）

式中：

C——各类因子，

3、确定电子信息系统设备是否需要安装雷电防护装置时，应将N和Nc进行比较：

当N小于或等于Nc时，可不安装雷电防护装置；

当N大于Nc时，应安装雷电防护装置。

4、安装雷电防护装置时，可按下式计算防雷装置拦截效率E:

（2-3）

5、电子信息系统雷电防护等级应按防雷装置拦截效率E确定，并应符合下列规定：

当E大于0.98时，定为A级；

当E大于0.90小于或等于0.98时，定为B级；

当E大于0.80小于或等于0.90时，定为C级；

当E小于或等于0.80时，定为D级。

风险评估的N和Nc的计算方法

建筑物及入户服务设施年预计雷击次数N的计算

建筑物年预计雷击次数N1可按下式确定：

（次/a）（2-4）

式中：

K——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的建筑物取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，以及特别潮湿地带的建筑物取1.5；

Ng——建筑物所处地区雷击大地密度（次/km2·a）；

Ae——建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

建筑物所处地区雷击大地密度Ng可按下式确定：

（次/km2·a）（2-5）

式中：

Td——年平均雷暴日（d/a），根据当地气象台、站资料确定。

建筑物的等效面积Ae的计算方法应符合下列规定：

（1）当建筑物的高度H小于100m时，其每边的扩大宽度D和等效面积Ae应按下列公式计算确定：

（m）（2-6）

（km2）（2-7）

式中：

L、W、H——分别为建筑物的长、宽、高（m）。

（2）当建筑物的高H大于或等于100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高H计算。

建筑物的等效面积应按下式确定:

（km2）（2-8）

（3）当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点计算出最大的扩大宽度，其等效面积Ae应按各最大扩大宽度外端的连线所包围的面积计算。

建筑物扩大后的面积如图2-2中周边虚线所包围的面积。

图2-2建筑物的等效面积

入户设施年预计雷击次数N2按下式确定：

（次/a）（2-9）

式中：

Ng——建筑物所处地区雷击大地密度（次/km2·a）；

Td——年平均雷暴日（d/a），根据当地气象台、站资料确定；

A´e1——电源线缆入户设施的截收面积（km2），按表2-2的规定确定；

A´e2——信号线缆入户设施的截收面积（km2），按表2-2的规定确定。

表2-2入户设施的截收面积

线路类型

有效截收面积A´e（km2）

低压架空电源电缆

2000×L×10-6

高压架空电源电缆（至现场变电所）

500×L×10-6

低压埋地电源电缆

2×ds×L×10-6

高压埋地电源电缆（至现场变电所）

0.1×ds×L×10-6

架空信号线

2000×L×10-6

埋地信号线

2×ds×L×10-6

无金属铠装和金属芯线的光纤电缆

0

注：

L是线路从所考虑建筑物至网络的第一个分支点或相邻建筑物的长度，单位为m，最大值为1000m，当L未知时，应取L=1000m。

ds表示埋地引入线缆计算截面积时的等效宽度，单位为m，其数值等于土壤电阻率的值，最大值取500。

C——各类因子C1、C2、C3、C4、C5、C6之和；

C1——为信息系统所在建筑物材料结构因子，当建筑物屋顶和主体结构均为金属材料时，C1取0.5；当建筑物屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料时，C1取1.0；当建筑物为砖混结构时，C1取1.5；当建筑物为砖木结构时，C1取2.0；当建筑物为木结构时，C1取2.5；

C2——信息系统重要程度因子，表4.3.1中的C、D类电子信息系统C2取0.5；B类电子信息系统C2取1.0；A类电子信息系统C2取3.0；

C3——电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子，一般，C3取0.5；较弱，C3取1.0；相当弱，C3取3.0；

注：

“一般”指现行国家标准《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：

原理、要求和试验》GB/T16935.1中所指的I类安装位置的设备，且采取了较完善的等电位连接、接地、线缆屏蔽措施；“较弱”指现行国家标准《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：

原理、要求和试验》GB/T16935.1中所指的I类安装位置的设备，但使用架空线缆，因而风险大；“相当弱”指集成化程度很高的计算机、通信或控制等设备。

C4——电子信息系统设备所在雷电防护区（LPZ）的因子，设备在LPZ2等后续雷电防护区内时，C4取0.5；设备在LPZ1区内时，C4取1.0；设备在LPZ0B区内时，C4取1.5～2.0；

C5——为电子信息系统发生雷击事故的后果因子，信息系统业务中断不会产生不良后果时，C5取0.5；信息系统业务原则上不允许中断，但在中断后无严重后果时，C5取1.0；信息系统业务不允许中断，中断后会产生严重后果时，C5取1.5～2.0；

C6——表示区域雷暴等级因子，少雷区C6取0.8；中雷区C6取1；多雷区C6取1.2；强雷区C6取1.4。

2.4雷电保护的整体概念

2.4.1现代防雷技术系统

接闪器、引下线（建筑物钢筋）和接地等构成的外部防雷系统，主要是为了保护建筑物本体免受雷击引起的火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止雷电电磁脉冲和其他形式的过电压侵入设备造成损坏，这是外部防雷系统无法保证的。

现代防雷技术主要有“ABCDEGS”七点：

1、A-Avoid躲避

2、B-Bonding等电位连接

3、C-Conducting传导

4、D-Dividing分流

5、E-Elimilating消雷

6、G-Gounding接地

7、S-Shileding屏蔽

2.4.2外部防雷

外部防雷包括接闪针、接闪带、引下线、接地极等，其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过接闪器（带）、引下线等泄放入大地。

如果无直击雷防护，几乎所有雷电流都流经进出建筑物的导体型线路（如电源线、信号线等）侵入设备，这样的损害就非常之严重，因此做好直接雷击防护是做雷电电磁脉冲防护的前提；直击雷防护按照国标GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》设计和施工，主要使用接闪针、避雷网、避雷线、接闪带及良好的接地系统，其目的是保护建筑外部不受雷击的破坏，给建筑物内的人或设备提供一个相对安全的环境。

在接地装置参数中，对于接地线，主要考虑它的电感，而忽略它的电阻;对于接地，则主要考虑它的接地电阻，而忽略它的电感。

通常的单根钢筋接地引下线，其电感可按每米1微亨（1μH/m）计算。

而接地网的接地电阻国标中已有要求，如果实测接地电阻比国标的要求小，计算时按国标的要求进行数值计算，如果实测接地电阻比国标的要求大，就按实测的接地电阻进行计算。

2.4.3内部防雷　

内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。

通过在需要保护设备的前端安装合适的电涌保护器，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体，将可能进入的雷电流阻拦在外，将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地，确保后接设备的安全。

1、等电位连接　

将进出机房线路的金属屏蔽管、金属桥架、配电盘的外壳、进入室内的水管、机房的金属屏蔽、金属隔断、金属门窗以及静电地板的金属支架连接在等电位连接环（或网）上，同时还应将电气保护的PE地也接至等电位连接体上。

等电位连接在建筑的共用接地的方式，最好的方法是通过建筑的主筋来接地。

2、电气系统的防护

统计数据资料表明，微电子网络系统80%以上的雷害事故都是因为与系统相连的电源线路上感应的雷电冲击过电压造成的。

因此，做好电源线的防护是整体防雷中不容忽视的一环。

3、电子系统的防护

尽管在电源外接引入线路上安装了防雷保护装置，由于雷击发生时，在各种信号线路（如双绞线）感应到的过电压，仍然会影响电子设备的正常运行，甚至彻底破坏电子设备系统。

雷击时产生巨大的瞬变磁场，在1公里范围内的金属线路，如网络金属连线等都会感应到极强的感应雷击；另外，当电源线或信号线路传输过来雷击电压时，或建筑物的地线系统在泻放雷击时，所产生强大的瞬变电流，对于信号传输线路来说，所感应的过电压已经足以一次性破坏电子设备。

即使不是特别高的过电压，不能够一次性破坏设备，但是每一次的过电压冲击都加速了设备的老化，影响数据的传输和存储，甚至死机，直至彻底损坏。

所以对信号线的防雷对于系统的整体防雷来说，是非常重要的环节。

第三章娄底市污水处理厂防雷工程设计方案

3.1概况

1、工程土木概况

娄底市污水处理厂（北纬27.43°，东经111.58°，海拔高度约180m左右）位于娄底市娄星区大科街道，厂区占地54.85亩，概算总投资1.72亿元，设计规模为日处理污水5万吨，污水处理工艺采用改良型氧化沟加紫外线消毒工艺。

娄底市污水处理厂周围四面环山，电源进出线路采用架空引入，处于山区，易遭到雷电侵袭，污水处理厂平面布置如图3-1所示。

图3-1娄底市污水处理厂平面布置图

2、工艺流程

水资源的循环利用在城市的可持续发展以及节能减排起着核心作用。

污水处理厂在减少成本的同时，对整个系统高效率的要求下，需要高效率的运行。

因此近些年来大量电子测量、控制以及自动化设备的应用越来越广，投资也越来越大。

然后与传统技术相比，电子设备对雷电电磁脉冲的抵抗能力很弱。

所以为了有效地应对雷电带来的威胁和可能的损失，要提高系统的稳定性，必须采取内部和外部防雷措施，污水厂拓扑结构如图3-2所示。

图3-2娄底市污水处理厂拓扑结构图

3.2娄底市污水处理厂雷击风险评估

经过现场勘测，结合环境因素、设备的重要性和发生雷击事故的后果严重程度等因素进行雷击风险评估，并采用相应的防护措施。

1、综合办公大楼防雷分类的划分

综合办公楼建筑物长度L=65m，宽度W=50m，高度H=20m

=0.028354

根据计算，娄底市污水处理厂综合办公大楼应该划分为第三类防雷建筑物。

2、综合办公大楼电子信息系统雷电防护等级划分

K=1.5

Td=50

Ng=0.1Td=5.0

N1=1.5×5.0×0.028354=0.212655

N2=0.5×（2.0+0.5+1+0.05+2.0+1.0）=3.275

N=N1+N2=3.487655

C=C1+C2+C3+C4+C5+C6=1.0+1.0+1.0+1.0+1.0+1.2=6.2

Nc=5.8×10-1/C=0.0935484

E=1-Nc/N