【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。雷電是一種典型的天然強(qiáng)電磁脈沖，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)每秒約發(fā)生 100 次閃電過(guò)程。雷電放電通道的峰值電壓高達(dá)數(shù)百萬(wàn)副伏，電流達(dá)幾十萬(wàn)安，電流上升率達(dá)幾萬(wàn)安/微妙。因此，在放電通道周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電 磁感應(yīng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、電動(dòng)力效應(yīng)、高電壓波入侵和電磁輻射效應(yīng)，對(duì)附近的建筑物、人員和電子設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅 [2]。雷電的主要危害分為兩類： 一是雷直接擊在建筑物上發(fā)生熱效應(yīng)作用和電動(dòng)力作用；二是雷電的二次作用，即雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。雷電的具體危害表現(xiàn)如下： (1)雷電 流高壓效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏甚至數(shù)十萬(wàn)伏的沖擊電壓，如此巨大的電壓瞬間沖擊電氣設(shè)備，足以擊穿絕緣使設(shè)備發(fā)生短路，導(dǎo)致燃燒、爆炸等直接災(zāi)害。 (2)雷電流高熱效應(yīng)會(huì)放出幾十至上千安的強(qiáng)大電流，并產(chǎn)生大量熱能，在雷擊點(diǎn)的熱量 會(huì)很高，可導(dǎo)致金屬熔化，引發(fā)火災(zāi)和爆炸。 (3)雷電流機(jī)械效應(yīng)主要表現(xiàn)為被雷擊物體發(fā)生爆炸、扭曲、崩潰、撕裂等現(xiàn)象導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。 (4)雷電流靜電感應(yīng)可使被擊物導(dǎo)體感生出與雷電性質(zhì)相反的大量電荷，當(dāng)雷電消失來(lái)不及流散時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生很高電壓發(fā)生放電現(xiàn)象從而導(dǎo)致火災(zāi)。 (5)雷電流電磁感應(yīng)會(huì)在雷擊點(diǎn)周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)，其感生出的電流可引起變電器局部過(guò)熱而導(dǎo)致火災(zāi)。 (6)雷電波的侵入和防雷裝置上的高電壓對(duì)建筑物的反擊作用也會(huì)引起配電裝置或電氣線路斷路而燃燒導(dǎo) 致火災(zāi)。 國(guó)內(nèi)外關(guān)于雷電防護(hù)的研究 國(guó)內(nèi)對(duì)防雷技術(shù)發(fā)展的研究及現(xiàn)狀：自從 1990 年，國(guó)際電工委員會(huì)頒布了建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn) IEC 10241，正式定義了雷電流標(biāo)準(zhǔn)波形和參數(shù)，作為防雷研究的依據(jù)，規(guī)定了用峰值電流 I、電流上升率 、 波頭（或者波前）時(shí)間 T1 、半峰值中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 2 頁(yè) 共 25 頁(yè) 時(shí)間 T2 描述電流 [3]。我國(guó)第一部《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 GBJ5783 于 1983 年 11月公布，緊接著于 1994 年 4 月頒布了第二部《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 》 GB 5005794，此規(guī)范吸收了許多的外國(guó)的先進(jìn)的防雷技術(shù)，并將接閃器保護(hù)范圍的計(jì)算方法改為IEC 推薦的“滾球法”并結(jié)合我國(guó)的防雷設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)增加了許多新的條款。 1998 年 — 2020 年期間，受國(guó)家電力公司的委托，由廣東電力試驗(yàn)研究所牽頭與原中國(guó)科學(xué)院蘭州高原大氣物理研究所及武漢水利電力大學(xué)合作在廣東從化（ 19981999）及韶關(guān)地區(qū)（ 19992020）進(jìn)行了火箭引雷試驗(yàn)，對(duì)閃電通道底部電流進(jìn)行測(cè)量，并研究半導(dǎo)體消雷器的防雷效果 [4]。試驗(yàn)采用火箭拖帶的細(xì)鋼絲直接接地和通過(guò) 100m 左右的絕緣 尼龍線再經(jīng)過(guò)電流測(cè)試裝置和大地連接兩種方式。前者是傳統(tǒng)的引雷方式，可以模擬高層建筑物激發(fā)的上行雷；后者稱為空中引雷方式，可以模擬下行雷與地面目標(biāo)的連接，試驗(yàn)共取得 5次成功，其中有 3次空中引雷被高速攝像機(jī)記錄到， 1999 年實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與 1998 年相同，重點(diǎn)是研究半導(dǎo)體消雷器的防雷效果，共有效發(fā)射 20 發(fā)火箭，都是采用鋼絲經(jīng) 6m 的尼龍線和消雷器相連接的方式以保證人工引雷能擊中消雷器，試驗(yàn)記錄到有意義的數(shù)據(jù)和圖像一共 11次，其中 8 次成功地將雷電網(wǎng)地電位升高，快慢電場(chǎng)變化高速攝像等一批綜合觀測(cè)資料。 國(guó)外對(duì)防雷技術(shù)的研究 以及現(xiàn)狀： 20 世紀(jì) 90 年代以前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都缺少關(guān)于雷電電磁脈沖防護(hù)的規(guī)定， 1992 年，國(guó)際電工委員會(huì)防雷專委會(huì)（ IECTC/81）開(kāi)始討論這個(gè)問(wèn)題， 1995 年 2 月，該機(jī)構(gòu)發(fā)布了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《雷電電磁脈沖的防護(hù)》 IEC 1312 3，分別對(duì)雷電電磁脈沖的定義、分區(qū)防護(hù)和過(guò)電保護(hù)器件測(cè)試做出了規(guī)定。 20 世紀(jì) 90 年代以后，防雷工程主要致力于改進(jìn)避雷裝置以減小雷電流峰值和上升率，減弱電磁輻射 [5]。比如：美國(guó)、意大利和我過(guò)先進(jìn)的公司都應(yīng)該有生產(chǎn)此設(shè)備；采用優(yōu)化避雷針抑制雷電流上升速率； 使用有源避雷針，屏蔽地面上行先導(dǎo)等，但經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明上訴改進(jìn)并不理想，都存在流通能力低、抗風(fēng)能力差、成本高和引雷的致命弱點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家航天局在 20 世紀(jì) 80 年代中期就將雷電預(yù) 警系統(tǒng)用于航天器材發(fā)射。另外，主動(dòng)預(yù)防雷電技術(shù)也已經(jīng)有所發(fā)展， 1997 年 1 月日本科學(xué)家用 CO 2 激光引發(fā)雷電，病獲得了初步的成功 ,以飛秒激光等為代表的高功率激光中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 3 頁(yè) 共 25 頁(yè) 技術(shù)的發(fā)展，給激光消雷技術(shù)帶來(lái)了光明的應(yīng)用前景；美國(guó)海軍曾經(jīng)試驗(yàn)用水下爆炸的方法激起水柱引發(fā)雷雨云放電，以避免對(duì)軍艦的威脅。 防雷技術(shù)的 發(fā)展 近代雷電發(fā)展是從 1752 年富蘭克林發(fā)明了尖頭避雷針到科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大氣電場(chǎng)的存在，以及對(duì)大氣電場(chǎng)從定型到定量的轉(zhuǎn)變，加之科學(xué)家們的不斷努力，最終奠定了現(xiàn)代雷擊及其電磁脈沖防護(hù)的理論基礎(chǔ) [5]。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于雷暴威脅飛機(jī)和氣球飛行，干擾無(wú)線電通信，沒(méi)的雙方都投入了大量的人員進(jìn)行研究，加上雷達(dá)和航空技術(shù)的進(jìn)步，為雷電科學(xué)提供了新的測(cè)量手段， Schonland(1956 年 )和 Berger(1966 年 )先后提出閃擊由先導(dǎo)放電和主放電兩個(gè)發(fā)展階段組成 [6]。 原始的防雷技術(shù)是在線路或設(shè)備上人為地制造絕緣 薄弱點(diǎn)即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運(yùn)行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，雷電過(guò)電壓下間隙擊穿接地，放電降壓而起到保護(hù)線路或設(shè)備絕緣的作用。保護(hù)間隙，其兩極由角形棒組成，一極固定在絕緣件上連接帶電導(dǎo)線，而另一極接地，間隙擊穿后電弧在角形棒間上升拉長(zhǎng)，電弧電流較小時(shí)可以自行熄弧，電弧電流大到幾十安培以上時(shí)就不可能自行熄弧；雷電過(guò)電壓時(shí)，單相、兩相或三相間隙都可能擊穿接地，造成接地故障、兩相或三相間短路故障，以致線路電源斷路器保護(hù)動(dòng)作分閘。管型避雷器，是一種具有噴氣熄弧功能的間隙裝 置，它有內(nèi)外兩個(gè)間隙，外間隙類似保護(hù)間隙，兩極均固定在絕緣件上，內(nèi)間隙置于避雷器管內(nèi)，當(dāng)雷電過(guò)電壓內(nèi)外間隙擊穿時(shí)，雷電流和工頻短路電流經(jīng)管內(nèi)壁接地，管壁物質(zhì)受熱氣化，有較大壓力氣體經(jīng)內(nèi)間隙噴出管外，強(qiáng)制間隙熄弧。管型避雷器的選用受安裝地點(diǎn)最大、最小短路電流制約，最大短路電流大于避雷器的斷流上限時(shí)避雷器會(huì)爆炸；短路電流小于避雷器的斷流下限時(shí)就不能熄弧，避雷器可能燒壞。另外管型避雷器多次動(dòng)作后，管內(nèi)徑會(huì)逐漸增大，熄弧能力會(huì)下降甚致消失。 保護(hù)間隙和管型避雷器都是靠間隙擊穿接地放電降壓起到保護(hù)作用，這種作用同時(shí) 會(huì)造成接地故障或相間短路故障，保護(hù)作用不完善是顯見(jiàn)的，在現(xiàn)行防雷保護(hù)中僅將它們限用于線路防雷，并盡量與自動(dòng)重合閘裝置配合，以減少線路停電事故。而對(duì)于電氣設(shè)備防雷多采用閥型避雷器，它像似帶有自動(dòng)閘閥器具，在過(guò)電壓下自動(dòng)開(kāi)閘泄流降壓，恢復(fù)運(yùn)行電壓時(shí)閉閘斷流，這種保護(hù)作用是靠避雷器內(nèi)電阻元件的限流限壓作用實(shí)現(xiàn)的，過(guò)電壓下電阻元件可將雷電流限制在 5kA 內(nèi)，電壓（即中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 25 頁(yè) 殘壓）限制在設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平以下；有些電阻元件在運(yùn)行電壓下仍有電流（即續(xù)流）通過(guò)，長(zhǎng)時(shí)續(xù)流會(huì)使其損壞，故一般需加串聯(lián)間隙隔離運(yùn)行電壓，并靠間隙滅弧和 切斷續(xù)流。避雷器的電阻元件可避免電力系統(tǒng)直接接地或相間短路故障，其保護(hù)作用不會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，是閥型避雷器突出優(yōu)點(diǎn)。閥型避雷器的發(fā)展已有幾代產(chǎn)品。 總之，雷電防護(hù)技術(shù)已經(jīng)由單純的重視直擊雷和強(qiáng)電防護(hù)轉(zhuǎn)向直擊雷和雷電磁脈沖并重，強(qiáng)電防護(hù)與弱電防護(hù)并舉，在防護(hù)方法上，從分流，等電位連接，接電針對(duì)傳導(dǎo)過(guò)電壓的防護(hù)方法，發(fā)展到包括電磁場(chǎng)所防護(hù)的屏蔽，濾波等技術(shù)的綜合防雷技術(shù)。 本課題研究的目的和 意義 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，危險(xiǎn)品已經(jīng)深入我們的日常生活中。石礦行業(yè)所采用的炸藥；工業(yè)硫酸 的生產(chǎn)；化肥的生產(chǎn)；乙炔氣的制備等等一切，都是危險(xiǎn)品。 危險(xiǎn)品是指易燃、易爆、有強(qiáng)烈腐蝕性的物品的總稱。如汽油、炸藥、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、苯、萘、賽璐珞、過(guò)氧化物等。 不僅僅產(chǎn)品是危險(xiǎn)的，而且它們的生產(chǎn)過(guò)程也是相當(dāng)危險(xiǎn)的，因此一旦此類工廠發(fā)生事故，那將造成不可估量的損失。雷電放電通道的峰值電壓高達(dá)數(shù)百萬(wàn)副伏，電流達(dá)幾十萬(wàn)安，電流上升率達(dá)幾萬(wàn)安/微妙。因此，在放電通道周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁感應(yīng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、電動(dòng)力效應(yīng)、高電壓波入侵和電磁輻射效應(yīng)，對(duì)附近的建筑物、人員和電子設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅 ，對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)的危險(xiǎn)品工房來(lái)說(shuō)，其一 生產(chǎn)量大；其二現(xiàn)代化的生產(chǎn)機(jī)器比較多，比如半自動(dòng)化，自動(dòng)化的生產(chǎn)機(jī)器等等。雷電的直擊雷危害以及電磁感應(yīng)危害都會(huì)對(duì)危險(xiǎn)品工房造成不可估量的損失，因此對(duì)于現(xiàn)代化的工業(yè)廠房，尤其是此類危險(xiǎn)品工房而言，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密的防雷設(shè)計(jì)是必不可少的。必須保證此類工房的安全性質(zhì)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 共 25 頁(yè) 2 危險(xiǎn)品工房的防雷等級(jí)劃分 工房概況 此工程位于山西省一處比較偏遠(yuǎn)的地方，這個(gè)工房分為兩部分，第一部分是控制室，里面主要是一部大型的電子信息控制 設(shè)備 ；第二部分是生產(chǎn)間，里面分為炸藥準(zhǔn)備區(qū)，彈體準(zhǔn)備區(qū)，炸藥融化混合區(qū)，保溫冷卻區(qū)以及一個(gè)臨時(shí)庫(kù)存 區(qū)。里面的一切操作均由操作手進(jìn)行操作，人利用控制室里的設(shè)備進(jìn)行操作。關(guān)于生產(chǎn)工藝流程，該工藝主要用于 TNT、梯黑鋁、梯鋁、梯黑等混合炸藥。 TNT的熔點(diǎn)只有 80℃可做溶劑，加入 HMX 可提高威力，在裝藥時(shí)裝藥過(guò)程抽真空以消除缺陷，防止炸藥后出現(xiàn)氣泡或者產(chǎn)生裂紋。保溫冷卻，在低比壓冷卻罐里用熱芯棒逐層冷卻， 8小時(shí)之后再進(jìn)行自然冷卻，這種裝藥需要連續(xù)混藥，防止有界面斷層出現(xiàn)。這條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化生產(chǎn)，但是仍需要人的干預(yù)，總控制室在土圍外。 工房危險(xiǎn)因素分析 主要爆炸性物品分析： TNT： 是一種烈性炸藥，呈黃 色粉末或魚鱗片狀，難溶于水，可用于水下爆破。由于威力大，常用來(lái)做副 起爆藥 。爆炸后呈負(fù)氧平衡，產(chǎn)生有毒的一氧化碳，故不適用于地下工程爆破。 它 是一種帶 苯環(huán) 的有機(jī)化合物，溶點(diǎn)為攝氏 81度。它帶有 爆炸性，常用來(lái)制造炸藥。它經(jīng)由甲苯的氮化作用而制成。炸藥的數(shù)量有被使用作為能量單位，每公斤可產(chǎn)生 420 萬(wàn)焦耳的能量， 1000 噸 TNT相等于 兆焦耳，一百萬(wàn)噸相等于 4200 兆焦耳。 其 分子量 。 白色或莧色針狀結(jié)晶，無(wú)臭，有吸濕性 。蒸汽壓 (82℃ )； 熔點(diǎn) ℃ ； 沸點(diǎn) 280℃ (爆炸 )； 溶解性 :不溶于水，微溶于乙醇，溶于苯、芳烴、丙酮 ； 密度 :相對(duì)密度 (水 =1)。穩(wěn)定性 :穩(wěn)定 ； 危險(xiǎn)標(biāo)記 1(爆炸品 )； 主要用途 :用于制造染料、醫(yī)藥、炸藥，也作試劑等 。 RDX：黑索金作為一種高能單質(zhì)炸藥，具有威力大，猛度高，化學(xué)安定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造雷管、傳爆藥和導(dǎo)爆索。鈍化黑索金以及黑索金制成的混合炸藥用于炮彈、航彈、火箭（導(dǎo)彈）戰(zhàn)斗部以及魚雷、水雷、地雷等爆炸威力大的炸藥裝藥，并在高能發(fā)射藥和推進(jìn)劑中作為一種組分獲得了應(yīng)用。純的黑索金的熔點(diǎn)為： ～ 205℃，壓藥密度為 ? 時(shí)，爆速達(dá)到 8600m/s，是最好的高能炸藥之一。制備的黑索金由于含有少量的奧克托今而熔點(diǎn)略低。 AL：鋁有很大中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 6 頁(yè) 共 25 頁(yè) 的能量，能釋放出很多的熱量。比如通過(guò)我們學(xué)過(guò)的鋁熱反應(yīng)就能清楚的想到鋁的熱量是非常大的。其一旦被引燃，將或造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。 工房防雷等級(jí)的劃分 本工程分為 3個(gè)部分，總控制室、生產(chǎn)間、臨時(shí)庫(kù)房，其中生產(chǎn)間和臨時(shí)庫(kù)房主要進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)和儲(chǔ)存危險(xiǎn)品，定為 1區(qū)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，沒(méi)有大型電子設(shè)備，主要進(jìn)行直擊雷的防護(hù)。總控制室沒(méi)有危險(xiǎn)作業(yè)，其中有一臺(tái)大型電電磁的電子設(shè)備，主要 需要進(jìn)行 防雷電感 應(yīng)以及防雷電波入侵 的設(shè)計(jì) 。依據(jù) GB 50057— 2020 版《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 相關(guān)規(guī)定如下 ： （ 1） 凡制造、使用或貯存炸藥、火藥、起爆藥、火工品等大量爆炸物質(zhì)的建筑物，因電火花而引起爆炸，會(huì)造成巨大破壞和人身傷亡者。 （ 2） 具有 0區(qū)或 10 區(qū)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物。 （ 3） 具有 1 區(qū)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物，因電火花而引起爆炸，會(huì)造成巨大破壞和人身傷亡者。 凡是滿足上述要求的建筑物都屬于第一類防雷建筑物。 爆炸危險(xiǎn)性 是指制造、使用或存儲(chǔ)大量爆炸物質(zhì)，如火藥、炸藥、起爆藥、火工品等，在電火花作用下或引起強(qiáng)烈爆 炸，造成巨大破壞和人身傷亡；以及在正常情況下爆炸性氣體、可燃性粉塵或纖維 /空氣混合物可能會(huì)連續(xù)、短時(shí)間頻率 出現(xiàn)或長(zhǎng)時(shí)間存在的這類爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所。如火炸藥生產(chǎn)車間、乙炔站、電石庫(kù)和汽油提煉車間等 [7]。 所以，本論文所闡述的工程是屬于第一類防雷建筑。 第一類防雷建筑物防雷技術(shù)要求 第一類建筑物防直擊雷技術(shù)要求 （ 1）裝設(shè)獨(dú)立避雷針或架空避雷線，使被保護(hù)建筑物及突出屋面的物體（如風(fēng)帽、放散管等）均處于被保護(hù)范圍之內(nèi)；對(duì)排放有爆炸危險(xiǎn)性氣體或粉塵的管道，保護(hù)范圍應(yīng)高出管頂 2m 以上。對(duì)于使用獨(dú)立避雷針 或架空避雷線時(shí)應(yīng)有獨(dú)立接地裝置，沖擊接地電阻應(yīng)不大于 10Ω。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 7 頁(yè) 共 25 頁(yè) （ 2） 對(duì)于難以裝設(shè)獨(dú)立避雷針或架空避雷線的場(chǎng)所，可在建筑物上裝設(shè)避雷針或沿整個(gè)屋面裝設(shè)網(wǎng)格不大于 6 6m 的避雷網(wǎng)。裝設(shè)均壓環(huán)時(shí)環(huán)間垂直距離不大于 12m，并于建筑物內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備相連，可利用電力設(shè)備接零干線或接地干線作均壓環(huán)。對(duì)排放爆炸危險(xiǎn)性氣體、蒸氣或粉塵的放散管、呼吸閥及排風(fēng)管等，管頂及附近避雷針針尖應(yīng)高出管頂 3m 以上，保護(hù)范圍應(yīng)高出管頂 2m 以上。 （ 3） 排放爆炸危險(xiǎn)氣體，蒸汽或粉塵的放散管、呼吸閥、排風(fēng)管等的管口外的以下空間應(yīng)處于接閃器的保 護(hù)范圍以內(nèi)，當(dāng)有管帽時(shí)，應(yīng)按表 2— 1 確定，當(dāng)無(wú)管帽時(shí)，應(yīng)為管口上方，半徑為 5m 的半球體。接閃器與雷閃的接觸點(diǎn)應(yīng)設(shè)在上述空間之外。 表 2— 1 有管帽的管口處于接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的空間 裝置內(nèi)的壓力與周圍空氣壓力的壓力差（ kpa） 排放物的比重