【文章內(nèi)容簡介】 。雷電是一種典型的天然強電磁脈沖，據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)每秒約發(fā)生 100 次閃電過程。雷電放電通道的峰值電壓高達數(shù)百萬副伏，電流達幾十萬安，電流上升率達幾萬安/微妙。因此，在放電通道周圍會產(chǎn)生強大的電 磁感應(yīng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、電動力效應(yīng)、高電壓波入侵和電磁輻射效應(yīng)，對附近的建筑物、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)會產(chǎn)生高達數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏的沖擊電壓，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)會放出幾十至上千安的強大電流，并產(chǎn)生大量熱能，在雷擊點的熱量 會很高，可導(dǎo)致金屬熔化，引發(fā)火災(zāi)和爆炸。 (3)雷電流機械效應(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)雷電消失來不及流散時，即會產(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)會在雷擊點周圍產(chǎn)生強大的交變電磁場，其感生出的電流可引起變電器局部過熱而導(dǎo)致火災(zāi)。 (6)雷電波的侵入和防雷裝置上的高電壓對建筑物的反擊作用也會引起配電裝置或電氣線路斷路而燃燒導(dǎo) 致火災(zāi)。 國內(nèi)外關(guān)于雷電防護的研究 國內(nèi)對防雷技術(shù)發(fā)展的研究及現(xiàn)狀：自從 1990 年，國際電工委員會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）時間 T1 、半峰值中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 25 頁 時間 T2 描述電流 [3]。我國第一部《建筑物防雷設(shè)計規(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)計規(guī)范 》 GB 5005794，此規(guī)范吸收了許多的外國的先進的防雷技術(shù)，并將接閃器保護范圍的計算方法改為IEC 推薦的“滾球法”并結(jié)合我國的防雷設(shè)計的實際經(jīng)驗增加了許多新的條款。 1998 年 — 2020 年期間，受國家電力公司的委托，由廣東電力試驗研究所牽頭與原中國科學(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）進行了火箭引雷試驗，對閃電通道底部電流進行測量，并研究半導(dǎo)體消雷器的防雷效果 [4]。試驗采用火箭拖帶的細鋼絲直接接地和通過 100m 左右的絕緣 尼龍線再經(jīng)過電流測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，試驗共取得 5次成功，其中有 3次空中引雷被高速攝像機記錄到， 1999 年實驗地點與 1998 年相同，重點是研究半導(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，快慢電場變化高速攝像等一批綜合觀測資料。 國外對防雷技術(shù)的研究 以及現(xiàn)狀： 20 世紀(jì) 90 年代以前，國際和國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都缺少關(guān)于雷電電磁脈沖防護的規(guī)定， 1992 年，國際電工委員會防雷專委會（ IECTC/81）開始討論這個問題， 1995 年 2 月，該機構(gòu)發(fā)布了國際標(biāo)準(zhǔn)《雷電電磁脈沖的防護》 IEC 1312 3，分別對雷電電磁脈沖的定義、分區(qū)防護和過電保護器件測試做出了規(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、意大利和我過先進的公司都應(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)過實踐證明上訴改進并不理想，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。美國國家航天局在 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 共 25 頁 技術(shù)的發(fā)展，給激光消雷技術(shù)帶來了光明的應(yīng)用前景；美國海軍曾經(jīng)試驗用水下爆炸的方法激起水柱引發(fā)雷雨云放電，以避免對軍艦的威脅。 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)大氣電場的存在，以及對大氣電場從定型到定量的轉(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，由于雷暴威脅飛機和氣球飛行，干擾無線電通信，沒的雙方都投入了大量的人員進行研究，加上雷達和航空技術(shù)的進步，為雷電科學(xué)提供了新的測量手段， 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，在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，雷電過電壓下間隙擊穿接地，放電降壓而起到保護線路或設(shè)備絕緣的作用。保護間隙，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，電弧電流較小時可以自行熄弧，電弧電流大到幾十安培以上時就不可能自行熄?。焕纂娺^電壓時，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動作分閘。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)外兩個間隙，外間隙類似保護間隙，兩極均固定在絕緣件上，內(nèi)間隙置于避雷器管內(nèi)，當(dāng)雷電過電壓內(nèi)外間隙擊穿時，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，強制間隙熄弧。管型避雷器的選用受安裝地點最大、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避雷器會爆炸；短路電流小于避雷器的斷流下限時就不能熄弧，避雷器可能燒壞。另外管型避雷器多次動作后，管內(nèi)徑會逐漸增大，熄弧能力會下降甚致消失。 保護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作用，這種作用同時 會造成接地故障或相間短路故障，保護作用不完善是顯見的，在現(xiàn)行防雷保護中僅將它們限用于線路防雷，并盡量與自動重合閘裝置配合，以減少線路停電事故。而對于電氣設(shè)備防雷多采用閥型避雷器，它像似帶有自動閘閥器具，在過電壓下自動開閘泄流降壓，恢復(fù)運行電壓時閉閘斷流，這種保護作用是靠避雷器內(nèi)電阻元件的限流限壓作用實現(xiàn)的，過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 共 25 頁 殘壓）限制在設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平以下；有些電阻元件在運行電壓下仍有電流（即續(xù)流）通過，長時續(xù)流會使其損壞，故一般需加串聯(lián)間隙隔離運行電壓，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，其保護作用不會影響電力系統(tǒng)的正常安全運行，是閥型避雷器突出優(yōu)點。閥型避雷器的發(fā)展已有幾代產(chǎn)品。 總之，雷電防護技術(shù)已經(jīng)由單純的重視直擊雷和強電防護轉(zhuǎn)向直擊雷和雷電磁脈沖并重，強電防護與弱電防護并舉，在防護方法上，從分流，等電位連接，接電針對傳導(dǎo)過電壓的防護方法，發(fā)展到包括電磁場所防護的屏蔽，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)濟的不斷發(fā)展，社會的不斷進步，危險品已經(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，都是危險品。 危險品是指易燃、易爆、有強烈腐蝕性的物品的總稱。如汽油、炸藥、強酸、強堿、苯、萘、賽璐珞、過氧化物等。 不僅僅產(chǎn)品是危險的，而且它們的生產(chǎn)過程也是相當(dāng)危險的，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數(shù)百萬副伏，電流達幾十萬安，電流上升率達幾萬安/微妙。因此，在放電通道周圍會產(chǎn)生強大的電磁感應(yīng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、電動力效應(yīng)、高電壓波入侵和電磁輻射效應(yīng)，對附近的建筑物、人員和電子設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅 ，對于現(xiàn)代工業(yè)的危險品工房來說，其一 生產(chǎn)量大；其二現(xiàn)代化的生產(chǎn)機器比較多，比如半自動化，自動化的生產(chǎn)機器等等。雷電的直擊雷危害以及電磁感應(yīng)危害都會對危險品工房造成不可估量的損失，因此對于現(xiàn)代化的工業(yè)廠房，尤其是此類危險品工房而言，對其進行嚴(yán)密的防雷設(shè)計是必不可少的。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 共 25 頁 2 危險品工房的防雷等級劃分 工房概況 此工程位于山西省一處比較偏遠的地方，這個工房分為兩部分，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)以及一個臨時庫存 區(qū)。里面的一切操作均由操作手進行操作，人利用控制室里的設(shè)備進行操作。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的熔點只有 80℃可做溶劑，加入 HMX 可提高威力，在裝藥時裝藥過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小時之后再進行自然冷卻，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)線實現(xiàn)了半自動化生產(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，常用來做副 起爆藥 。爆炸后呈負氧平衡，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) 的有機化合物，溶點為攝氏 81度。它帶有 爆炸性，常用來制造炸藥。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 萬焦耳的能量， 1000 噸 TNT相等于 兆焦耳，一百萬噸相等于 4200 兆焦耳。 其 分子量 。 白色或莧色針狀結(jié)晶，無臭，有吸濕性 。蒸汽壓 (82℃ )； 熔點 ℃ ； 沸點 280℃ (爆炸 )； 溶解性 :不溶于水，微溶于乙醇，溶于苯、芳烴、丙酮 ； 密度 :相對密度 (水 =1)。穩(wěn)定性 :穩(wěn)定 ； 危險標(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，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)射藥和推進劑中作為一種組分獲得了應(yīng)用。純的黑索金的熔點為： ～ 205℃，壓藥密度為 ? 時，爆速達到 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略低。 AL：鋁有很大中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 6 頁 共 25 頁 的能量，能釋放出很多的熱量。比如通過我們學(xué)過的鋁熱反應(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)濟損失和人員傷亡。 工房防雷等級的劃分 本工程分為 3個部分，總控制室、生產(chǎn)間、臨時庫房，其中生產(chǎn)間和臨時庫房主要進行危險作業(yè)和儲存危險品，定為 1區(qū)爆炸危險環(huán)境，沒有大型電子設(shè)備，主要進行直擊雷的防護?？偪刂剖覜]有危險作業(yè)，其中有一臺大型電電磁的電子設(shè)備，主要 需要進行 防雷電感 應(yīng)以及防雷電波入侵 的設(shè)計 。依據(jù) GB 50057— 2020 版《建筑物防雷設(shè)計規(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)爆炸危險環(huán)境的建筑物。 （ 3） 具有 1 區(qū)爆炸危險環(huán)境的建筑物，因電火花而引起爆炸，會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。 爆炸危險性 是指制造、使用或存儲大量爆炸物質(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 /空氣混合物可能會連續(xù)、短時間頻率 出現(xiàn)或長時間存在的這類爆炸危險場所。如火炸藥生產(chǎn)車間、乙炔站、電石庫和汽油提煉車間等 [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)獨立避雷針或架空避雷線，使被保護建筑物及突出屋面的物體（如風(fēng)帽、放散管等）均處于被保護范圍之內(nèi)；對排放有爆炸危險性氣體或粉塵的管道，保護范圍應(yīng)高出管頂 2m 以上。對于使用獨立避雷針 或架空避雷線時應(yīng)有獨立接地裝置，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 共 25 頁 （ 2） 對于難以裝設(shè)獨立避雷針或架空避雷線的場所，可在建筑物上裝設(shè)避雷針或沿整個屋面裝設(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)。對排放爆炸危險性氣體、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，保護范圍應(yīng)高出管頂 2m 以上。 （ 3） 排放爆炸危險氣體，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 護范圍以內(nèi)，當(dāng)有管帽時，應(yīng)按表 2— 1 確定，當(dāng)無管帽時，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