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摘要 为了保护山东四君子集团酒厂罐区防雷安全，在分析其周围地闪密度、雷电活动时间变化规律、雷电流幅值分布及土壤地质环境的基础上，从安装避雷针及敷设地网等方面对其进行防雷工程设计，并对防雷系统工程提出了合理化建议。
关键词 罐区；地闪密度；避雷针；防雷设计；山东四君子集团酒厂
中图分类号 TU895 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）15-0186-02
雷电是一种灾害性天气现象，其强大的雷电流和交变的电磁场严重威胁人们的生命和财产安全，雷电的电动力和热能极易引起危险爆炸环境的雷电灾害，造成巨大的损失。1989年8月12日9：55，中国石油总公司黄岛油库罐区发生特大雷击事故，19人死亡，100多人受伤，直接经济损失达3 540万元。黄岛油库雷击爆炸事故的惨痛教训使人们对雷电的危害有了更深刻的认识。随着经济发展，电子设施及易燃易爆产品不断涌现，使雷击事故概率增加。为了保护人员、财产安全，做好易燃易爆设施的防雷工程尤为重要，防雷减灾也逐渐成为专家学者的研究方向。李 密等[1]通过工程实例对淄博市雷电灾害风险进行了区划，王爱军等[2]对防雷工程周围的易损度进行了区划，黄 灏等[3]通过对当地雷电灾害的分析，提出了雷电灾害管理的建议。本文主要研究酒厂罐区的直击雷防护措施，以期保护罐区防雷安全，为类似区域的雷电防护提供参考。
1 保护对象的主要概況及防雷现状
1.1 地理、地质情况
四君子酒厂位于山东省单县，土壤多为黄土和黏土，土壤电阻率较低。需要保护的罐区长45 m、宽15 m、高10 m。整个区域上方有彩钢板架设，厚度未达到4 mm，罐体位于彩钢棚下。
1.2 雷电环境
1.2.1 地闪密度分布。地闪密度为每平方千米年平均落雷次数，是估算建筑物年预计雷击次数时的重要参数。用Ng表示，单位为次/（km2·年）。由山东省雷电定位系统监测的闪电数据资料中提取出以罐区为中心方圆5 km范围内地闪数据（2007—2016年），统计出地闪次数，利用Surfer绘制出地闪密度分布渐变图（图1），该地区的Ng=3.06次/（km2·年）。
1.2.2 雷电活动时间变化规律。对罐区周围5 km的雷电数据进行统计和分析，该区域发生地闪1 067次（表1），其中负地闪占总地闪的98.0%，为1 047次；正地闪占总地闪的2.0%，为20次。
该区域地闪主要活动期为夏季，即6—8月，其中7—8月为地闪高发期，占总地闪的81.0%。其余月份基本没有地闪发生。一天内地闪的发生规律呈单峰状分布，主要分布在17：00左右。
1.2.3 雷电流幅值分布。雷电流强度在10～15 kA的地闪占地闪总数的比例最大，为28.0%；其次为15～20 kA的地闪，所占比例为21.0%。该区域内地闪平均电流强度约为13.65 kA，正地闪的平均强度约为20.93 kA，负地闪的平均强度值为13.51 kA。
1.3 防雷现状
整个罐区被彩钢板覆盖，但是没有安装直击雷接闪装置，需要做直击雷避雷针、地网等防护措施。
2 雷击发生的可能性、危害性
根据现场情况分析，有2种雷害经常发生。
2.1 直击雷
雷电的发生具有选择性，极易击中高耸的建筑，由于被保护的罐体周围没有高耸建筑，相对比较孤立，雷击概率很大。如果罐体遭受雷击，由于内部为易燃易爆原料，很容易发生爆炸。
2.2 反击
接闪器的作用是靠其对雷云电场引起的畸变将雷闪吸引到自身，并安全导入地中，从而使位于其保护范围内的设备和建筑物免遭直接雷击。但所引下的是幅值极大、上升陡度很高的雷电流，此雷击电流入地后会使地电位突然升高，与设备连接的地线将此高电位引入设备，对被保护设备形成危害[4-5]。
3 方案设计
选用3套提前放电避雷针，安装在罐体北侧，每支避雷针高度为18 m，安装于设计图纸所示的位置（图2），通过三针联合保护的方式对罐体进行防护；同时对彩钢板顶部屋脊处敷设避雷带，并做3处接地，且用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢进行连接，组成一个地网。
每支避雷针选用2块石墨接地极作为垂直接地体，选用2支40 mm×4 mm的热镀锌扁钢作为水平接地体做独立的接地装置，接地电阻达到10 Ω以下。
同时，对整个罐区做接地网，选用12块石墨接地极作为垂直接地体，选用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢作为水平接地体做接地网，接地电阻达到10 Ω以下（图2）。
避雷针的保护半径根据GB 50057—2010中滚球半径法确定：
rx=[H（2Hr-H）]1/2-[Hx（2Hr-Hx）]1/2
其中：H为避雷针高度，此处相对于彩钢板顶的高度为8 m；Hr为滚球半径，二类建筑取45 m；Hx为被保护物的高度。
由此可以计算出3支等高避雷针在10 m高度上的保护半径为25.6 m；避雷针保护轴线的中心最低点为5.9 m；避雷针之间在10 m高度的最小保护宽度为25 m。其保护范围可以满足对各罐体进行有效的防护，各管体均在避雷针保护半径内。
当雷雨云形成时，云与地面之间产生一个电场，此电场强度可达到3 kV/m，从而使地面凸起部分或金属部件上开始出现电晕放电。当雷电云层内部形成一个下行先导时，闪电电击便形成了。下行先导电荷以阶梯形式向地面移动，下行先导携带着的电荷使地面建立起电场，从避雷针尖端产生了一个上行的先导，此上行先导向上传播一直到与下行先导会合。此时，闪电电流便流过所形成的通道，地面上的其他建筑物可能会生成数个上行先导。与下行先导会合的第一个上行先导决定了闪电电击的地点。
4 结语
雷电防护工程是一项系统工程，需要综合考虑被保护物周围雷电环境、土壤地质环境、被保护物的特征及雷电灾害发生的后果等。对被保护物进行综合评价后，应选取科学合理的防雷措施，将雷电灾害危险程度降到最低。
5 参考文献
[1] 李密，邱东凤，石娟，等.淄博市雷电灾害易损性风险评估及区划[J].中国安全生产科学技术，2013，9（8）：177-182.
[2] 王爱军，柴瑞.唐山市雷电灾害易损性分析及易损度区划[J].建筑电气，2010，29（10）：28-32.
[3] 黄灏，王宝.烟台市雷电灾害易损性分析及区划[J].山东气象，2012，32（130）：35-38.
[4] 王鸣晓，林建民，马光进，等.电气设备防雷工程设计探讨[J].气象科技，2013（2）：417-421.
[5] 闫战岭.建筑物防雷工程设计分析[J].现代建筑电气，2016（8）：62-65.
关键词 罐区；地闪密度；避雷针；防雷设计；山东四君子集团酒厂
中图分类号 TU895 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）15-0186-02
雷电是一种灾害性天气现象，其强大的雷电流和交变的电磁场严重威胁人们的生命和财产安全，雷电的电动力和热能极易引起危险爆炸环境的雷电灾害，造成巨大的损失。1989年8月12日9：55，中国石油总公司黄岛油库罐区发生特大雷击事故，19人死亡，100多人受伤，直接经济损失达3 540万元。黄岛油库雷击爆炸事故的惨痛教训使人们对雷电的危害有了更深刻的认识。随着经济发展，电子设施及易燃易爆产品不断涌现，使雷击事故概率增加。为了保护人员、财产安全，做好易燃易爆设施的防雷工程尤为重要，防雷减灾也逐渐成为专家学者的研究方向。李 密等[1]通过工程实例对淄博市雷电灾害风险进行了区划，王爱军等[2]对防雷工程周围的易损度进行了区划，黄 灏等[3]通过对当地雷电灾害的分析，提出了雷电灾害管理的建议。本文主要研究酒厂罐区的直击雷防护措施，以期保护罐区防雷安全，为类似区域的雷电防护提供参考。
1 保护对象的主要概況及防雷现状
1.1 地理、地质情况
四君子酒厂位于山东省单县，土壤多为黄土和黏土，土壤电阻率较低。需要保护的罐区长45 m、宽15 m、高10 m。整个区域上方有彩钢板架设，厚度未达到4 mm，罐体位于彩钢棚下。
1.2 雷电环境
1.2.1 地闪密度分布。地闪密度为每平方千米年平均落雷次数，是估算建筑物年预计雷击次数时的重要参数。用Ng表示，单位为次/（km2·年）。由山东省雷电定位系统监测的闪电数据资料中提取出以罐区为中心方圆5 km范围内地闪数据（2007—2016年），统计出地闪次数，利用Surfer绘制出地闪密度分布渐变图（图1），该地区的Ng=3.06次/（km2·年）。
1.2.2 雷电活动时间变化规律。对罐区周围5 km的雷电数据进行统计和分析，该区域发生地闪1 067次（表1），其中负地闪占总地闪的98.0%，为1 047次；正地闪占总地闪的2.0%，为20次。
该区域地闪主要活动期为夏季，即6—8月，其中7—8月为地闪高发期，占总地闪的81.0%。其余月份基本没有地闪发生。一天内地闪的发生规律呈单峰状分布，主要分布在17：00左右。
1.2.3 雷电流幅值分布。雷电流强度在10～15 kA的地闪占地闪总数的比例最大，为28.0%；其次为15～20 kA的地闪，所占比例为21.0%。该区域内地闪平均电流强度约为13.65 kA，正地闪的平均强度约为20.93 kA，负地闪的平均强度值为13.51 kA。
1.3 防雷现状
整个罐区被彩钢板覆盖，但是没有安装直击雷接闪装置，需要做直击雷避雷针、地网等防护措施。
2 雷击发生的可能性、危害性
根据现场情况分析，有2种雷害经常发生。
2.1 直击雷
雷电的发生具有选择性，极易击中高耸的建筑，由于被保护的罐体周围没有高耸建筑，相对比较孤立，雷击概率很大。如果罐体遭受雷击，由于内部为易燃易爆原料，很容易发生爆炸。
2.2 反击
接闪器的作用是靠其对雷云电场引起的畸变将雷闪吸引到自身，并安全导入地中，从而使位于其保护范围内的设备和建筑物免遭直接雷击。但所引下的是幅值极大、上升陡度很高的雷电流，此雷击电流入地后会使地电位突然升高，与设备连接的地线将此高电位引入设备，对被保护设备形成危害[4-5]。
3 方案设计
选用3套提前放电避雷针，安装在罐体北侧，每支避雷针高度为18 m，安装于设计图纸所示的位置（图2），通过三针联合保护的方式对罐体进行防护；同时对彩钢板顶部屋脊处敷设避雷带，并做3处接地，且用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢进行连接，组成一个地网。
每支避雷针选用2块石墨接地极作为垂直接地体，选用2支40 mm×4 mm的热镀锌扁钢作为水平接地体做独立的接地装置，接地电阻达到10 Ω以下。
同时，对整个罐区做接地网，选用12块石墨接地极作为垂直接地体，选用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢作为水平接地体做接地网，接地电阻达到10 Ω以下（图2）。
避雷针的保护半径根据GB 50057—2010中滚球半径法确定：
rx=[H（2Hr-H）]1/2-[Hx（2Hr-Hx）]1/2
其中：H为避雷针高度，此处相对于彩钢板顶的高度为8 m；Hr为滚球半径，二类建筑取45 m；Hx为被保护物的高度。
由此可以计算出3支等高避雷针在10 m高度上的保护半径为25.6 m；避雷针保护轴线的中心最低点为5.9 m；避雷针之间在10 m高度的最小保护宽度为25 m。其保护范围可以满足对各罐体进行有效的防护，各管体均在避雷针保护半径内。
当雷雨云形成时，云与地面之间产生一个电场，此电场强度可达到3 kV/m，从而使地面凸起部分或金属部件上开始出现电晕放电。当雷电云层内部形成一个下行先导时，闪电电击便形成了。下行先导电荷以阶梯形式向地面移动，下行先导携带着的电荷使地面建立起电场，从避雷针尖端产生了一个上行的先导，此上行先导向上传播一直到与下行先导会合。此时，闪电电流便流过所形成的通道，地面上的其他建筑物可能会生成数个上行先导。与下行先导会合的第一个上行先导决定了闪电电击的地点。
4 结语
雷电防护工程是一项系统工程，需要综合考虑被保护物周围雷电环境、土壤地质环境、被保护物的特征及雷电灾害发生的后果等。对被保护物进行综合评价后，应选取科学合理的防雷措施，将雷电灾害危险程度降到最低。
5 参考文献
[1] 李密，邱东凤，石娟，等.淄博市雷电灾害易损性风险评估及区划[J].中国安全生产科学技术，2013，9（8）：177-182.
[2] 王爱军，柴瑞.唐山市雷电灾害易损性分析及易损度区划[J].建筑电气，2010，29（10）：28-32.
[3] 黄灏，王宝.烟台市雷电灾害易损性分析及区划[J].山东气象，2012，32（130）：35-38.
[4] 王鸣晓，林建民，马光进，等.电气设备防雷工程设计探讨[J].气象科技，2013（2）：417-421.
[5] 闫战岭.建筑物防雷工程设计分析[J].现代建筑电气，2016（8）：62-65.