娄底市污水处理厂防雷工程设计学位论文 精品.docx

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娄底市污水处理厂防雷工程设计学位论文精品

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