探讨城市污水处理厂的雷电防护

刘娟 陈锡晖

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湖南省常德市气象局，415000 2湖南省常德市防雷中心，415000

摘 要

随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、中水回用行业处于同等重要地位。截至2010年9月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇（以下简称“城镇”）累计建成污水处理厂2631座，全国正在建设的城镇污水处理项目达1849个。在全国设市城市中，已有593个城市建有污水处理厂，占设市城市总数的90.7%；累计建成污水处理厂1623座；其中36个大中城市（直辖市、省会城市和计划单列市）建有污水处理厂376座。在县城及乡、镇中，全国已有933个县（含生产建设兵团团级单位）建有污水处理厂，约占县城总数的52.1%；县城及乡、镇建有污水处理厂1008座。污水处理厂露天装置多，有大面积的储水构筑，监测、控制设施分布比较分散，由于雷电放电和LEMP带来的雷击风险比较大。随着自动化更深入，对雷电防护的需求更为提高。缺少有效防护措施的控制系统或它的一部分遭受损坏，带来的后果十分深远，包括可预期的设施功能恢复成本及不可预期的水体污染清除费用。而单一的外部防雷在电子信息时代已经证明不能完全适应需求，现代防雷技术也因此带领我们走入了综合防雷的时代。可靠的风险评估；取材、布置位置合理、功能良好的直击雷泄流系统；合理的地网位置、形式的设置；合理的走线、布线、屏蔽；有效的等电位连接及适当的SPD设置，安全的高斯距离等的整合效应，直接地证明了“专点专防”的局限性和不可取性，这也是被实践所认证了的。常德桃源县城污水处理厂地处桃源县漳江镇浔阳路，四周地势空旷，厂区单体项目大部分为半地下构造，露天水域比较广，地面高度小，各系统线路穿钢管埋地敷设。在处理规模、地理择位、四置环境上、厂区工艺装置组成上具有一定程度上的代表性。本文主要通过对该污水处理厂雷电防护的探讨，以期总结城市污水处理厂的综合雷电防护规律及重点内容。 关键词：污水处理 综合雷电防护 合理布线

1 引言

随着人口急剧增长、工业迅速发展，水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，并快速增长。污水处理即，通过人工强化处理，把从污染源排出的废水利用物理、生物、化学的方法进行净化处理。厂区包括各种不同处理的构筑物、附属建筑物。本文通过对常德桃源县城污水处理厂雷电防护的探讨，以期总结城市污水处理厂的综合雷电防护规律及重点内容。

2 桃源县城污水处理厂情况

该污水处理厂位于桃源县浔阳路。厂区主要建筑及其功能包括：

（1） 粗、细格栅：去除大部分杂物以满足后续处理工艺的水泵进水要求。 （2） 提升泵站：通过水泵将污水送至反应池。

（3） 反应沉淀池：主要投加药剂发生凝絮反应，形成矾花，提高污染物的去除效果。

并去除SS、絮凝过程产生的矾花。构筑地面标高3.3m。

（4） 配水池：实现快速布水的要求。

（5） 快渗池：是本工艺核心处理构筑物，负责全厂二级生化处理，去除大部分的污

染物质。

（6） 消毒池：对人工快渗池出水进行消毒，然后排放；污泥脱水机的反冲洗水，同

时便于取水监测水质等。

（7） 污泥储池：用于储存、浓缩来自沉淀池中的污泥，地面标高1.8m。

（8） 污泥脱水机：负责污泥浓缩工艺。脱水机房地面单层建筑，规格20×8×6.9m。 （9） 加药间、除臭系统、配电间及综合房等。其中加药间为地面单层建筑，规格11.4

×8.4×5m；配电间地面单层建筑，规格10×8×4m；综合房地面建筑，地上两层，局部单层，规格27×9.9×7.9m。

厂区用第面积32373㎡，总图如图1所示：

图1 厂区总图

2 厂区的综合雷电防护分析

2.1 确定防雷类别

该污水处理厂组成建（构）筑均为钢筋混凝土结构，地面高度比较低，大多为半地下构造，厂区内无易燃易爆等高危场所。根据GB50057-94（2000）的相关建筑物年预计雷击次数计算，各单体建筑物的计算终值均较小，低于三类防雷建筑入围标准值。但这并不意味着厂区各设施是安全。因为，一方面，不属于直击雷防护类别的单体，并不等同各单体建（构）筑就不会遭遇雷击损害，相反，污水处理厂由于地势空旷，且有大面积储水构筑，遭遇不同方向的不同形式的雷击的可能性比较大，因此，应适当采取简易的直击雷防护措施，以致在厂区形成有效的雷电泄流通道；另一方面，从雷电防护的需求及根据GB50343-2004对建筑物及入户设施年预计雷击次数计算，与系统可接受的最大年预计雷击次数做比对分析：桃源地区年预计雷击次数为49.7天，属高雷区(C6=1.2)，厂区所在地雷击大地的年平均密度，区内建筑物屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料（C1=1.0），（Ng）为3.85次/（km２・a）

入户的通讯线路和电源线路均采用埋地敷设，高压电缆埋地引入配电室，经变压器调压后穿钢管埋地敷设，输送至各用电设施配电箱。厂区土壤为粘土层，土壤电阻率（ρ）近似为200Ω・m。系统可接受的年预计雷击次数根据公式一计算得出Nc⊂(0.015~0.0296)次/a，根据公式二、三、四、五计算得出雷电拦截效率（E与N呈正相关）Emin为0.93。因此，电源系统、控制系统及通讯系统须采取有效的雷电防护措施。

Nc=5.8×10−1.5/C

（公式一） （公式二）

A'e1=0.1•ds•L•10−6

A'e2=2•ds•L•10−6

（公式三） （公式四）

N2=Ng•A'e1+A'e2

()E=1−

Nc

N

（公式五）

注：公式详情见GB50343-2004第4.2条及附录A。 2.2 接闪器

环周有金属栏杆的池壁，利用金属栏杆直接作为接闪器，如栏杆中间有断开时，用40×4热镀锌扁钢焊接连通。

有金属雨棚的项目，直接将金属雨棚等可靠接地。

办公楼等建筑屋面设置Φ10热镀锌圆钢沿屋顶四周、屋脊等高处突出的位置设置避雷带，不同高度屋面的避雷带通过Φ10热镀锌圆钢或柱内主筋进行不少于两处的电气连通。

突出屋面的金属构造物及金属管道等与屋面避雷网可靠焊接连通，需要保护的设备应处在接闪器的保护范围内，其金属外壳等与避雷网可靠焊接连通。 2.3 引下线

建（构）筑顶面等电位接闪系统通过柱内主筋引下接地，利用作为引下线的柱内主筋上下通长焊接，上端与接闪系统可靠连接，下端与基础接地装置可靠焊接连通。 2.4 接地装置

利用建（构）筑物基础钢筋（包括桩基钢筋、承台底板钢筋、地梁钢筋等）做接地装置。整个厂区将各单体防雷接地、电气设备保护接地、重复接地、弱电接地等采用共用联合接地地网，联合地网接地电阻不大于4欧。当弱电系统有更高的要求时，联合地网接地电阻设置值以弱电系统低值为标准。当自然接地装置不能满足电阻要求时，增设人工接地装置，接地装置距离建筑物出入口或人行道段，局地埋深1m。人工水平接地体可取材40×4热镀锌扁钢，垂直接地体可取材L50×50×5×（1500~2500）热镀锌角钢，角钢间距D≥2l，即2（1500~2500）。

各单体每根引下线，在周围地面下距地面不小于0.5m，所连接的钢筋表面积总和及防雷接地冲击接地电阻值参照三类防雷建筑标准，即S≥1.kc。根据规范规定，当土壤电阻率ρ小于或等于3000Ω・m时，在防雷的接地装置通其它接地装置和进出建筑物的管道相连的情况下，防雷的接地装置可不计及接地电阻值。但其接地装置的设置有如下要求：防直击雷的接地装置设置成环形接地装置，环形接地体所包围的面积的等效圆半径环形接地体不需补加接地体；等效圆半径

A

2

A

≥5m时，

π＜5m时，每根引下线处应补加水平接地体或

A，当补加水平接地体时，长度需

π垂直接地体。当补加水平接地体时，长度需求l=5−

r求l

5−

v

πA=

π2

（A为环形接地体所包围的面积）。

如综合房基础环形接地体面积（A）为27×9.9㎡，等效圆面积大于9m，综合房的防雷

接地装置可直接利用其基础桩筋及地梁钢筋做环形接地装置，该接地装置可不计及接地电阻值。

2.5 管线等接地

长金属物平行间距小于100mm时采用金属线跨接，跨接点间距不大于30m；交叉间距小于100mm时，交叉间距处跨接。厂区输送管道、穿线金属钢管及类似金属体在各防雷区界面处应可靠等电位并接地。

地面各凸出的金属构件、金属爬梯等应可靠接地。 2.6 电源系统雷电防护

照明系统、动力系统、控制系统等均需要电源的参与，通过电源线路传导过来的雷电过电压及大型设备启闭产生的操作过电压，严重时会对控制系统、耐压较低的电气设备等产生严重的损害。根据现场设计，该污水处理厂两路10kV高压电缆埋地引入，由出线柜引至两台变压器，变压后，经SC钢管埋地引入至各厂区单体建（构）筑配电箱，再分支各用电设备，如PLC控制柜等。各变压器高、低压侧设置了避雷器。

设置在变压器低压侧的避雷器与被保护设备之间的线路过长，单级保护很难满足要求。因此，对于，该处理厂建议采用三级雷电防护：第一级为变压器的低压母线侧，SPD的IN参数值取≥15kA（10/350μs）或≥60kA（8/20μs）；第二级设在各分级配电箱，SPD的IN参数值取≥40kA（8/20μs）；第三级设置在末级配电箱，如PLC控制柜进线侧，≥20kA（8/20μs）；直流配电柜前端设置IN≥10kA（8/20μs）的SPD。

配电系统采用TN-S的配电制式，进出建筑物的各电缆线路穿线钢管在进出建筑及后续防雷区界面处等电位并接地。 2.7 控制系统雷电防护

自动化控制是一种发展方向，更可能形成一种应用需求。自动化程度高，各种敏感的电子电气设备的应用程度就更高、更深入。因此，控制系统的雷电防护是一个重点内容。主要内容包括，合理的布线及SPD的设置等：进出各主控设备及控制设备终端的线路应穿钢管埋地敷设（l≥2

ρ，lmin=15m），穿线钢管在进出处可靠接地，并保持整体电气导通。

此外，主控设备的进出端、终端设备处应设置参数合理的信号控制SPD。

2.8 通信系统雷电防护

典型的通讯系统，包括电话、网络等。采取的雷电措施主要有：进出的线路穿钢管埋地敷设，（l≥2

ρ，lmin=15m），穿线钢管在进出处可靠接地，并保持整体电气导通。此外，

在进线综合箱、设备（计算机）终端设信号SPD，计算机终端结合使用防雷插座。 2.9 室内等电位连接

将室内正常不带电，而当绝缘破坏有可能呈现电压的电气设备金属外壳可靠接地。变配电室等设备比较多的建筑物内采用M-S型等电位连接网络，沿室内环周设等电位连接带，取材50×5热镀锌扁钢，距地0.3m明敷，过门处暗敷，将室内各设备金属外壳、基础槽钢、穿线钢管等与等电位连接带可靠连，主等电位连接带与从建筑预留的接地端子可靠焊接连通。其他单体建筑参照02D501-2中等电位连接的做法，设置等电位连接端子，将建筑物内的输送管道及类似金属体、电气设备金属外壳、设备保护线等进行等电位连接并接地。

3 城市污水处理厂综合雷电防护规律及重点内容

3.1 合理设置地网

合理的地网设置能有效地降低地电位反击。污水厂区各单体项目间通过输送管道、穿线钢管等类似金属体，为联合地网的设置创造了条件。充分利用金属送水管或钢筋混凝土输送

管道内的金属构件作为自然接地体、各单体项目利用基础钢筋形成环形接地装置，需要增设人工接地装置的地方辅以适当数量、材型及合理布置位置的水平或垂直接地体，如此形成的接地装置能很大程度上减少地电位反击。

同时，为了防止跨步电压等，在建筑物出入口及人行道，人工接地装置局部埋深≥1m。 3.2 合理走线、布线

合理走线、布线在污水厂区整个防雷中是一个特别重要的环节。包括布线、走线位置避开直击雷泄流点（如各引下线泄流点）；强、弱电分开敷设；进户线路钢管屏蔽且接地，并保持穿线钢管整体电气导通等。

3.3 有效的等电位连接，适当的SPD设置

有效的等电位连接能均衡电位，减少反击。由于计算机、PLC系统对瞬时过电压比较敏感，同时，自控系统各种线路布置到厂区的各工艺建（构）筑，采用任何一种单级、单线路的SPD都难以保证系统的安全，需采取位置、参数、层级合理的避雷器才能有效抑制线路过电压，才能将雷害抑制在低水平。 3.4 可靠的风险评估

风险评估时对项目现场气候环境、雷电环境、项目结构、项目附属设施等情况进行详细的了解，通过资料、数据加工，在经济原则的前提下，提出可行性建议和注意重点。准确的风险评估，能有效地指导项目在防雷设计、施工时有重点、有系统，真正达到安全可靠、经济合理的目标。

4 总结

污水处理厂的防雷工程是一个系统工程，“专点专防”可能最终导致形同虚设，浪费投入。随着污水处理技术自动化程度的日益提高，自控系统的雷电防护需求将显得更为突出。一系列的防雷措施下来，最终还是体现了一个综合雷电防护措施的整体性，合理的地网设置、电源、信号系统走线、布线、有效的等电位连接、适当的SPD设置对污水厂区防雷效果而言，功劳可能更大一些。

参考文献

【1】国家标准.《建筑物防雷设计规范》.GB50057-94.中国计划出版社.2001

【2】国家标准.《建筑物电子信息系统防雷技术规范》.GB50343-2004.中国建筑工业出版社.2004

第一作者简介：

刘娟（1990年8月-）：学历大专，助理工程师，毕业于南京信息工程大学，现工作于常德市气象局。