二手钢结构厂房内不接地电子系统的综合防雷措施研究

【摘要】本文主要探讨钢结构厂房内部不接地计算机控制系统的防雷措施，并提出了一种综合应用接闪、屏蔽、接地、分流等防雷措施的防雷方法。在钢结构铝电解厂房

应用后，解决了计算机控制系统遭雷击瘫痪影响生产的隐患，并经两次雷雨天气检验效果良好。

【关键词】铝电解；钢结构；计算机控制系统；防雷；不接地系统

钢结构厂房因其施工工期短，投资少，

回收率高等优点在工业厂房中日渐普及。郑

州发祥铝业有限公司铝电解车间为钢结构厂

房，在2006年~2012年间，累计遭5次雷击，

均造成厂房内安装的电解槽计算机控制系统

瘫痪，给生产造成了较大影响。

一

、铝电解厂房易遭雷击原因探究

2005年以来，铝电解企业不断遭受雷击

困扰，在河南、四JIl等地尤为严重。究其原

因，主要有以下原因：

1．铝电解生产采用高达数十万安培的

大电流熔盐电解法，其导电母线裸露，故需

要严格控制接地点以防构成接地回路导致人

身触电事故。电解铝厂房内电气设备通常采

用独立隔离电源并对地绝缘安装，这也为其

防雷增加了难度。铝电解生产的主要控制

设备～铝电解槽控机由于工艺操作安全的要

求，必须采用绝缘法安装，其外壳对地及其

他金属件完全绝缘。而槽控机是一个高度精

密的微电子设备，当电解厂房遭受雷击时，

闪电通道中会产生高达几百万伏的脉冲电

压、几万安培的脉冲电流， 电流上升率会达

到几万A／ S，所以在闪电通道周围的空间会

产生强烈的闪电电磁脉冲， 雷电电磁脉冲以

雷击点为中心向周围传播，在槽控机微电子

元件的信号通道、电源通道上产生感应过电

压和过电流，从而导致元件损坏。

2．电解厂房由于直流大电流产生的强磁

场及电场，对雷雨云中的电荷有吸引作用，

当雷雨云的高度较低，或者雷雨云与厂房之

间由于雨滴及粉尘造成绝缘降低，雷雨云与

厂房间直接击穿放电。故电解厂房因其特殊

的原因更易引来雷击。

3．电解粉尘尤其是烟囱粉尘在上升过

程中产生电荷，其实际引雷效果高于自身高

度，更易成为雷电接闪通道，增加雷击可能

性。

4．根据《建筑物防雷设计规范》

(GB50057—2010)要求，钢结构厂房屋面直

接作为引雷接闪装置，并通过钢结构厂房钢

柱等直接对地引雷。而钢结构厂房在厂房立

柱与檩条之间、檩条与彩钢板之间的“可靠

连接”无法保证，造成接地通道不规则，接

闪时电流通道分散， 电磁干扰范围大，增大

雷电电磁干扰损害范围。

二、铝电解厂房的防雷措施演变

2006年，河南神火铝业与陕西中天网景

联合研制了应用于电解厂房内部不接地计算

机控制系统的浪涌保护器，使用效果较好。

郑州发祥铝业有限公司在电解控制系统遭受

雷击后，也与武汉某大学合作加装浪涌保护

器。但在后来的3次雷击灾害中，浪涌保护器

虽相对未加装前减弱了雷电损害的程度，但

仍未能完全避免控制系统损坏。原理上，浪

涌保护器在接闪、分流、屏蔽、均压、等电

位、接地等六大防霄措施中属于分流措施，

当回路中因外界干扰产生尖峰电流或者电压

时，浪涌保护器在极短的时间内导通分流，

从而避免对回路中其他设备造成损害。理论

上浪涌保护器对微电子设备的保护具有不可

取代的作用，但是其有本身的缺点：

1．浪涌保护器的响应时间及残压对其

保护效果起决定性作用，只有采用响应时间

快，泄压可靠，残压小的浪涌保护器，才能

起到较好效果。

2．原则上浪涌保护器与回路中的其他设

备并联， 当尖峰电压产生时，回路中其他设

备同时受到冲击，在浪涌保护器的响应时间

内设备不能承受尖峰电压时，也无可避免地

会受到损害。

同时浪涌保护器需要检测手段定期检测

确保工作正常，此检测手段要求相对较高，

拉高了维护成本。如检测不当不能及时更换

失效的浪涌保护器，则对保护设备同样留下

较大隐患。

2012年登电集团铝合金厂在铝电解控制

系统加装浪涌保护器的基础上，综合增加了

通讯线缆的屏蔽接地，并配合原有的防雷接

地网，应用效果较好。

三、综合防雷措施方案

结合郑州发祥铝业有限公司钢结构铝电

解厂房历年雷击的特点， 电子设备外壳屏蔽

接地是防止雷击对电子设备造成损害的最有

效措施。然而由于铝电解生产的特点，邻近

直流母线的设备从人身安全方面考虑禁止接

地。由此，采用大屏蔽接地来规避单独设备

屏蔽接地就成为选择方案，再辅以其它防雷

措施，构成对钢结构厂房内的电子设备的综

合防雷保护措施。

1．屏蔽

雷电电磁脉冲是雷电过程产生的瞬变电

流和电磁辐射，是信息化时代的防雷薄弱环

节。屏蔽可阻止或减少交变磁场向区域内的

渗透。是防电磁脉冲伤害最有效的手段。

若钢结构厂房不用于直接接闪，则钢结

构厂房成为内部设备的金属外壳，钢结构厂

房的接地系统成为设备屏蔽保护层。当雷击

接闪器时，厂房对内部设备形成屏蔽保护，

包括电解槽计算机控制系统，电解厂房内部

设备无法形成感应过电压，从而避免雷击伤

害。在实际应用，应注意以下措施：

(1)改善厂房的檩条与彩钢板、立柱之间

连接的可靠性，确保屏蔽层可靠接地。

(2)将电气控制系统通讯信号线、其他信

号线屏蔽层分段可靠接地并确保与邻近电解

槽的设备外壳绝缘。

2．接闪

由于钢结构厂房做为设备屏蔽层后不能

再承担接闪功能，需要增加接闪措施并确保

钢结构厂房不接闪。钢结构厂房上部增设避

雷带将带来避雷带与钢结构本身的绝缘处理

问题，在厂房周围增装独立避雷针并和原有

直接接闪设备如烟囱、料仓、邻近建筑避雷

带构成防雷覆盖网络是较佳选择。

各增设避雷针与原有直接接闪设备构成

保护覆盖高度啦不小于厂房高度h ，应用直

接作图法。

两针间的保护范围应按通过两针顶点及

保护范围上部边缘最低点0的圆弧确定，圆弧

的半径为Rn’。O点为假想避雷针的顶点，其

高度应按下式计算：

昙

式中：ho一一两针间保护范围上部边缘

最低点高度，单位m；

D一一两避雷针间的距离，单位m。

当ho=h。时，取P=l，由公式：

昙

可求的最小避雷针高度h；再根据多避雷

针覆盖范围作图法检验避雷针覆盖范围，确

保完全覆盖钢结构厂房。

3．接地

避雷针、烟囱等直接接闪设备接地单独

处理。并距厂房3m以上。厂房仍保持良好接

地。

4．分流

在计算机控制系统通讯信号线、电流信

号线、电源线上适量增装浪涌保护器，作为

后备防雷保护，一旦厂房遭受侧击雷、滚动

雷或绕击雷击中时，作为后备保护，降低雷

电伤害程度。

综合防雷措施2013年在郑州发祥铝业有

限公司实施后，至今厂区已经历两次雷击，

均未发生电子设备损坏。可见，综合防雷措

施在钢结构厂房防雷保护上有一定推广意

义。

参考文献

【1] 1国家标准l建筑物防臂设计规范，GB50057．2010．

闭付德报．浅谈电解铝槽控机及控制的防雷系统卟中国

西部科技，2010(4]．

【3】刘极锋．基于电解铝槽控机系统防冒对策研究Ⅱ】．中国

科技博览，2012(35)．

[4]行业标准．计算机信忠系统雷电电磁脉冲安全防护规

范，GA 267-2000．

【5】魏明．雷电电磁脉冲及其防护【M]．国防工业出版社，

2012(1)．