油罐區綜合防雷技術應用設計

姚薇，李明軍

（1.淮安信息職業技術學院，江蘇淮安223003；2.南京市六合區防雷中心，南京211500）

1 油罐區防雷的必要性

油罐儲油是當前應用最主要且普遍的一種儲油方式。在進行風險分析時，首先必須了解油品易揮發、易流失、易燃燒、易爆炸等性質，對于防雷工作具有重要意義［1－2］。目前在大型罐區單罐容積已達1×105m3以上的儲罐已是屢見不鮮。如此巨大的油罐一旦發生火災爆炸等突發事故，將會導致嚴重的人員傷亡和財產損失，社會影響也是難以估量的。

2 防雷工程優化改造與實施

防雷工作對安全生產至關重要，一般在設計油罐時，都會進行接閃桿的同步設計。但由于油罐改造后的體積增大了，卻并沒有對接閃桿進行改造，就造成了兩方面的問題：接閃桿和油罐的距離變小，達不到規范的要求；接閃桿的高度不能保護直徑和高度增大的油罐。經相關部門對淮安所屬化工企業油罐區檢查，發現所屬油罐區的儀表控制系統所在機房沒有進行防雷保護，因而必須重新設計防雷方案，對油罐區進行防雷改造。

油庫是儲存危險性油品的專用場地，在對明火等可能存在的危險進行有效控制后，雷電就成為引發油庫火災的主要原因。針對油罐區如何設計有效的防雷措施，需從以下幾點考慮。

2.1 油罐區直擊雷的防護措施

雷直擊到油罐浮盤后，強大的雷電流從浮頂經罐壁入地，在電流泄放的過程中，在浮頂與罐壁近距離的金屬物就會發生放電現象。如果此時密閉空間的油氣濃度高于爆炸極限的下限時，必然會引發火災、爆炸事故。雷電流此時就是一個點火源［3］。

當油罐的體積比較大，設計時一般會增加油罐的直徑，造成油罐的浮頂表面積增加較多。具體數據見表1所列。

表1 浮頂罐浮盤金屬表面積同罐壁金屬表面積的關系

從表1可以看出，當儲罐的容量不斷增加時，浮盤表面積增加較多，甚至已經大于罐壁的表面積。研究表明浮頂罐浮盤的金屬表面積的大小和雷電感應電壓的高低呈正比上升的關系。在沒有接閃桿防護的場所，大容量油罐浮盤上的雷電感應電壓非常高，在浮盤上升到儲罐頂部時遭直擊雷而導致爆炸的可能性就很高。

為了減少這種危險發生的可能性，依然需要在油罐區增加接閃桿進行直擊雷的防護，進而增加油罐的安全性，這在技術上易于實現。針對江蘇清江石化公司南罐區有4個1×104m3（601號、602號、604號、604號）和1個2×104m3（605號）的浮頂油罐的現狀，采取增設接閃桿線的防護措施。以下對防雷方案進行簡單描述：

觀測到該化工廠南罐區現場浮頂油罐的密封由于長期的上下移動，有明顯的磨損痕跡。在油罐頂部，可以明顯感覺到有油氣逸出。如果罐頂直接遭受雷擊，必然會導致爆炸等嚴重事故。以往電氣工程師認為只要油罐罐體厚度達到規范要求，就可以不用安裝獨立接閃桿線來保護，所以根據現場觀察筆者認為浮頂油罐必須裝設獨立接閃桿線，尤其要結合現場的實際情況來綜合考慮。該次改造的總體防雷思想是采用針線相結合的防雷措施，在工程實施過程中主要是防雷設施的優化改造和保護范圍的確定。

按照《中石化［97］安技字17號》的要求，必須及時更換和維修已損壞的消雷器部件和構件，不能更換和維修的應停用拆除。根據檢測結果，2組消雷器損壞嚴重，只能進行更換。針對油罐區存在的雷災隱患，經過各有關部門技術人員的討論研究建議采用優化式接閃桿ZGU－Ⅲ－5A2替換現有消雷器，并且采用上述針線結合的防雷措施進行安裝。

該公司油罐區接閃桿屬改造項目。油罐區五個油罐的尺寸如下：601號～604號油罐直徑為18m，高度為13m，容量1×104m3，兩罐間距8m。605號油罐直徑40m，高度19m，與604號油罐最短距離16m。為了增強避雷效果，筆者采用接閃桿線結合的方法，在圖1中兩個位置建立高度28m的鐵塔，在鐵塔頂端安裝2m的接閃桿。因為需要保護的是油罐區，屬于第一類防雷要求，滾球半徑取30m，按照《建筑物防雷設計規范》第三章中接閃桿保護范圍計算公式，計算得出此接閃桿在地面的保護半徑為29m，為了確保油罐頂部避免受到雷擊，所以筆者輔助安裝避雷線增加防雷強度，如圖1所示。

圖1 接閃桿避雷線安裝位置示意

2.2 油罐區的感應雷防護措施

統計表明，感應雷對罐區的危害特別大，這和罐區的特殊布置有著密切的關系。出于安全需要，油罐區一般都布置在空曠的地帶，周圍較大的區域沒有高層建筑，缺少可依靠的常見防雷建筑。筆者針對油罐可能存在的問題，提出具體的防護措施：

a）油罐內盡量不要采用金屬浮球測量油罐液面高度，由于浮球表面接縫處一般都采用焊接的加工手段，使其表面比較粗糙，可能存在大量毛刺，使靜電容易產生局部聚集。同時金屬浮球在油罐內部，無法進行接地處理，只能利用懸掛的鋼絲繩簡單地通過滑輪與罐外壁進行接觸來釋放靜電，但當滑輪與鋼絲繩處粘附有相對絕緣的油污時，金屬浮球就不能與罐壁形成良好的接觸，靜電釋放能力就很差，容易使靜電聚集并產生放電現象。因此，現在普遍使用導波雷達來進行油罐的液位測量。

b）在浮頂和罐壁之間，安裝伸縮式接地裝置。在現有的規范中，油罐的浮頂和罐壁是采用2根橫截面積不小于25mm2的軟銅復絞線做電氣連接的。一般將浮頂和罐壁用軟銅復絞線直接連接，因而它的連接電阻是固定的。如果采用伸縮式的接地裝置作為接地連接，就可以根據油罐浮頂的位置來控制伸縮接地裝置的接地線長度，達到降低連接阻抗的目的。可伸縮接地裝置的設置數量依然根據軟銅復絞線做電氣連接時的要求，在油罐浮頂圓周均勻布置，當圓周長度大于30m時，適當增加數量。雷電流泄放時接地電阻主要表現為沖擊阻抗，它遠遠大于直流阻抗。因此，可伸縮接地裝置的接地電阻值的沖擊阻抗會明顯小于軟銅復絞線的沖擊阻抗。研究表明，在對油罐頂部采用多套可伸縮接地裝置來替代采用軟銅復絞線的連接方式后，可以在數量級上降低浮盤的瞬間壓降。因此，采用伸縮式接地裝置后就可以在發生雷擊時有效減少產生火花放電的可能性［4］。

2.3 油罐區儀表控制系統的防雷改造

根據罐區的實際情況，盡量利用原有建筑，通過增加防護設備，規范作業等措施，對儀表系統的防雷措施進行改造，達到經濟、高效的目的。

a）儀表線路安裝浪涌保護器。從供電線路入侵的雷電過電壓占雷擊事故的大部分，高電壓可直接損壞儀表設備，按照IEC61312的原則，儀表系統的供電線路上應設置多級防雷保護措施。該次設計的電源系統就是在不同的場所安裝不同保護級別的浪涌保護器，即SPD，從而將過電壓降到設備能承受的水平。

弱電系統防雷還沒有專門標準，在現有防雷措施尚不足以保護弱電設備的情況下，在許多場所采用了浪涌保護器。其主要功能是通過泄放浪涌電流來限制浪涌電壓，起到防雷保護的作用。具體措施：將從室外來的導線（包括電力電源線、信號線、控制線等）與系統接地線間并聯配套的避雷器。當感應雷擊發生時，在線路上產生的過電壓波就會沿著這些導線進入室內或設備，這時，并聯在線路上的浪涌保護器就會從正常較高的電阻值突然降到很低的電阻值，近于短路狀態，將感應雷擊電流快速分流入地，這樣就可以有效保證感應電流不會傳輸到儀表設備上，從而達到保護儀表設備的目的。當雷電流釋放結束后，浪涌保護器又快速恢復到較高的正常電阻值，以滿足線路正常工作的需要。

b）第二級防護。因為CLASS I級電源保護器主要是對大浪涌電流進行吸收，吸收后的電壓依然遠高于內部的敏感用電設備的承受能力，所以必須采用進一步的防護措施，將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1 500～2 000V的水平。

配電柜線路采用電源防雷器作為第二級保護時依然采用限壓型浪涌保護器，要求其雷電流容量應不低于20kA，限制電壓應小于1 200V，響應時間不大于25ns，稱之為CLASS II級電源防雷器，并將其安裝在重要設備供電配電處，吸收已經被第一級防護處理過的殘余浪涌能量，可以有效防止瞬態過電壓的危害。一般供電系統做到第二級保護時，就可以達到用電設備安全運行的要求了。

在該次改造中將浪涌保護器安裝在儀表控制柜中，與儀表控制柜的進線電源并聯。控制柜的電源取自已經安裝第一級防護浪涌保護器的配電柜回路。在安裝了第二級浪涌保護器后可以進一步削減可能通過前級避雷器的電流或其電源線上的感應過電壓，將線路過電壓降至設備可承受的水平，對儀表控制柜內設備有良好的保護作用。選用防雷產品具體參數：每相最大沖擊電流容量為20kA；限制電壓小于1 100V。

c）第三級保護。采用第二級保護就基本可以達到用電設備運行的要求，但對于儀表設備來說，殘余電壓依然很高，必須再次進行第三級保護。它是保護設備的最后手段，仍然選用浪涌保護器來進行防護，可以有效地將殘余浪涌電壓值降低到設備允許電壓以內，使浪涌的能量不致損壞設備。將電子信息設備保護端安裝的電源防雷器作為第三級保護時，接線方式應為串聯式。

該次改造中將避雷器安裝在儀表控制柜中，與來自現場的設備接線串聯，可以進一步削減可能通過前級避雷器的電流或其電源線上的感應過電壓，將線路過電壓降至設備可承受的水平，保護其后端的設備。選用的防雷產品具體參數：每相最大沖擊電流容量為1kA；限制電壓小于30V。

d）其他防護。在改造的現場還發現一個問題，就是從現場DCS設備引到控制柜的卡件在雷雨季節有電壓擊穿的現象。從現場分析來看，此類設備由于安裝的地點較為偏僻，與控制室的距離較遠，容易受到感應雷擊的影響，所以專門在這些設備現場進行了防雷保護。選用的防雷產品可以保護設備免受通過DCS的4～20mA信號以及脈沖信號傳輸電纜線侵入的雷浪涌的沖擊。該浪涌保護器只吸收雷浪涌，而不影響計測信號；限制電壓小于30V。在接線時必須采用串聯的接線方式。

特別需要提出的是，在具體接線時，浪涌保護器兩端的接線應盡量縮短。IEC標準規定浪涌保護器的接線總長不應超過0.5m。這是因為當浪涌保護器導通放電時，施加在被保護電氣設備上的雷電脈沖殘壓不僅是浪涌保護器額定的限制電壓，還要加上浪涌保護器與被保護設備之間連線上的電壓。連線電壓大小主要由Ldi／dt的數值決定，其中L為浪涌保護器兩端接線的電感，di／dt為雷電脈沖電流的陡度。要想使連線的電壓最小，主要是降低L的數值，最可行的方法就是減少接線長度即減少電感。因此，要求浪涌保護器安裝在配電箱帶電導體母排和接地線母排之間，以使其接線長度最短。現在的產品已經按配電箱內斷路器的模式來制作，不僅可以方便地安裝在配電箱內母排之間，更可以減少連接線的長度，這對減小殘壓十分有利［5］。

3 防雷改造小結

結合公司的實際情況，采用整體防御方法，對薄弱環節、重點設備進行全面防護，盡量利用現有資源，達到經濟、高效的目的。具體的工作主要包括：

a）對油罐區采用接閃桿、避雷線相結合的防雷方法，防止直接雷擊的危害，有效保證油罐的安全。

b）對采用的浪涌保護器產品進行詳細的了解和區分，對設備應用的場所進行仔細區分，使浪涌保護器真正地發揮作用。

c）對以往接線方式進行統一、規范，從系統的角度來進行防雷保護。

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