雷擊石油化工裝置電磁脈沖危害研究

畢曉蕾，劉全楨*，于海燕，劉寶全，高 鑫，劉 娟，姜 輝，高 劍

雷擊石油化工裝置電磁脈沖危害研究

畢曉蕾1,2，劉全楨1,2*，于海燕3，劉寶全1,2，高 鑫1,2，劉 娟1,2，姜 輝1,2，高 劍1,2

1 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島 266071

2 化學品安全控制國家重點實驗室，青島 266071

3 國網山東電力公司榮成市供電公司，榮成 264300

為了分析雷擊石油化工裝置產生的雷電電磁脈沖危害，基于電流線性衰減的傳輸線雷電模型，采用時域有限差分法仿真計算了100 kA強雷電雷擊石油化工裝置產生的電磁脈沖。結果表明，水平電場在地面以上受地面反射影響波形變化很大，而地面以下波形變化不大，主要是幅值的變化；垂直電場地面上下的幅值差別非常大，地上的波形隨高度的增大差別不大，地下的波形第一個峰值隨深度的增大而減小，由于反射的影響，第二個峰值隨深度的增大反而有所增大；水平磁場的變化比較規則，地上的水平磁場受高度的影響較小，僅隨與通道距離的增大而減小，地下的水平磁場隨深度的增大，幅度有所衰減，波形趨向平滑；在地上5 m，距離雷電通道 10 m處的水平電場峰值達到了110 kV/m以上，垂直電場峰值達到了240 kV/m以上，水平磁場峰值達到了2 300 A/m以上，如此強大的電磁脈沖對石化企業的防雷設計是一種嚴峻考驗。

雷擊；石化裝置；雷電電磁脈沖；時域有限差分法

0 引言

雷電是自然界中一種激烈的放電現象，由此引起的雷擊災害被聯合國列為十大自然災害之一。據有關部門統計，全世界平均每分鐘發生雷暴2 000次，所導致的火災、爆炸等時有發生。據不完全統計，每年因雷電而造成的傷亡的人數大約有3 000～4 000人，因雷電災害造成的直接和間接經濟損失達到幾十甚至上百億元。

我國石化企業多數分布在沿江沿海雷電災害頻發地區，易發生雷擊事故。在石油化工生產廠區，往往存在大量易燃易爆混合物[1]，雷電產生的電火花一旦引起爆炸就會造成巨大破壞和人員傷亡，因此，石化廠區的防雷越來越重要。近年來，因雷擊高大石化裝置產生的電磁脈沖造成儀表和電氣設備損壞、分布式控制系統死機等事故時有發生，給石化企業的安全生產造成了較大影響。

為了分析雷擊石化裝置的電磁輻射危害，本文對雷擊石化裝置產生的雷電電磁脈沖(LEMP)的分布規律進行計算研究。雷擊石化裝置的理論計算可分為3個步驟：首先是建立雷擊石化裝置雷電通道模型，描述雷電回擊過程，解決輻射源的問題；其次是選擇電磁場輻射計算方法；最后是根據實際情況，建立計算模型，通過計算得到電磁輻射計算結果。

1 雷擊石化裝置雷電通道模型

根據回擊模型支配方程式的種類，雷電通道模型可分為氣體動力學模型[2-4]、電磁模型[5-7]、分布電路模型[8-10]和工程模型[11-18]。本文的雷電通道模型采用工程模型中的電流線性衰減的傳輸雷電模型(MTLL)進行理論計算研究。石化裝置可以簡化為圖1，石化裝置作為雷電流放電通道的一部分，會引起雷電流的反射，如圖1所示，雷電流在石化裝置頂部和石化裝置底部都會存在反射，反射系數為：

圖1 雷擊石化裝置示意圖Fig. 1 Sketch of a petrochemical plant struck by lightning

其中，Zch石化裝置頂部以上部分雷電通道特征阻抗，Zob為石化裝置特征阻抗，Zgr為大地特征阻抗。

當'zh＞，即石化裝置頂部以上的雷電通道電流分布為：

式中，h為石化裝置高度；I(z′，t)為t時刻，通道內z′位置上的電流值，z′的起始位置為石化裝置頂部；c為光速；Isc(h, t)為雷擊短路電流；v為沿雷電通道的雷電流傳播速度，石化裝置頂部以上空間雷電流傳播速度v = c/3，石化裝置上雷電流傳播速度v = c；n為在雷電波發生反射的次數。

2 雷擊石化裝置電磁輻射計算方法

本文在計算中采用時域有限差分法(FDTD)[7-8]對地閃回擊通道附近LEMP的分布規律進行研究。雷電放電通道采用MTLL回擊模型進行模擬，假設雷電放電通道垂直于地面，則雷電放電通道周圍的場具有對稱性，場分量的大小與方位角無關，因此可看成一個二維問題在柱坐標下求解，雷電放電通道附近LEMP的網格劃分如圖2所示。

圖2 二維柱坐標下FDTD計算域網格劃分Fig. 2 FDTD two-dimensional computational domain mesh division

二維柱坐標系下的差分方程如下[9]：

考慮到所計算問題的軸對稱性，為減少計算量，可以只計算包含回擊通道在內的半個剖面內的場，為此需要對軸線上的Ez作特殊處理。根據安培環路定理，在雷電放電通道高度范圍外，不存在雷電流，采用如下差分格式：

在雷電放電通道高度范圍內，有雷電流存在，采用如下差分格式：

式中，I(0，j)為距地面高度為jΔz處的電流元，可選擇某種回擊模型和通道基電流進行計算；ε和σ分別表示自由空間或大地的介電常數和電導率，地面分界面處的電導率和電容率參數設置為大地與空氣的平均值。

邊界的截斷采用改進的Mur一階吸收邊界條件[10]：整個計算過程通過迭代計算得到域內的電場和磁場，雷電通道的引入通過式(9)垂直電場的計算引入，式(9)中電流I通過式(3)、(4)及MTLL雷電通道模型計算得到。

3 雷擊石化裝置電磁輻射仿真結果

計算中采用的雷電通道基電流采用雙指數模型，表達式為：

其中，I0為強雷電情況的雷電流峰值，取典型的雷電流峰值12 kA。圖3給出了55 m高度石化裝置頂部的雷電流波形，可以看到雷電流出現了明顯的反射。

圖3 石化裝置頂部發生反射的雷電流波形Fig. 3 Lightning current reflection waveform at the top of the petrochemical plant

圖4 雷擊不同高度的石化裝置在位置處的水平電場Fig. 4 Horizontal electric feld produced by lightning strike at different heights

根據現場考察石化裝置的環境，取大地電導率為0.001 S/m，大地相對電容率εr設為10 F/m，雷電通道高度設為1 000 m。

圖4為雷擊不同高度石化裝置水平電場分布情況，可以看出，當石化裝置遭受雷擊的瞬間，觀測點的電場值快速增大，隨后快速振蕩減小，逐漸趨于平緩，造成波形快速振蕩的主要原因是石化裝置對雷電的反射作用。水平電場受石化裝置高度的影響較小，30 m和55 m石化裝置的雷擊水平電場相差不到1 kV/m。水平電場受距離影響較大，雷擊55 m石化裝置在10 m處的水平電場達到了8 kV/m以上，而20 m處的水平電場僅為3.5 kV/m左右。

圖5為雷擊不同高度石化裝置垂直電場分布情況，可以看出，垂直電場受石化裝置高度的影響很大而受觀測點距離的影響較小。雷擊55 m石化裝置在10 m處產生的垂直電場近50 kV/m，而雷擊33 m石化裝置在相同位置產生的電場僅不到30 kV/m。雷擊相同高度的石化裝置，在10 m和20 m處產生的垂直電場僅相差幾千伏/m。

圖5 雷擊石化裝置不同距離處地面附近垂直電場Fig. 5 Vertical electric feld produced by a lightning strike on the petrochemical plant

圖6 雷擊石化裝置不同距離處地面附近水平磁場Fig. 6 Horizontal electric feld produced by a lightning strike on the petrochemical plant

圖6為雷擊不同高度石化裝置垂直電場分布情況，可以看出，由于石化裝置對雷電的反射作用，水平磁場前期波動較大，與雷電流反射一致性較好。從波形中還可以看出，水平磁場受石化裝置高度和距離的影響都較大。

4 結論與建議

通過以上計算結果可知，在100 kA強雷電情況下，在地上5 m，距離雷電通道10 m處的水平電場峰值達到了110 kV/m以上，垂直電場峰值達到了240 kV/m以上，水平磁場峰值達到了2 300 A/m以上。如果鉆井井場的防雷工程不完善，如此強大的雷電電磁脈沖很容易對石化裝置的動力、井控、儀表等系統造成破壞，嚴重威脅著企業安全生產和人員生命安全。為了確保石化裝置的安全運行，針對石化裝置的實際運行情況，提出了以下防雷措施：

(1)完善防雷接地裝置，確保石化裝置、機房、設備接地良好，各個系統的接地宜采用共用接地系統。

(2)屏蔽線纜的屏蔽層兩端應做可靠接地、等電位連接；其余線纜應穿金屬管或金屬線槽敷設，并將金屬管或跨接后線槽的兩端做可靠接地。

(3)低壓供電系統中應安裝多級浪涌保護器，將殘壓控制在最低水平。信息系統信號部分應在信號線兩端的接口處安裝相應的信號浪涌保護器，以確保信號系統安全。

[1]熊和志, 喬會東. 石化裝置及其內部建筑物的防雷設計與應用[J].石油化工自動化, 2007, 4(19): 19-23. [XIONG H Z, QIAO H D. The design of protection for petrochemical devices and structure against lightning and its application[J]. Automation in Petrtochemical Industry, 2007, 4(19): 19-23.]

[2]DIENDORFER G, UMAN M A. An improved return stroke model with specifed channel-base current[J]. Geophysics Research, 1990, 95: 13621-13644.

[3]RUBINSTEIN M. An approximate formula for the calculation of the horizontal electric feld from lightning at close, intermediate, and long range[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1996, 38(3):531-535.

[4]COORAY V, SCUKA V. Lightning-induced overvoltages in power lines: validity of various approximations made in overvoltage calculations[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1998, 40(4):355-363.

[5]NORTON K A. The propagation of radio waves over the surface of the earth and in the upper atmosphere[J]. Proceedings of the Institute of Radio Engineers, 1937, 25(9):1203-1236.

[6]RAKOV V A, DULZON A A. Calculated electromagnetic felds of lightning return stroke[J]. Journal of Geophysical Research, 1987(1): 87-89.

[7]YANG C S, ZHOU B H. Calculation methods of electromagnetic felds very close to lightning[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(1):133-141.

[8]楊春山. 地閃電磁脈沖研究[D]. 南京: 解放軍理工大學博士學位論文, 2003. [YANG C S. Research on lightning electromagnetic pulse (LEMP) felds of lightning under the ground[D]. Nanjing: PLA University of Science and TechnologyDoctorial Dissertations, 2003]

[9]葛德彪, 閆玉波.電磁波時域有限差分方法[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2002. [GE D B, YAN Y B. Finite-difference time-domain method for electromagnetic waves[M]. Xi’an: Xi’an Electronic Science &Technology University Press, 2002.]

[10]YANG B, ZHOU B H, GAO C, et al. Using a two-step fnite-difference time-domain method to analyze lightning-induced voltages on transmission lines[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2011, 53(1):256-260.

Research into the electromagnetic pulse risk of a petrochemical plant struck by lightning

BI Xiaolei1,2, LIU Quanzhen1,2, YU Haiyan3, LIU Baoquan1,2, GAO Xin1,2, LIU Juan1,2, JIANG Hui1,2, GAO Jian1,2
1 SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Qingdao 266071, China
2 State Key Laboratory of Chemical Safety, Qingdao 266071, China
3 State Grid Shandong Electric Power Company Rongcheng Power Supply Company, Rongcheng 264300, China

We analyzed the possible lightning electromagnetic pulse (LEMP) caused by a lightning strike on a petrochemical plant, based on the modifed transmission line model with linear current decay with height. The LEMP caused by a lightning strike with a 100 kA lightning current was calculated using the finite-difference time-domain (FDTD) method. The results indicate that the overground waveform of the horizontal electric feld varies greatly because of the infuence of ground refection, while the underground waveform changes slightly, primarily a change in magnitude. The difference of the vertical electric feld amplitude between above the ground and below the ground is very large, and the overground waveform change slightly with height, and the frst peak of the underground waveform reduces with an increment of depth, but the second peak increases with an increment of depth because of the influence of ground reflection. The horizontal magnetic field changes regularly, which below ground changes slightly with height and decreases with the increment of distance to the lightning channel, but the underground horizontal magnetic feld decays smoothly with an increment of depth. At a height of 10m above ground, the peak of the horizontal electric reaches more than 110 kV/m at 10 m away from the lightning channel, the vertical electric feld reaches 240 kV/m, the horizontal magnetic field reaches 230 0 A/m, and the powerful LEMP is a severe test to lightning protection design of petrochemical enterprises.

lightning strike; petrochemical plant; LEMP; FDTD

2016-11-15

國家科技支撐計劃課題“罐區重大燃爆事故防范關鍵技術”(2012BAK03B03)資助

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.035

(編輯 付娟娟)

畢曉蕾, 劉全楨, 于海燕, 劉寶全, 高鑫, 劉娟, 姜輝, 高劍. 雷擊石油化工裝置電磁脈沖危害研究. 石油科學通報, 2016, 03: 401-406

BI Xiaolei, LIU Quanzhen, YU Haiyan, LIU Baoquan, GAO Xin, LIU Juan, JIANG Hui, GAO Jian. Research into the electromagnetic pulse risk of a petrochemical plant struck by lightning. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 401-406. doi: 10.3969/ j.issn.2096-1693.2016.03.035

*通信作者, liuqz.qday@sinopec.com