油庫自動化系統雷擊事故分析與解決方案的應用

郭建新

〔中國石化山西石油分公司 山西太原 030024〕

隨著科技進步，油庫自動化應用的不斷升級，可編程控制器PLC控制緊急切斷系統、液位自動檢測系統、微機付油、汽油油氣回收系統、視頻監控系統、可燃氣體自動報警系統等的應用越來越普遍。由于成品油銷售油庫所具有的易燃易爆特性和保障市場功能的特點，這些設備的損壞不僅會造成損失，威脅油庫安全，同時會嚴重影響成品油市場，而遭受雷擊的后果更加嚴重。因此，油庫采取規范合理的防雷措施，特別是弱電設備免遭雷電流電磁脈沖侵害就成為一個亟須解決的課題。

1 油庫雷擊事故的影響與分析

2018年8月13日15:00左右，山西忻州某油庫遭受雷擊，造成油庫付油區、罐區、總控室等多處自動系統設備損壞，致使油庫一段時間內不能正常運行。油庫地處山西忻州中西部區域，雷暴日天數在40d以上[1]，屬于多雷區域，其中每年的6—8月雷暴日占全年雷暴日數的74.8 %[2]。

1.1 總配電室PLC控制柜控制模塊損壞

1.1.1 基本情況

該油庫總配電室是1993年利用原有平房建筑物改造而成，油庫6 kV電力線架空接入，電源采用TN-S系統，配電室室外設置了避雷網和接地裝置，低壓配電進線安裝了一級SPD(浪涌保護器，Imax=60 kA，In=30 kA，Up< 2.2 kV)。在2012年油罐緊急切斷閥改造增加一臺油罐區緊急切斷閥PLC控制柜，2015年油氣回收改造增加了一臺油氣回收PLC控制柜。“8.13”雷擊事故造成總配電室內設置的油氣回收系統PLC控制柜控制模塊、接口模塊損壞，油罐緊急切斷閥系統PLC控制柜控制模塊損壞。

1.1.2 原因分析

一是由于低壓電源進線段安裝的一級SPD連接導線彎曲布置，且其總長度超過0.5 m[3]，雷電流不能有效泄流。同時SPD連接線和接地線過長會造成SPD工作泄放雷電流時產生設備間二次感應過電流。二是配電室設置的兩臺油氣回收和油罐緊急切斷閥PLC控制柜與低壓配電柜設置在一起，強電弱電在一起，且兩者距離較近。一級SPD在泄流后殘壓高達2 kV以上，而PLC控制柜電源進線段沒有設置二級SPD，由于PLC控制柜設備耐壓能力相對較弱，殘余雷電電磁脈沖(LEMP)仍會對后面的PLC控制柜控制模塊造成致命沖擊。

1.2 付油區設備損壞

1.2.1 基本情況

油庫付油區設施在2004年進行了改造，共設置8個付油貨位。付油系統和油庫門禁系統電源從付油配電室供電，控制電源線采用屏蔽線，屏蔽線的一端在付油配電柜進行了接地，線路采用穿鍍鋅管敷設。“8.13”雷擊事故共造成3個付油貨位的下位機控制板損壞，1個付油貨位的防靜電防溢油報警器控制主板損壞，付油區門禁系統開關電路板損壞，入口刷卡感應器電源損壞。

1.2.2 原因分析

一是付油區分配電室配電柜進線處缺少二級SPD，雷電流不能有效泄流，雷電流電磁脈沖沿電源線進行傳導；二是屏蔽線從配電引出一段屏蔽層接地，穿鋼管保護埋地敷設，但在付油控制電源出口處穿線管沒有接地，雷電流的電磁脈沖在控制電源出口處無法有效泄放，造成控制板被擊穿損壞；三是付油區接地網和付油配電地網沒有相連，形成共用接地網，雷擊地電壓反擊。

1.3 罐區可燃氣體探頭和攝像頭損壞

1.3.1 基本情況

該油庫油罐區2011年進行改造，總庫容為46 000 m3，其中汽油罐6座3 000 m3，柴油罐8座3 000 m3，2座2 000 m3。“8.13”雷擊事故造成汽油罐區4臺可燃氣體探測器探頭損壞，鐵路卸油泵房2臺可燃氣體終端報警控制器控制板損壞，7臺電視監控攝像頭損壞。

1.3.2 原因分析

該油庫雷擊事故損壞的4臺可燃氣體探頭布置在汽油罐區，距離油罐1 m左右，距離油罐接地引下線不足2 m。可燃氣探頭電源線穿線管接地為單獨接地，沒有與罐區接地網相連。一是油罐雷擊后，由于油罐與可燃氣探頭兩者距離較近，強大雷電流泄流過程中產生的電磁效應，形成跨步電壓，由于電勢差造成探頭損壞。二是可燃氣體電源線路由于雷擊產生感應電流，過電壓致使探頭損壞。

損壞的7臺電視監控攝像頭設置在罐區周圍，攝像頭與油罐間距20 m左右。攝像頭與穿線管進行了跨接和接地，攝像頭桿高6 m，距離油罐20 m左右，經過計算，以目前攝像頭水平面為基準，攝像頭與接閃桿水平距離為1.3 m，接閃桿應高出攝像頭1.5 m(按照滾球半徑45 m)以上才能滿足防雷要求。目前攝像頭桿沒有設置接閃桿，攝像頭塔桿高度和距離已經超過了油罐作為接閃器的滾球半徑保護，周圍又沒有其他保護物，因此遭受直接雷擊損壞。

1.4 總控室內設備受損

1.4.1 基本情況

該油庫總控室于2016年進行了改造升級，集中了電腦網絡交換，油罐自動計量系統、油罐緊急切斷系統、可燃氣體報警、工業電視監控、周界報警系統等。油庫綜合控制室設置在辦公樓三層(建筑物共三層)，屋頂設有避雷網。控制室建筑面積約30 m2，南側為窗戶。進入樓內的供電分配電箱沒有設置二級SPD。液位儀、油罐緊急切斷系統線路敷設在罐區，采用電纜橋架方式。

“8.13”雷擊事故造成總控室內3臺網絡交換機故障，油罐液位儀系統控制板、油罐緊急切斷系統控制板損壞，連接的兩臺電腦損壞。

1.4.2 原因分析

該油庫總控室設備遭受雷擊損壞，一是電源線路引入雷電流，二是控制信號電纜引入雷電流，而總控室卻沒有采取等電位接地和能量配合的防浪涌保護。

引入自控系統線路采用屏蔽電纜，總控室機房單端接地，現場設備端懸空。這樣雖然能有效抑制雷擊時產生的電容性耦合，但液位儀、油罐緊急切斷系統等雷電電磁脈沖電流通過線路傳回到總控室，自控系統信號線、電源線進入總控室沒有采用SPD保護，致使控制板損壞，兩臺電腦無法顯示。

1.5 總控室防雷分析

總控制設備雷擊損壞原因基本可以歸結為線路傳導的浪涌過電壓和地電位的反擊。

1.5.1 線路傳導過電壓分析及防護

油庫總控制室內部的電氣、儀表控制系統由于建筑物法拉第電籠的保護，室內的電氣儀表等不易遭受直接雷，但如果進入控制室的電力線、控制信號線為架空引入，如遭受直接雷擊，則沿線路傳導的雷電過電壓就會侵入油庫控制室設施設備儀器內部，造成設備儀器損壞。其形成如圖1 所示。

圖1 控制室內部設備與外界聯系的途徑

如油庫中央控制室的建筑物遭受直接雷擊，強大的脈沖電流會在周圍空間產生交變磁場，處于磁場中的導體因此而感應出高電壓，沿線路產生的過電壓竄入設備儀器，造成設備儀器損壞。其形成如圖2所示。

圖2 架空線纜可能受到直接雷擊或受到雷擊感應產生過電壓

根據傳導過電壓形成的方式及其傳播途徑，對于控制設備的防雷保護可從電源線路過電壓防護和控制信號線路過電壓防護進行考慮。

1.5.2 地電位反擊分析及防護

地電位反擊通常存在兩種形式。一是雷電流流入大地時，由于大地電阻存在，產生較大壓降，使地電位升高，對周圍設備進行反擊；二是兩個接地網之間，由于沒有足夠的安全距離，一個地網接受雷電流產生高電位，必然對另外一個地網進行電位反擊。因此當雷擊發生時，地網電位被抬升，與匯流排相連的設備外殼電位也隨之升高，進入設備的電力、通信控制線的低電位與機架或地線之間的高電位存在高電位差而發生反擊放電，從而使電子設備損壞。

地電位反擊的防護：一是等電位連接，對于控制室一個地網使用建筑物框架內鋼筋做接地網，如另一個地網獨立接地，兩個地網之間應做等電位連接。二是控制室金屬水管、通訊電纜、電力電纜等埋地進入控制室，水管、電纜鎧裝外皮和保護應在進入機房時接地。三是將控制室內的交流電工作接地、直流電接地、靜電接地在控制室內進行等電位連接。

2 油庫自動化系統防雷方案

油庫自動化系統由計算機設備、通訊設備、儀器儀表等組成并集中設置到油庫總控室，它不僅是油庫的控制和指揮中心，還是油庫的生產經營、調度、巡檢中心。油庫自動化系統防雷由外部防雷和內部防雷組成。外部防雷由接地裝置、引下線和接閃器組成，用于直接雷擊的防護。內部防雷由共用接地裝置、電磁屏蔽和安裝浪涌保護器SPD等組成，用于減少和防止雷電流的電磁效應。

2.1 低壓配電系統防雷方案

配電系統主要由總配電室、分配電室、設備用電配電箱、供電線路和用電設備組成，供電方式采用TN-S系統[4]。油庫配電系統一般已經安裝了位于高壓進線端的如閥型避雷器、氧化鋅避雷器等保護裝置，但僅此措施并不完備。這些保護裝置僅僅針對了電氣設備，因此對防雷應采取多級的保護舉措：第一級泄放外線產生的過電壓，第二級泄放殘壓及配電線路和其他設備感應的過電壓。第三級泄放前面的殘壓。

2.1.1 等電位連接形成共用接電網

將配電室內的設備與建筑物防雷裝置的接地相連接，形成共用接地裝置；將所有進入配電室內的金屬管線做等電位連接并接入共用接地網；將付油區地網和付油配電室地網做等電位連接。

2.1.2 防止電涌侵入措施

在線路總配電箱LPZ0與LPZ1區交界處，配置標稱放電電流60 kA三相SPD，作為第一級防雷保護。油庫卸油、付油、消防、辦公樓等各建筑物配電電源引入端配置標稱放電電流選用40 kA三相SPD，作為二級防雷保護。如圖3所示。

圖3TN-S系統的配電線路浪涌保護器安裝位置示意圖

2.2 油庫總控室防雷方案

油庫不僅是儲存油品的易燃易爆場所，同時承擔著某一個區域的油品供應職能，而油庫總控室又是油庫的控制、監控的中心。按照GB50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》，油庫總控室按照雷電防護等級B級較為合理。將設置于油庫總配電室的兩臺油氣回收系統PLC控制柜和油罐緊急切斷閥系統PLC控制柜進線移入油庫總控室。

2.2.1 防直擊雷

油庫總控室外部防雷，根據GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》，按照三類防雷建筑物進行改造，并將建筑物外接地網與總控室內地網做等電位連接。

2.2.2 控制室屏蔽

為了減小雷電電磁脈沖對控制室信息系統產生浪涌，控制室建筑物應采用LPZ1的大空間屏蔽措施[6]，所以將油庫總控室敞開面積較大的窗戶進行封閉，并更換金屬門，同時將金屬門和控制室內等電位接地連接。

2.2.3 接地和等電位連接

內部防雷措施主要是等電位接地布置和SPD設置。控制室內接地從建筑物接地網引入，同時與建筑物內部鋼筋或其上的金屬部件多重互連，組成等電位接地母排。總控室內接地嚴禁從建筑物接閃帶引下線上直接接入，因為直接引入將導致雷電流進入室內電子設備，造成嚴重損害。使用25 mm×3 mm的銅排，安裝在墻壁上，與地網相連，并將所有的電源地線、控制機柜、屏蔽線、防靜電地板設備外殼、SPD地線都連接在等電位接地母排，防止危險的電位差。等電位接地母排布置如圖4所示。

圖4 等電位接地母排布置示意圖

2.2.4 過電壓防護

過電壓防護主要是對電源線路過電壓的防護和控制信號線路過電壓的防護。總控室配電箱電源引入端配置標稱放電電流20 kA的單相SPD，作為第三級防雷保護。油庫總控室控制信號線路過電壓防護，在LPZO與LPZ1交界處(剛進入控制室)設置信號線路SPD。

2.3 自控系統線路防雷方案

2.3.1 線路屏蔽

屏蔽電纜的屏蔽層有兩端接地和一端接地兩種接地方式。一端接地屏蔽層的電壓為零，可減少靜電感應電壓，即減少雷擊地電位反擊。兩端接地當出現雷電流時，由于電纜屏蔽層兩點電位不同，使屏蔽層流過感應電流，對芯線產生干擾，但電纜芯線所在回路為強電時，屏蔽層感應電流干擾信號影響較小。

付油區、油罐區等區域的強電電源屏蔽線路采用屏蔽層及鋼管兩端應接地。弱電控制、視頻信號線屏蔽層應單端接地，但穿線鋼管兩端必須接地。作為信號返回回路的同軸電纜，其屏蔽層宜采用集中一點接地方式[7]。

2.3.2 網絡數據過電壓防護

油庫網絡數據通過ADSL連入互聯網，其余網絡設備例如路由器、集線器、網卡等設備，都處于建筑的法拉第籠屏蔽中，所以只需要對ADSL的輸入端進行防護，即在其線路輸入端安裝專用防雷器。為避免電腦相關的網絡設備被雷擊毀壞，可在網絡線和電腦設備連接處，安裝寬帶專用SPD。重要設備端采用標稱放電電流選用5kA模塊式SPD或防雷插座，作為第四級防雷保護。

2.4 電視監控系統線路防雷方案

監控系統系電子產品，具有低電壓、低功耗等特性，極易遭受雷擊過電壓破壞。雷電危害可分為三種：直擊雷、雷電波侵入和雷電感應[8]。

2.4.1 安裝接閃桿防直擊雷

由于油庫室外大部分攝像機的安裝位置不能被周圍建構筑物防雷保護(按照滾球半徑45 m計算)，用1.5 m的φ16 mm圓鋼作為接閃桿焊接在監控金屬桿上[9]，以保護攝像頭免遭受直擊雷。攝像頭用BVR6(多股聚氯乙烯軟銅導線)與穿線管跨接，穿線管和接地網連接。如圖5所示。

圖5 電視監控攝像機防雷示意圖

2.4.2 安裝浪涌防雷器防雷電波侵入

監控系統前端攝像機、云臺、后端硬盤錄像機、監視器等對雷電、過電壓等電磁干擾非常敏感，若缺乏有效保護，極易受到雷電侵入和雷電感應損壞。因此，對于室外的攝像機可以采用電源、信號、控制組合型SPD。在視頻傳輸線、信號控制線進入總控室后保護設備之前加裝相應的SPD。

2.4.3 線路屏蔽防雷電感應

視頻信號屏蔽層或線纜穿線管不僅需要埋地敷設，同時要保證鋼管的電氣連通[10]。視頻圖像信號采用光纖線路傳回信號能更好地防護雷電感應。

3 結語

文中所述自動化系統防雷方案在山西忻州某油庫實施后，取得良好效果，使雷擊造成設備損壞的故障率大大下降。安全源于設計，源于質量。自動化系統防雷主要是防止直擊雷、雷電流、電磁脈沖和地電位反擊，防雷設計方案主要是在接地和等電位連接、電磁屏蔽、過電壓防護和共用接地網方面進行綜合考慮。設計方案是防雷的前提，規范化、標準化的防雷設施設備安裝是油庫自動化建設和運行安全的保障。文本防雷解決方案的實施不僅解決了該油庫自動化系統防雷改造所遇到的難題，同時對其他油庫自動化系統的建設有示范性意義。