聚酯裝置防雷與接地主要問題探討

吳朝祥

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

聚酯裝置雖然在中國投產運行了40余年，但是在廠內建筑物和設備的防雷接地方面依舊有許多的爭論和疑問，本文結合相關規范對聚酯裝置防雷接地的一些爭論進行梳理和解釋，不能面面俱到，主要針對常見的問題，對實際操作有所幫助。

1 聚酯樓防雷設計

1.1 聚酯樓防雷等級判定

結合某公司產能200 kt/a的聚酯裝置，分析聚酯樓的防雷等級，建筑物尺寸約為35 m×30 m×30 m(長×寬×高)，該生產裝置具有以下特征：

1)具有1區或21區爆炸危險場所的建筑物，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者。

2)具有2區或者22區爆炸危險場所的建筑物。

3)聚酯裝置主要危險場所和危險介質分布見表1所列。

表1 200 kt/a聚酯裝置危險場所劃分

綜上所述，依據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[1]，該聚酯裝置屬第二類防雷建筑物，因此防雷設施按第二類設防。

1.2 聚酯樓防雷注意要點

1.2.1接閃網的設置

由于接閃網安裝在樓頂，且較為密集，聚酯生產線的樓頂一般都有熱媒蒸發器、空冷器等設備，使設備維護和崗位操作人員在工作中時常感覺不方便，因此接閃網的設置成為爭議問題。接閃帶示意如圖1所示，當女兒墻上接閃帶的距離S滿足式(1)的要求時[1]，屋面可不敷設接閃網。

(1)

式中：hr——二類防雷建筑物滾球半徑，取45 m；d——女兒墻沿屋面寬度方向的接閃帶間距，取30 m。

圖1 接閃帶示意

1.2.2接閃網的安裝

接閃網的安裝，預制混凝土支座是主要安裝內容之一，如圖2所示，由于混凝土支座中部分扁鋼是隱蔽工程，在開模制作初期要特別注意，防止混凝土固化后扁鋼設置不符合要求出現大面積返工。

圖2 預制混凝土支座結構示意

二類防雷建筑物的接閃網網格尺寸，應不大于10 m×10 m或12 m×8 m，接閃網施工方法如圖3所示。依據99D501-1《建筑物防雷設施安裝》[2]和尖端放電原理，接閃網在屋脊等突出地點為避雷作用，其施工方法如圖3a)所示，在低于女兒墻等地點為均壓作用，可以做成如圖3b)所示，這樣做可以為巡檢和檢修帶來很多便利。

1.2.3引下線

根據GB 50057—2010的要求，專設引下線不應少于2根，并應沿建筑物四周和內庭院四周均勻對稱布置，沿周長計算的間距不應大于18 m。應對稱布置的要求，200 kt/a聚酯裝置周長為130 m，因而專設引下線不應少于8根。引下線斷接卡制作應符合圖4的要求，以便于檢查通斷點。

圖3 接閃網施工方法示意

圖4 引下線斷接卡示意

1.3 建筑物避雷網維護要點

1.3.1接地導體的脫焊處理

很多接地設施要承受經過設備的質量，所以常常會出現接地導體(線)脫焊或者斷裂的情況，在恢復時要注意：

1)使用銅或者銅覆鋼材的接地導體(線)，應采用放熱焊接的方式連接。當接地導體(線)使用搭接焊接方式時，其搭接長度應為扁鋼寬度的2倍或圓鋼直徑的6倍。當扁鋼交叉焊接不能滿足“寬度的2倍”的要求時，應增設斜支撐。

2)電氣裝置的每一個接地部分，應用單獨的接地導體(線)與接地母線分別連接，嚴禁在一個接地導體(線)中串接幾個需要接地的部分。

1.3.2人工接地極的施工

在實際工作中，往往遇到某一接地點或者引下線斷開，且接地網又很難找到的情況，此時可以采用安裝人工鋼制垂直接地極的方式來恢復斷開點。人工鋼制垂直接地體的長度宜為2.5 m，采用DN50鋼管，為弱化相鄰接地體的屏蔽作用，其間距以及人工水平接地體的間距均宜為5 m，采用40 mm×4 mm扁鋼焊接，相應的利用系數約為0.75～0.85。同時注意：人工接地體在土壤中的埋設深度不應小于0.5 m，距離墻或者基礎不宜小于1 m，接地體宜遠離因燒窯、煙道等高溫影響使土壤電阻率升高的地方。

當施工地點受限制時可適當減小，上述距離可以根據實際情況適當減小，但一般不小于垂直接地體的長度。

2 靜設備防雷接地

2.1 主要靜設備的接地

高度小于60 m的露天金屬儲罐，其壁厚不小于可作接閃器設備的金屬板最小厚度，見表2所列。罐體介質易燃且罐頂呼吸閥裝有阻火器時，可將罐體作為接閃器，無需另裝接閃器。同時，必須做好罐體的接地措施，且接地點不得少于2處，接地點間距不大于30 m，每根引下線的沖擊接地電阻不應大于30 Ω。當罐體高度小于60 m且壁厚小于表2所列的最小值時，應在罐頂裝設接閃器，使整個儲罐處于防雷保護范圍內[3]。

表2 可作接閃器設備的金屬板最小厚度 mm

本文列出了聚酯某裝置的主要介質儲罐特性，依據表2的要求，相關的主要靜設備材質及接地做法見表3所列。當超出建筑物頂部平面的設備為非金屬設備時，需在建筑物屋頂附設接閃桿作為接閃器，使非金屬設備處于接閃桿的保護范圍內，接閃桿的保護范圍應符合二類建筑物放空管、排放裝置防雷設計的規定。

表3 主要靜設備材質及接地做法

2.2 管道及橋架接地做法

聚酯裝置按照二類防雷建筑物設防，其管道輸送易燃易爆、有毒有害的介質主要為乙二醇、氫化三聯本，管道和橋架的接地還應該滿足以下要求：

1)建筑物內的金屬設施，如設備、橋架、管道、構架等，應就近接至防雷裝置(LPS)或共用接地裝置上，以防靜電感應。

2)除2區和22區爆炸危險的建筑物外，建筑物內平行敷設的長金屬物，如管道、構架、電纜金屬外皮等，相互間凈距小于100 mm時，應每隔不大于30 m用金屬線跨接；交叉凈距小于100 mm時，交叉處也應用金屬線跨接。

3)建筑物內防感應電的接地干線與防雷裝置的連接不應少于2處。

4)外墻的內、外豎直敷設的金屬管道和金屬物，頂端和低端應與防雷裝置等電位連接。

5)電纜橋架內敷設25 mm×4 mm扁鋼或每段橋架有跨接線，整段橋架必須保證有兩個以上與接地網連接，較長的橋架每隔20 m設一個接地點與就近接地網連接。

2.3 腳手架防雷

200 kt/a聚酯裝置高度為30 m，在建設、外墻維護等工程施工過程中，需要搭設鋼腳手架，高度超過 20 m且不能被防雷設施保護的獨立腳手架，需要做防雷接地，其他室內腳手架不需要做防雷考慮。

采用直徑不小于16 mm的圓鋼或截面積不小于160 mm2的扁鋼作為接地引下線時，上方直接焊接在接閃桿鋼管部200 mm范圍內，下方與防雷集中接地裝置引出線連(焊)接，中間部分沿腳手架立管分段設固定卡，每隔3 m 固定一次。接閃桿和引下線焊接工作完成后，應清除干凈焊渣，涂刷兩遍銀粉油漆進行防腐。

2.4 突出屋面的金屬管道防雷

突出屋面的金屬管道符合GB 50057—2010的規定，沒有得到接閃器保護的屋頂孤立金屬物的尺寸沒有超過以下數值時可不要求附加的保護措施：高出屋頂平面不超過0.3 m，上層表面總面積不超過1.0 m2和上層表面的長度不超過2.0 m的應與防雷裝置相連。屋面保護區如圖5所示。特別情況下，排放危險爆炸氣體等的屋頂管道，且不在圖5的保護區域內，需單獨設置接閃裝置，且設置要求符合該標準中第4.3.2條的相關規定和計算方法。

圖5 屋面保護區示意

3 低壓配電系統的接地要點

3.1 接地系統的選用

TN-C系統不設專用PE線，可節約有色金屬，但TN-C系統PEN線一旦斷裂后果較為嚴重，三相電源失去接地易至電擊傷害事故，電壓不平衡易燒毀單相用電設備；單相用電設備外殼會帶220 V的接觸電壓。所以，在使用TN-C系統時，應謹慎考慮。

TN-S與TN-C-S安全性一致。其一，對沒有變電所且為低壓供電的建筑物，采用TN-C-S系統較合理；其二，在設有變電所的建筑物內TN-S系統是最佳且唯一的選擇。使用TN-S系統時需要注意：PE線和N線僅在進線柜PEN分割點處連接，后續配電系統中PE線和N線嚴禁重復連接，一旦連接則變為TN-C系統，失去了TN-S系統的意義，漏電保護器就會誤動。且在A進線柜和B進線柜之間須將2根N線連接，避免倒閘過程中出現“斷零”現象[4]。

3.2 TN-C使用注意事項

目前，國產化聚酯生產線均采用TN-S系統，以前的某些進口聚酯裝置采用TN-C系統。根據3.1節的論述，TN-C在安全性以及后續安全防護上存在較大問題，在具體工作過程中，可以采用以下兩個辦法進行改進：

1)利用停車檢修的機會，對TN-C系統進行改造，在進線柜中將PEN線分為PE線和N線，后續配電系統嚴格按照TN-S系統來接線。但是該方案材料和施工投入較多，且各個接地點排查不能面面俱到，可能會產生零線和地線混接的問題，不推薦使用。

2)將TN-C系統改造為TN-C-S系統，即在每個需要零線的開關元器件前進行N線和PE線分離，且分離點不能在防爆區域內，如圖6所示。

圖6 TN-C-S系統示意

另外，在TN-C系統中，要特別留意剩余電流裝置(RCD)的使用，其漏電保護器錯誤接法和正確接法如圖7所示。三相四線制的TN-C系統中，N線和PE線合用1根PEN線，故而工程實踐中常見到如圖7a)所示的錯誤接法——沒有將PEN線在漏電保護器前分開，一旦接地故障發生，故障電流同時穿過零序電流互感器的磁回路，漏電保護器失去保護作用。正確接法是在漏電保護器之前，將PEN線分成N線和PE線，且之后不能再連接，如圖7b)所示，也可采用局部TT系統進行接線，如圖7c)所示。

圖7 TN-C系統漏電保護器錯誤接法和正確接法示意

3.3 UPS的接地

UPS是聚酯裝置的重要電氣設備，給DCS、儀表、電氣控制電源、事故照明等重要設備供電，其穩定性的要求不言而喻。各UPS廠家對輸入端低壓市電電源的要求不同，出入不大。但UPS內部輸出中性線的方式，輸入、輸出端的中性線是否聯通，對后續的供電系統有很大的影響，甚至會影響到使用。特別是要求UPS實現對低壓市電系統隔離、凈化作用時，輸入、輸出端的中性線聯通將使UPS失去該作用。

GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質量驗收規范》[5]中第9.1.4條規定：不間斷電源輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線相連接，做重復接地。雖然該規范已經修訂，但是此前的影響較深，需要引起重視。建議按照以下要求設計：

1)當UPS僅有380 V負載時，其輸出回路宜采用IT系統，避免發生一個接地故障就跳閘的情況，保持了UPS和IT系統供電不間斷性高的共同特點。但在使用IT系統時，一定要注意安裝絕緣監測器，以確保系統在第二次相對地故障時起到保護作用。

2)當UPS有220 V負載時，為滿足其供電要求，其輸出回路宜采用TN-S系統，如圖8所示。特別要注意的是：旁路N線需要和UPS隔離變壓器的N線連接，避免在旁路切換的過程中出現“斷零”的現象。如果旁路N線和UPS隔離變壓器的N線未連接，則Q5N，1Q11，Q3BP，Q4S等開關需要用4極開關，零線經過空開以保證旁路切換過程不出現“斷零”現象。

圖8 UPS接地系統原理示意

4 DCS接地要點

聚酯樓每個裝置都有5套以上的DCS，是工藝控制的“大腦”。DCS接地的正確性是系統穩定運行的保證，有研究文獻指出，DCS“死機”的元兇之一就是接地方式錯誤。很多文章探討了DCS的接地方式，甚至有技術人員對進口DCS和國產DCS設備的接地方式進行了區別比較，總體來說差別不大。隨著對接地的進一步認識，DCS接地的原則就是單點接地，如圖9所示。

除了單點接地的原則一定要遵守以外，DCS的接地要求，可以歸納為以下幾點：

1)圖9中的總工作地銅排、總保護銅排可以根據實際情況進行增減，如接地設置了總邏輯地銅排，其接線方式與圖9一致，如接地系統沒有設置總工作地銅排或總保護銅排，則可接至總接地銅排后再接至地網。

2)新規范全面采用共用接地系統，完全摒棄儀表系統獨立接地的理念，滿足一般情況下4 Ω接地電阻的要求，明確接地電阻達到防電擊要求即可，不片面追求小于1 Ω。

3)孤立考慮設置單獨的DCS人工接地體，一味追求小于1 Ω的接地電阻，是過時且錯誤的理念。而且即便工頻狀態下可達到1 Ω的要求，在高頻信號下也未必能滿足。實踐證明，采用合適的等電位連接已逐漸成為更多DCS設計的主流。

圖9 DCS接地方式示意

5 儀表系統接地要點

5.1 防靜電措施

例如，熱電偶用的低頻、低電平模擬信號的電纜，屏蔽層須在最不平衡端或者電路自身接地處單點接地。單點接地僅能防止靜電干擾。

5.2 防電磁感應措施

5.2.1屏蔽層兩點接地

對于瞬態過電壓保護，需要信號線和電源線的屏蔽層在敷設路徑上多點接地，或至少在首尾兩點接地。多點接地后，各接地點與屏蔽層之間形成回路，低頻干擾電流形成的電磁場會有部分穿過屏蔽層，在電纜芯與護套間出現低頻干擾。然而，這就與前文提到的單點接地有矛盾。解決該矛盾的有效辦法是采用穿金屬管或雙屏蔽層線路[6]。金屬管和外屏蔽層兩點或多點接地，內屏蔽層一點接地，防雷原理如圖10所示。

圖10 雙屏蔽層兩點接地防雷原理示意

注意：利用金屬直線槽或穿金屬管作外屏蔽層時，必須保證槽與槽之間、管與管之間連接可靠，宜每隔30 m接地。

另外，在很多規范中提到利用建筑物的自然金屬部件與防雷裝置連接實現空間屏蔽，選用屏蔽電纜實現屏蔽功能。

5.2.2合理布線

在GB 50343—2012 《建筑物電子信息系統防雷技術規范》[7]和GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中，對規范布線提出了許多要求，例如：信號線線槽應盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁布線；動力電纜與信號線應分開敷設，不能共同敷設在一電纜橋架內，隔離距離不小于0.5 m，在敷設過程中，注意盡量減少平行敷設的長度。

機房宜選擇在建筑物低層中心部位，其設備應配置在LPZ1區之后的后續防雷區，并與相應的雷電防護區屏蔽體及結構柱留有一定的安全距離——也是合理布線的要求。

5.2.3網絡線防雷接地

對于網絡線、雙絞線一定要一點接地。網絡線兩點接地時，兩端接地點電位差在屏蔽層中產生電流，網絡線的屏蔽層是很薄的錫箔，電流可能燒毀屏蔽層和外層絕緣皮。雙絞線為增加連接的可靠性，有些單位雙絞線并聯使用，但該種接法使雙絞線失去抗干擾能力。

光纖本身不會感應出過電壓。防雷主要針對其金屬護皮、內部加強金屬線芯以及承載鋼索，這些金屬部位進入設備前可靠接地，最好直埋進入機房。

同軸電纜金屬外皮和金屬穿管應接地；同軸電纜作天線饋線時應加裝相應的同軸電纜避雷器，頂端應通過鐵塔接地，如天線饋線較長，在其中間應每隔25 m左右與走線架或鐵塔相連。

6 結束語

所有設備的金屬外殼、電纜橋架、鍍鋅管等金屬材料等須接地。將一般不帶電的金屬物體作接地，即是安全用電的要求，也是屏蔽雷電感應、實現等電位的重要方法。

接地匯集線一般設計成閉合環型，防止在開口處感應出過電壓，并產生火花放電，材質為銅材，各樓層的分匯集線應直接連接樓底的總匯集線，確保單點接地。

本文以聚酯裝置為例，討論了工廠內防雷和接地的一些問題，不能面面俱到，主要對一些經常出現的且爭議的問題進行了研究和匯總。能夠解決一般工廠內的防直接雷、系統接地的相關疑問，對工程實踐有借鑒意義。