油罐区综合防雷技术应用设计

2012-01-12姚薇李明军

石油化工自动化 2012年2期

姚薇，李明军

（1.淮安信息职业技术学院，江苏淮安223003；2.南京市六合区防雷中心，南京211500）

1 油罐区防雷的必要性

油罐储油是当前应用最主要且普遍的一种储油方式。在进行风险分析时，首先必须了解油品易挥发、易流失、易燃烧、易爆炸等性质，对于防雷工作具有重要意义［1－2］。目前在大型罐区单罐容积已达1×105m3以上的储罐已是屡见不鲜。如此巨大的油罐一旦发生火灾爆炸等突发事故，将会导致严重的人员伤亡和财产损失，社会影响也是难以估量的。

2 防雷工程优化改造与实施

防雷工作对安全生产至关重要，一般在设计油罐时，都会进行接闪杆的同步设计。但由于油罐改造后的体积增大了，却并没有对接闪杆进行改造，就造成了两方面的问题：接闪杆和油罐的距离变小，达不到规范的要求；接闪杆的高度不能保护直径和高度增大的油罐。经相关部门对淮安所属化工企业油罐区检查，发现所属油罐区的仪表控制系统所在机房没有进行防雷保护，因而必须重新设计防雷方案，对油罐区进行防雷改造。

油库是储存危险性油品的专用场地，在对明火等可能存在的危险进行有效控制后，雷电就成为引发油库火灾的主要原因。针对油罐区如何设计有效的防雷措施，需从以下几点考虑。

2.1 油罐区直击雷的防护措施

雷直击到油罐浮盘后，强大的雷电流从浮顶经罐壁入地，在电流泄放的过程中，在浮顶与罐壁近距离的金属物就会发生放电现象。如果此时密闭空间的油气浓度高于爆炸极限的下限时，必然会引发火灾、爆炸事故。雷电流此时就是一个点火源［3］。

当油罐的体积比较大，设计时一般会增加油罐的直径，造成油罐的浮顶表面积增加较多。具体数据见表1所列。

表1 浮顶罐浮盘金属表面积同罐壁金属表面积的关系

从表1可以看出，当储罐的容量不断增加时，浮盘表面积增加较多，甚至已经大于罐壁的表面积。研究表明浮顶罐浮盘的金属表面积的大小和雷电感应电压的高低呈正比上升的关系。在没有接闪杆防护的场所，大容量油罐浮盘上的雷电感应电压非常高，在浮盘上升到储罐顶部时遭直击雷而导致爆炸的可能性就很高。

为了减少这种危险发生的可能性，依然需要在油罐区增加接闪杆进行直击雷的防护，进而增加油罐的安全性，这在技术上易于实现。针对江苏清江石化公司南罐区有4个1×104m3（601号、602号、604号、604号）和1个2×104m3（605号）的浮顶油罐的现状，采取增设接闪杆线的防护措施。以下对防雷方案进行简单描述：

观测到该化工厂南罐区现场浮顶油罐的密封由于长期的上下移动，有明显的磨损痕迹。在油罐顶部，可以明显感觉到有油气逸出。如果罐顶直接遭受雷击，必然会导致爆炸等严重事故。以往电气工程师认为只要油罐罐体厚度达到规范要求，就可以不用安装独立接闪杆线来保护，所以根据现场观察笔者认为浮顶油罐必须装设独立接闪杆线，尤其要结合现场的实际情况来综合考虑。该次改造的总体防雷思想是采用针线相结合的防雷措施，在工程实施过程中主要是防雷设施的优化改造和保护范围的确定。

按照《中石化［97］安技字17号》的要求，必须及时更换和维修已损坏的消雷器部件和构件，不能更换和维修的应停用拆除。根据检测结果，2组消雷器损坏严重，只能进行更换。针对油罐区存在的雷灾隐患，经过各有关部门技术人员的讨论研究建议采用优化式接闪杆ZGU－Ⅲ－5A2替换现有消雷器，并且采用上述针线结合的防雷措施进行安装。

该公司油罐区接闪杆属改造项目。油罐区五个油罐的尺寸如下：601号～604号油罐直径为18m，高度为13m，容量1×104m3，两罐间距8m。605号油罐直径40m，高度19m，与604号油罐最短距离16m。为了增强避雷效果，笔者采用接闪杆线结合的方法，在图1中两个位置建立高度28m的铁塔，在铁塔顶端安装2m的接闪杆。因为需要保护的是油罐区，属于第一类防雷要求，滚球半径取30m，按照《建筑物防雷设计规范》第三章中接闪杆保护范围计算公式，计算得出此接闪杆在地面的保护半径为29m，为了确保油罐顶部避免受到雷击，所以笔者辅助安装避雷线增加防雷强度，如图1所示。

图1 接闪杆避雷线安装位置示意

2.2 油罐区的感应雷防护措施

统计表明，感应雷对罐区的危害特别大，这和罐区的特殊布置有着密切的关系。出于安全需要，油罐区一般都布置在空旷的地带，周围较大的区域没有高层建筑，缺少可依靠的常见防雷建筑。笔者针对油罐可能存在的问题，提出具体的防护措施：

a）油罐内尽量不要采用金属浮球测量油罐液面高度，由于浮球表面接缝处一般都采用焊接的加工手段，使其表面比较粗糙，可能存在大量毛刺，使静电容易产生局部聚集。同时金属浮球在油罐内部，无法进行接地处理，只能利用悬挂的钢丝绳简单地通过滑轮与罐外壁进行接触来释放静电，但当滑轮与钢丝绳处粘附有相对绝缘的油污时，金属浮球就不能与罐壁形成良好的接触，静电释放能力就很差，容易使静电聚集并产生放电现象。因此，现在普遍使用导波雷达来进行油罐的液位测量。

b）在浮顶和罐壁之间，安装伸缩式接地装置。在现有的规范中，油罐的浮顶和罐壁是采用2根横截面积不小于25mm2的软铜复绞线做电气连接的。一般将浮顶和罐壁用软铜复绞线直接连接，因而它的连接电阻是固定的。如果采用伸缩式的接地装置作为接地连接，就可以根据油罐浮顶的位置来控制伸缩接地装置的接地线长度，达到降低连接阻抗的目的。可伸缩接地装置的设置数量依然根据软铜复绞线做电气连接时的要求，在油罐浮顶圆周均匀布置，当圆周长度大于30m时，适当增加数量。雷电流泄放时接地电阻主要表现为冲击阻抗，它远远大于直流阻抗。因此，可伸缩接地装置的接地电阻值的冲击阻抗会明显小于软铜复绞线的冲击阻抗。研究表明，在对油罐顶部采用多套可伸缩接地装置来替代采用软铜复绞线的连接方式后，可以在数量级上降低浮盘的瞬间压降。因此，采用伸缩式接地装置后就可以在发生雷击时有效减少产生火花放电的可能性［4］。

2.3 油罐区仪表控制系统的防雷改造

根据罐区的实际情况，尽量利用原有建筑，通过增加防护设备，规范作业等措施，对仪表系统的防雷措施进行改造，达到经济、高效的目的。

a）仪表线路安装浪涌保护器。从供电线路入侵的雷电过电压占雷击事故的大部分，高电压可直接损坏仪表设备，按照IEC61312的原则，仪表系统的供电线路上应设置多级防雷保护措施。该次设计的电源系统就是在不同的场所安装不同保护级别的浪涌保护器，即SPD，从而将过电压降到设备能承受的水平。

弱电系统防雷还没有专门标准，在现有防雷措施尚不足以保护弱电设备的情况下，在许多场所采用了浪涌保护器。其主要功能是通过泄放浪涌电流来限制浪涌电压，起到防雷保护的作用。具体措施：将从室外来的导线（包括电力电源线、信号线、控制线等）与系统接地线间并联配套的避雷器。当感应雷击发生时，在线路上产生的过电压波就会沿着这些导线进入室内或设备，这时，并联在线路上的浪涌保护器就会从正常较高的电阻值突然降到很低的电阻值，近于短路状态，将感应雷击电流快速分流入地，这样就可以有效保证感应电流不会传输到仪表设备上，从而达到保护仪表设备的目的。当雷电流释放结束后，浪涌保护器又快速恢复到较高的正常电阻值，以满足线路正常工作的需要。

b）第二级防护。因为CLASS I级电源保护器主要是对大浪涌电流进行吸收，吸收后的电压依然远高于内部的敏感用电设备的承受能力，所以必须采用进一步的防护措施，将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1 500～2 000V的水平。

配电柜线路采用电源防雷器作为第二级保护时依然采用限压型浪涌保护器，要求其雷电流容量应不低于20kA，限制电压应小于1 200V，响应时间不大于25ns，称之为CLASS II级电源防雷器，并将其安装在重要设备供电配电处，吸收已经被第一级防护处理过的残余浪涌能量，可以有效防止瞬态过电压的危害。一般供电系统做到第二级保护时，就可以达到用电设备安全运行的要求了。

在该次改造中将浪涌保护器安装在仪表控制柜中，与仪表控制柜的进线电源并联。控制柜的电源取自已经安装第一级防护浪涌保护器的配电柜回路。在安装了第二级浪涌保护器后可以进一步削减可能通过前级避雷器的电流或其电源线上的感应过电压，将线路过电压降至设备可承受的水平，对仪表控制柜内设备有良好的保护作用。选用防雷产品具体参数：每相最大冲击电流容量为20kA；限制电压小于1 100V。

c）第三级保护。采用第二级保护就基本可以达到用电设备运行的要求，但对于仪表设备来说，残余电压依然很高，必须再次进行第三级保护。它是保护设备的最后手段，仍然选用浪涌保护器来进行防护，可以有效地将残余浪涌电压值降低到设备允许电压以内，使浪涌的能量不致损坏设备。将电子信息设备保护端安装的电源防雷器作为第三级保护时，接线方式应为串联式。

该次改造中将避雷器安装在仪表控制柜中，与来自现场的设备接线串联，可以进一步削减可能通过前级避雷器的电流或其电源线上的感应过电压，将线路过电压降至设备可承受的水平，保护其后端的设备。选用的防雷产品具体参数：每相最大冲击电流容量为1kA；限制电压小于30V。

d）其他防护。在改造的现场还发现一个问题，就是从现场DCS设备引到控制柜的卡件在雷雨季节有电压击穿的现象。从现场分析来看，此类设备由于安装的地点较为偏僻，与控制室的距离较远，容易受到感应雷击的影响，所以专门在这些设备现场进行了防雷保护。选用的防雷产品可以保护设备免受通过DCS的4～20mA信号以及脉冲信号传输电缆线侵入的雷浪涌的冲击。该浪涌保护器只吸收雷浪涌，而不影响计测信号；限制电压小于30V。在接线时必须采用串联的接线方式。

特别需要提出的是，在具体接线时，浪涌保护器两端的接线应尽量缩短。IEC标准规定浪涌保护器的接线总长不应超过0.5m。这是因为当浪涌保护器导通放电时，施加在被保护电气设备上的雷电脉冲残压不仅是浪涌保护器额定的限制电压，还要加上浪涌保护器与被保护设备之间连线上的电压。连线电压大小主要由Ldi／dt的数值决定，其中L为浪涌保护器两端接线的电感，di／dt为雷电脉冲电流的陡度。要想使连线的电压最小，主要是降低L的数值，最可行的方法就是减少接线长度即减少电感。因此，要求浪涌保护器安装在配电箱带电导体母排和接地线母排之间，以使其接线长度最短。现在的产品已经按配电箱内断路器的模式来制作，不仅可以方便地安装在配电箱内母排之间，更可以减少连接线的长度，这对减小残压十分有利［5］。