姚薇，李明軍

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安223003；2.南京市六合區(qū)防雷中心，南京211500）

1 油罐區(qū)防雷的必要性

油罐儲(chǔ)油是當(dāng)前應(yīng)用最主要且普遍的一種儲(chǔ)油方式。在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，首先必須了解油品易揮發(fā)、易流失、易燃燒、易爆炸等性質(zhì)，對(duì)于防雷工作具有重要意義［1－2］。目前在大型罐區(qū)單罐容積已達(dá)1×105m3以上的儲(chǔ)罐已是屢見不鮮。如此巨大的油罐一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸等突發(fā)事故，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，社會(huì)影響也是難以估量的。

2 防雷工程優(yōu)化改造與實(shí)施

防雷工作對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要，一般在設(shè)計(jì)油罐時(shí)，都會(huì)進(jìn)行接閃桿的同步設(shè)計(jì)。但由于油罐改造后的體積增大了，卻并沒有對(duì)接閃桿進(jìn)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(dá)不到規(guī)范的要求；接閃桿的高度不能保護(hù)直徑和高度增大的油罐。經(jīng)相關(guān)部門對(duì)淮安所屬化工企業(yè)油罐區(qū)檢查，發(fā)現(xiàn)所屬油罐區(qū)的儀表控制系統(tǒng)所在機(jī)房沒有進(jìn)行防雷保護(hù)，因而必須重新設(shè)計(jì)防雷方案，對(duì)油罐區(qū)進(jìn)行防雷改造。

油庫是儲(chǔ)存危險(xiǎn)性油品的專用場(chǎng)地，在對(duì)明火等可能存在的危險(xiǎn)進(jìn)行有效控制后，雷電就成為引發(fā)油庫火災(zāi)的主要原因。針對(duì)油罐區(qū)如何設(shè)計(jì)有效的防雷措施，需從以下幾點(diǎn)考慮。

2.1 油罐區(qū)直擊雷的防護(hù)措施

雷直擊到油罐浮盤后，強(qiáng)大的雷電流從浮頂經(jīng)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(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。如果此時(shí)密閉空間的油氣濃度高于爆炸極限的下限時(shí)，必然會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。雷電流此時(shí)就是一個(gè)點(diǎn)火源［3］。

當(dāng)油罐的體積比較大，設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)增加油罐的直徑，造成油罐的浮頂表面積增加較多。具體數(shù)據(jù)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(guān)系

從表1可以看出，當(dāng)儲(chǔ)罐的容量不斷增加時(shí)，浮盤表面積增加較多，甚至已經(jīng)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(yīng)電壓的高低呈正比上升的關(guān)系。在沒有接閃桿防護(hù)的場(chǎng)所，大容量油罐浮盤上的雷電感應(yīng)電壓非常高，在浮盤上升到儲(chǔ)罐頂部時(shí)遭直擊雷而導(dǎo)致爆炸的可能性就很高。

為了減少這種危險(xiǎn)發(fā)生的可能性，依然需要在油罐區(qū)增加接閃桿進(jìn)行直擊雷的防護(hù)，進(jìn)而增加油罐的安全性，這在技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)。針對(duì)江蘇清江石化公司南罐區(qū)有4個(gè)1×104m3（601號(hào)、602號(hào)、604號(hào)、604號(hào)）和1個(gè)2×104m3（605號(hào)）的浮頂油罐的現(xiàn)狀，采取增設(shè)接閃桿線的防護(hù)措施。以下對(duì)防雷方案進(jìn)行簡(jiǎn)單描述：

觀測(cè)到該化工廠南罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)浮頂油罐的密封由于長(zhǎng)期的上下移動(dòng)，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(huì)導(dǎo)致爆炸等嚴(yán)重事故。以往電氣工程師認(rèn)為只要油罐罐體厚度達(dá)到規(guī)范要求，就可以不用安裝獨(dú)立接閃桿線來保護(hù)，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察筆者認(rèn)為浮頂油罐必須裝設(shè)獨(dú)立接閃桿線，尤其要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(jié)合的防雷措施，在工程實(shí)施過程中主要是防雷設(shè)施的優(yōu)化改造和保護(hù)范圍的確定。

按照《中石化［97］安技字17號(hào)》的要求，必須及時(shí)更換和維修已損壞的消雷器部件和構(gòu)件，不能更換和維修的應(yīng)停用拆除。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，2組消雷器損壞嚴(yán)重，只能進(jìn)行更換。針對(duì)油罐區(qū)存在的雷災(zāi)隱患，經(jīng)過各有關(guān)部門技術(shù)人員的討論研究建議采用優(yōu)化式接閃桿ZGU－Ⅲ－5A2替換現(xiàn)有消雷器，并且采用上述針線結(jié)合的防雷措施進(jìn)行安裝。

該公司油罐區(qū)接閃桿屬改造項(xiàng)目。油罐區(qū)五個(gè)油罐的尺寸如下：601號(hào)～604號(hào)油罐直徑為18m，高度為13m，容量1×104m3，兩罐間距8m。605號(hào)油罐直徑40m，高度19m，與604號(hào)油罐最短距離16m。為了增強(qiáng)避雷效果，筆者采用接閃桿線結(jié)合的方法，在圖1中兩個(gè)位置建立高度28m的鐵塔，在鐵塔頂端安裝2m的接閃桿。因?yàn)樾枰Ｗo(hù)的是油罐區(qū)，屬于第一類防雷要求，滾球半徑取30m，按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第三章中接閃桿保護(hù)范圍計(jì)算公式，計(jì)算得出此接閃桿在地面的保護(hù)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(qiáng)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(qū)的感應(yīng)雷防護(hù)措施

統(tǒng)計(jì)表明，感應(yīng)雷對(duì)罐區(qū)的危害特別大，這和罐區(qū)的特殊布置有著密切的關(guān)系。出于安全需要，油罐區(qū)一般都布置在空曠的地帶，周圍較大的區(qū)域沒有高層建筑，缺少可依靠的常見防雷建筑。筆者針對(duì)油罐可能存在的問題，提出具體的防護(hù)措施：

a）油罐內(nèi)盡量不要采用金屬浮球測(cè)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(chǎn)生局部聚集。同時(shí)金屬浮球在油罐內(nèi)部，無法進(jìn)行接地處理，只能利用懸掛的鋼絲繩簡(jiǎn)單地通過滑輪與罐外壁進(jìn)行接觸來釋放靜電，但當(dāng)滑輪與鋼絲繩處粘附有相對(duì)絕緣的油污時(shí)，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(chǎn)生放電現(xiàn)象。因此，現(xiàn)在普遍使用導(dǎo)波雷達(dá)來進(jìn)行油罐的液位測(cè)量。

b）在浮頂和罐壁之間，安裝伸縮式接地裝置。在現(xiàn)有的規(guī)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(fù)絞線做電氣連接的。一般將浮頂和罐壁用軟銅復(fù)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(jù)油罐浮頂?shù)奈恢脕砜刂粕炜s接地裝置的接地線長(zhǎng)度，達(dá)到降低連接阻抗的目的?？缮炜s接地裝置的設(shè)置數(shù)量依然根據(jù)軟銅復(fù)絞線做電氣連接時(shí)的要求，在油罐浮頂圓周均勻布置，當(dāng)圓周長(zhǎng)度大于30m時(shí)，適當(dāng)增加數(shù)量。雷電流泄放時(shí)接地電阻主要表現(xiàn)為沖擊阻抗，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)明顯小于軟銅復(fù)絞線的沖擊阻抗。研究表明，在對(duì)油罐頂部采用多套可伸縮接地裝置來替代采用軟銅復(fù)絞線的連接方式后，可以在數(shù)量級(jí)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(fā)生雷擊時(shí)有效減少產(chǎn)生火花放電的可能性［4］。

2.3 油罐區(qū)儀表控制系統(tǒng)的防雷改造

根據(jù)罐區(qū)的實(shí)際情況，盡量利用原有建筑，通過增加防護(hù)設(shè)備，規(guī)范作業(yè)等措施，對(duì)儀表系統(tǒng)的防雷措施進(jìn)行改造，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效的目的。

a）儀表線路安裝浪涌保護(hù)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(shè)備，按照IEC61312的原則，儀表系統(tǒng)的供電線路上應(yīng)設(shè)置多級(jí)防雷保護(hù)措施。該次設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)就是在不同的場(chǎng)所安裝不同保護(hù)級(jí)別的浪涌保護(hù)器，即SPD，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。

弱電系統(tǒng)防雷還沒有專門標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有防雷措施尚不足以保護(hù)弱電設(shè)備的情況下，在許多場(chǎng)所采用了浪涌保護(hù)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(hù)的作用。具體措施：將從室外來的導(dǎo)線（包括電力電源線、信號(hào)線、控制線等）與系統(tǒng)接地線間并聯(lián)配套的避雷器。當(dāng)感應(yīng)雷擊發(fā)生時(shí)，在線路上產(chǎn)生的過電壓波就會(huì)沿著這些導(dǎo)線進(jìn)入室內(nèi)或設(shè)備，這時(shí)，并聯(lián)在線路上的浪涌保護(hù)器就會(huì)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(tài)，將感應(yīng)雷擊電流快速分流入地，這樣就可以有效保證感應(yīng)電流不會(huì)傳輸?shù)絻x表設(shè)備上，從而達(dá)到保護(hù)儀表設(shè)備的目的。當(dāng)雷電流釋放結(jié)束后，浪涌保護(hù)器又快速恢復(fù)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(jí)防護(hù)。因?yàn)镃LASS I級(jí)電源保護(hù)器主要是對(duì)大浪涌電流進(jìn)行吸收，吸收后的電壓依然遠(yuǎn)高于內(nèi)部的敏感用電設(shè)備的承受能力，所以必須采用進(jìn)一步的防護(hù)措施，將通過第一級(jí)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(jí)保護(hù)時(shí)依然采用限壓型浪涌保護(hù)器，要求其雷電流容量應(yīng)不低于20kA，限制電壓應(yīng)小于1 200V，響應(yīng)時(shí)間不大于25ns，稱之為CLASS II級(jí)電源防雷器，并將其安裝在重要設(shè)備供電配電處，吸收已經(jīng)被第一級(jí)防護(hù)處理過的殘余浪涌能量，可以有效防止瞬態(tài)過電壓的危害。一般供電系統(tǒng)做到第二級(jí)保護(hù)時(shí)，就可以達(dá)到用電設(shè)備安全運(yùn)行的要求了。

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

c）第三級(jí)保護(hù)。采用第二級(jí)保護(hù)就基本可以達(dá)到用電設(shè)備運(yùn)行的要求，但對(duì)于儀表設(shè)備來說，殘余電壓依然很高，必須再次進(jìn)行第三級(jí)保護(hù)。它是保護(hù)設(shè)備的最后手段，仍然選用浪涌保護(hù)器來進(jìn)行防護(hù)，可以有效地將殘余浪涌電壓值降低到設(shè)備允許電壓以內(nèi)，使浪涌的能量不致?lián)p壞設(shè)備。將電子信息設(shè)備保護(hù)端安裝的電源防雷器作為第三級(jí)保護(hù)時(shí)，接線方式應(yīng)為串聯(lián)式。

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

d）其他防護(hù)。在改造的現(xiàn)場(chǎng)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，就是從現(xiàn)場(chǎng)DCS設(shè)備引到控制柜的卡件在雷雨季節(jié)有電壓擊穿的現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)分析來看，此類設(shè)備由于安裝的地點(diǎn)較為偏僻，與控制室的距離較遠(yuǎn)，容易受到感應(yīng)雷擊的影響，所以專門在這些設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了防雷保護(hù)。選用的防雷產(chǎn)品可以保護(hù)設(shè)備免受通過DCS的4～20mA信號(hào)以及脈沖信號(hào)傳輸電纜線侵入的雷浪涌的沖擊。該浪涌保護(hù)器只吸收雷浪涌，而不影響計(jì)測(cè)信號(hào)；限制電壓小于30V。在接線時(shí)必須采用串聯(lián)的接線方式。

特別需要提出的是，在具體接線時(shí)，浪涌保護(hù)器兩端的接線應(yīng)盡量縮短。IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定浪涌保護(hù)器的接線總長(zhǎng)不應(yīng)超過0.5m。這是因?yàn)楫?dāng)浪涌保護(hù)器導(dǎo)通放電時(shí)，施加在被保護(hù)電氣設(shè)備上的雷電脈沖殘壓不僅是浪涌保護(hù)器額定的限制電壓，還要加上浪涌保護(hù)器與被保護(hù)設(shè)備之間連線上的電壓。連線電壓大小主要由Ldi／dt的數(shù)值決定，其中L為浪涌保護(hù)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(shù)值，最可行的方法就是減少接線長(zhǎng)度即減少電感。因此，要求浪涌保護(hù)器安裝在配電箱帶電導(dǎo)體母排和接地線母排之間，以使其接線長(zhǎng)度最短?，F(xiàn)在的產(chǎn)品已經(jīng)按配電箱內(nèi)斷路器的模式來制作，不僅可以方便地安裝在配電箱內(nèi)母排之間，更可以減少連接線的長(zhǎng)度，這對(duì)減小殘壓十分有利［5］。

3 防雷改造小結(jié)

結(jié)合公司的實(shí)際情況，采用整體防御方法，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)、重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行全面防護(hù)，盡量利用現(xiàn)有資源，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效的目的。具體的工作主要包括：

a）對(duì)油罐區(qū)采用接閃桿、避雷線相結(jié)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(duì)采用的浪涌保護(hù)器產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的了解和區(qū)分，對(duì)設(shè)備應(yīng)用的場(chǎng)所進(jìn)行仔細(xì)區(qū)分，使浪涌保護(hù)器真正地發(fā)揮作用。

c）對(duì)以往接線方式進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范，從系統(tǒng)的角度來進(jìn)行防雷保護(hù)。

［1］ 姚勤.淺談大型油庫潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)與防范［J］.消防技術(shù)與管理，2004，23（1305）：72－73.

［2］ 賀可慶.油罐的種類及火災(zāi)特性［J］.山東消防，1997（02）：18－19.

［3］ 李世超.新型外浮頂罐二次密封結(jié)構(gòu)［J］.油氣田地面工程，2005，24（07）：51.

［4］ 梁國(guó)福.油罐爆炸火災(zāi)成因調(diào)查與分析［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2008，27（07）：545－547.

［5］ 王厚余.SPD的選用和安裝中應(yīng)注意的問題［J］.電工技術(shù)，2004（05）：18－49.

［6］ 林維勇.關(guān)于接地技術(shù)若干問題的討論［J］.建筑電氣，1995（04）：11－17.

［7］ 榮霞.淺談儀表的干擾及抗干擾措施［J］.石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2007，23（03）：26－28.

［8］ 鄒晟紅.對(duì)一起油罐雷擊火災(zāi)原因的調(diào)查分析［J］.建材與裝飾（下旬刊），2007（09）：271－272.

［9］ 胡海燕.可伸縮接地裝置在浮頂罐中的應(yīng)用［J］.2007，7（11）：20－21.

［10］ 楊萬國(guó)，汪波.自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的接地方式［J］.石油工程建設(shè)，2004，30（04）：27－31.

［11］ 張棟.大型石油罐區(qū)泄漏火災(zāi)事故環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)用研究［D］.北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2004.