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(guó)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(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

3 國(guó)網(wǎng)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(chǎn)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(shí)域有限差分法仿真計(jì)算了100 kA強(qiáng)雷電雷擊石油化工裝置產(chǎn)生的電磁脈沖。結(jié)果表明，水平電場(chǎng)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(chǎng)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(gè)峰值隨深度的增大而減小，由于反射的影響，第二個(gè)峰值隨深度的增大反而有所增大；水平磁場(chǎng)的變化比較規(guī)則，地上的水平磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)峰值達(dá)到了110 kV/m以上，垂直電場(chǎng)峰值達(dá)到了240 kV/m以上，水平磁場(chǎng)峰值達(dá)到了2 300 A/m以上，如此強(qiáng)大的電磁脈沖對(duì)石化企業(yè)的防雷設(shè)計(jì)是一種嚴(yán)峻考驗(yàn)。

雷擊；石化裝置；雷電電磁脈沖；時(shí)域有限差分法

0 引言

雷電是自然界中一種激烈的放電現(xiàn)象，由此引起的雷擊災(zāi)害被聯(lián)合國(guó)列為十大自然災(zāi)害之一。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴2 000次，所導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸等時(shí)有發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年因雷電而造成的傷亡的人數(shù)大約有3 000～4 000人，因雷電災(zāi)害造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到幾十甚至上百億元。

我國(guó)石化企業(yè)多數(shù)分布在沿江沿海雷電災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，易發(fā)生雷擊事故。在石油化工生產(chǎn)廠區(qū)，往往存在大量易燃易爆混合物[1]，雷電產(chǎn)生的電火花一旦引起爆炸就會(huì)造成巨大破壞和人員傷亡，因此，石化廠區(qū)的防雷越來(lái)越重要。近年來(lái)，因雷擊高大石化裝置產(chǎn)生的電磁脈沖造成儀表和電氣設(shè)備損壞、分布式控制系統(tǒng)死機(jī)等事故時(shí)有發(fā)生，給石化企業(yè)的安全生產(chǎn)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(duì)雷擊石化裝置產(chǎn)生的雷電電磁脈沖(LEMP)的分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算研究。雷擊石化裝置的理論計(jì)算可分為3個(gè)步驟：首先是建立雷擊石化裝置雷電通道模型，描述雷電回?fù)暨^(guò)程，解決輻射源的問(wèn)題；其次是選擇電磁場(chǎng)輻射計(jì)算方法；最后是根據(jù)實(shí)際情況，建立計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算得到電磁輻射計(jì)算結(jié)果。

1 雷擊石化裝置雷電通道模型

根據(jù)回?fù)裟Ｐ椭浞匠淌降姆N類，雷電通道模型可分為氣體動(dòng)力學(xué)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(jìn)行理論計(jì)算研究。石化裝置可以簡(jiǎn)化為圖1，石化裝置作為雷電流放電通道的一部分，會(huì)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(huì)存在反射，反射系數(shù)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(dāng)'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(shí)刻，通道內(nèi)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(fā)生反射的次數(shù)。

2 雷擊石化裝置電磁輻射計(jì)算方法

本文在計(jì)算中采用時(shí)域有限差分法(FDTD)[7-8]對(duì)地閃回?fù)敉ǖ栏浇麹EMP的分布規(guī)律進(jìn)行研究。雷電放電通道采用MTLL回?fù)裟Ｐ瓦M(jìn)行模擬，假設(shè)雷電放電通道垂直于地面，則雷電放電通道周圍的場(chǎng)具有對(duì)稱性，場(chǎng)分量的大小與方位角無(wú)關(guān)，因此可看成一個(gè)二維問(wèn)題在柱坐標(biāo)下求解，雷電放電通道附近LEMP的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 二維柱坐標(biāo)下FDTD計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig. 2 FDTD two-dimensional computational domain mesh division

二維柱坐標(biāo)系下的差分方程如下[9]：

考慮到所計(jì)算問(wèn)題的軸對(duì)稱性，為減少計(jì)算量，可以只計(jì)算包含回?fù)敉ǖ涝趦?nèi)的半個(gè)剖面內(nèi)的場(chǎng)，為此需要對(duì)軸線上的Ez作特殊處理。根據(jù)安培環(huán)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(nèi)，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?fù)裟Ｐ秃屯ǖ阑娏鬟M(jìn)行計(jì)算；ε和σ分別表示自由空間或大地的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，地面分界面處的電導(dǎo)率和電容率參數(shù)設(shè)置為大地與空氣的平均值。

邊界的截?cái)嗖捎酶倪M(jìn)的Mur一階吸收邊界條件[10]：整個(gè)計(jì)算過(guò)程通過(guò)迭代計(jì)算得到域內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，雷電通道的引入通過(guò)式(9)垂直電場(chǎng)的計(jì)算引入，式(9)中電流I通過(guò)式(3)、(4)及MTLL雷電通道模型計(jì)算得到。

3 雷擊石化裝置電磁輻射仿真結(jié)果

計(jì)算中采用的雷電通道基電流采用雙指數(shù)模型，表達(dá)式為：

其中，I0為強(qiáng)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(xiàn)了明顯的反射。

圖3 石化裝置頂部發(fā)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(chǎng)Fig. 4 Horizontal electric feld produced by lightning strike at different heights

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察石化裝置的環(huán)境，取大地電導(dǎo)率為0.001 S/m，大地相對(duì)電容率εr設(shè)為10 F/m，雷電通道高度設(shè)為1 000 m。

圖4為雷擊不同高度石化裝置水平電場(chǎng)分布情況，可以看出，當(dāng)石化裝置遭受雷擊的瞬間，觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)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(duì)雷電的反射作用。水平電場(chǎng)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(chǎng)相差不到1 kV/m。水平電場(chǎng)受距離影響較大，雷擊55 m石化裝置在10 m處的水平電場(chǎng)達(dá)到了8 kV/m以上，而20 m處的水平電場(chǎng)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(chǎng)分布情況，可以看出，垂直電場(chǎng)受石化裝置高度的影響很大而受觀測(cè)點(diǎn)距離的影響較小。雷擊55 m石化裝置在10 m處產(chǎn)生的垂直電場(chǎng)近50 kV/m，而雷擊33 m石化裝置在相同位置產(chǎn)生的電場(chǎng)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(chǎn)生的垂直電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布情況，可以看出，由于石化裝置對(duì)雷電的反射作用，水平磁場(chǎng)前期波動(dòng)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(chǎng)受石化裝置高度和距離的影響都較大。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可知，在100 kA強(qiáng)雷電情況下，在地上5 m，距離雷電通道10 m處的水平電場(chǎng)峰值達(dá)到了110 kV/m以上，垂直電場(chǎng)峰值達(dá)到了240 kV/m以上，水平磁場(chǎng)峰值達(dá)到了2 300 A/m以上。如果鉆井井場(chǎng)的防雷工程不完善，如此強(qiáng)大的雷電電磁脈沖很容易對(duì)石化裝置的動(dòng)力、井控、儀表等系統(tǒng)造成破壞，嚴(yán)重威脅著企業(yè)安全生產(chǎn)和人員生命安全。為了確保石化裝置的安全運(yùn)行，針對(duì)石化裝置的實(shí)際運(yùn)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(jī)房、設(shè)備接地良好，各個(gè)系統(tǒng)的接地宜采用共用接地系統(tǒng)。

(2)屏蔽線纜的屏蔽層兩端應(yīng)做可靠接地、等電位連接；其余線纜應(yīng)穿金屬管或金屬線槽敷設(shè)，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(tǒng)中應(yīng)安裝多級(jí)浪涌保護(hù)器，將殘壓控制在最低水平。信息系統(tǒng)信號(hào)部分應(yīng)在信號(hào)線兩端的接口處安裝相應(yīng)的信號(hào)浪涌保護(hù)器，以確保信號(hào)系統(tǒng)安全。

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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(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“罐區(qū)重大燃爆事故防范關(guān)鍵技術(shù)”(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(xué)通報(bào), 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