浅谈石油库中控楼常见的雷害原因及整改方法

2022-09-10

近年来, 分散控制系统 (DCS) 越来越多地被运用在在石油库的运行中, 肩负着石油库连续过程控制和过程管理的重要使命。而这些重要设备的“大脑”和“神经中枢”就集中在石油库的中控楼里面, 中控楼是石油库的控制和信息中心, 集中了很多重要及关键的计算机设备、通讯设备、仪器仪表, 大多数还有电台和天馈线。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元, 其对瞬间过电压的承受能力大幅降低, 成为石油库受雷电损害的主要设备。所以对中控楼采取有效的防雷保护措施是非常必要的。

出于安全方面考虑石油库一般建在地势空旷、人烟稀疏的旷野或山区, 而且往往临近水源, 这些地理因素都在一定程度上增加了中控楼遭受雷击的概率, 因此不能因为中控楼不高而忽视它的防雷保护。但实际工作中一些石油库的中控楼已经严格按规范做好了避雷带、针等直击雷保护, 但是雷击事故还是频频发生, 这是为什么呢?

1 错误的接地方式导致雷电反击

下面我们来看一个常见的中控楼防雷和接地措施立面示意图 (图1) 。

该中控楼采用独立接地方式, 图中RS为设备工作接地, RG为建筑物防雷接地;A、B、C是处在不同楼层的设备;GA、GB、GC为设备在工作接地主干线上的接地点;G1、G2、G3为不同楼层建筑物内部钢筋引下线;L为室外电源引入, LA、LB、LC为设备供电线路;S是建筑物内设备与建筑物外设备通信信号线;SA、SB、SC为各设备之间互相通信的信号线;PL、PS分别为电源避雷器和信号避雷器。

如图1所示, 该中控楼天面设置了避雷带进行保护, 直击雷防护采用建筑物本体基础钢筋进行接地 (RG) ;设备工作地因设备制造商特别要求而单独设置 (RS) , 与建筑物防雷地绝缘;中控楼总配电柜处设1级电源SPD保护 (PL) , 总信号引入处设1级信号SPD保护 (PS) ;设备A、B、C外壳均已接到工作地。这样一个防雷和接地系统咋一看好像很完善了, 其实这个系统存在着不少安全漏洞。

1.1 雷电反击成因分析

假设雷电直接打在建筑物楼顶避雷带上, 入地雷电流I=100kA, RG=1Ω、RS=1Ω。此时, G1、G2、G3所处的各楼层的电位都将抬升100kV, 如果GA、GB、GC与防雷地不相连接, 就会发生雷电反击现象, 设备工作地线与建筑物楼板之间产生火花电弧, 因为100kV的电位差可击穿的空气距离达300mm~500mm (由当时的空气绝缘程度而定) 。

如果RG与RS相距较远 (如20m以上) , 设备工作接地线与楼板、墙壁绝缘较好, 地电位的抬升不足以击穿设备工作地线。但雷击时, 如果工作人员刚好与设备机壳相接触, 人身体上的某一部位又与地板或墙壁相接触, 雷电将会流过人体进入设备工作接地, 人身安全必将受到伤害。

另外当雷电反击事故发生后, 高电位击穿设备的电源端或信号端口, 进入设备并从电源线或信号线流出, 构成了雷电流回路, 使设备受到损坏。

因此, 为了避免雷电反击事故的发生, 保证人身安全, RG与RS必须是同一个接地体, 即设备工作地和防雷地必须联合接地。且为了保证计算机系统的安全稳定工作, 联合接地电阻必须达到1Ω以下。

但是联合接地后, 并不能确保设备安全。雷击时, 设备机壳上的雷电感应电流通过工作地线流入接地体, 由于地线的分布电感及线电阻产生的线电压降很大, 很难保证设备A、B、C之间的地电位是相等的, 当两设备电位差大于100V以上就有可能使雷电流 (或过电压) 通过SC、SB、SA和S信号连接线引入而损坏接口;当雷电产生的电位差大于800V~1500V, 则不论是否安装避雷器PL、PS, 电源输入端口LC、LB、LA也将可能损坏。

1.2 利用等电位连接减少电位差

要解决直击雷造成反击损坏设备的现象, 就得尽量减少各点之间的电位差。具体方法是。

(1) 各楼层的设备工作地GA、GB、GC应与该楼层的建筑物主钢筋相连 (图2中虚线部分) , 并在机房内组成环形汇集环。接在汇集环上的设备如果互相连网, 在雷击时, 因其地电位差极小, 从而避免了雷击反击损坏。

(2) 禁止在机房内用细小的铜线将设备串联接地, 因为导线的分布电感和线阻, 将使各接地点之间电位差增大。如机房内的环形接地体无法与大楼内的主钢筋相连, 则用两条铜线同时引下, 铜线的截面积不宜小于35mm2。设备的电源插座或设备应与环形接地体相连。

(3) 各SPD接地应接至同一接地网。

(4) 建筑防雷地与设备工作地用接地干线进行连接, 如设备工作地确需采用独立接地, 可考虑用等电位连接器将建筑防雷地与设备工作地进行连接, 通过等电位连接器连接, 在无雷电泄放的情况下连接器两端为高阻抗, 各地网独立;有雷电泄放到地网时, 等电位连接器将迅速导通, 使各地网的电位同时抬高, 形成一个等电位体。

整改后的防雷和接地示意图见图2, 图中虚线部分为增加的连接线。

2 忽视屏蔽措施导致雷电磁感应侵入

雷击中控楼或击在中控楼附近地面时会产生强磁场, 雷电流产生的磁场与雷电流有相同的波形, 安装在中控楼上或其内的内部系统对电涌和磁场的抗扰水平是有限的, 在遭到雷击及紧随产生的磁场影响时, 可能被损坏或会导致错误运行。雷电磁场的影响只能采用空间屏蔽措施来减弱, 电子系统内的感应产生的电涌可以用空间屏蔽或线缆布设与屏蔽措施, 或者二者综合的方法来减小。

2.1 线缆屏蔽

除第2部分罗列出的不合理之处外, 图1中还有个重要的安全漏洞, 那就是室外引入的电源和信号线路都为架空引入, 且没有采取屏蔽措施。对信号电缆的屏蔽, 许多行业规范 (如国家石油和化学工业局于2000年发布的《仪表系统接地设计规定 (H G/T20513-2000) 》) 对屏蔽电缆的接地, 原则上是规定一端接地, 另一端悬空。但单端接地只能防静电感应 (即电容性耦合) , 抑制不了由于电磁感应 (即电感性耦合) 所产生的干扰, 无法阻止雷电波的侵入。

为此, 除了内屏蔽层的一端做等电位连接外, 还应增加有绝缘隔开的外屏蔽层, 外屏蔽层应至少在两端做等电位连接。在雷击时外屏蔽层与地构成了环路, 出现感应电流, 该电流产生的磁通抵消或部分抵消源磁场强度的磁通, 从而抑制或部分抑制无外屏蔽层时所感应的电压。通常, 石油库内可以利用金属走线槽或穿金属管作为外屏蔽层, 但必须保证槽与槽之间或金属管与金属管之间连接良好且两端接地 (管线较长时, 宜每隔30米设一个接地点) 。这样的外屏蔽层也可以在一定程度上提供线缆对直击雷的防护。

2.2 建筑物及设备屏蔽

首先按照规范和IEC的要求将建筑物内部划分为不同的防雷分区 (LPZ) , 将不同电磁场承受能力的设备放置在相符合的LPZ内, 对于电磁干扰特别敏感脆弱的设备应设置独立的屏蔽室进行安置, 屏蔽室建筑物内的钢筋、金属门窗等连接起来, 形成一个屏蔽网并接地, 必要时应在屏蔽室的六个平面装上钢板或金属丝网并接地, 形成一个法拉第笼。设备的金属外壳、机柜也应形成笼式屏蔽接地。

2.3 设备安放位置的考虑

由于直击雷入地的电流强度极大, 因此在雷电流入地的过程中, 引下线将产生极强的电磁波, 该电磁波会近距离感应在其附近各种设备的线路上, 产生感应过电压, 从而使设备损坏, 严重时也会产生电火花。

电子系统只应安置在距LPZ屏蔽层有一定安全距离的“安全空间”内部。这是因为部分雷电流会流经屏蔽层 (特别是LPZ1) , 靠近屏蔽层处的磁场强度较高。电磁波在通过门、窗 (已接地) 等大孔径的屏蔽体时需要经过比墙壁等屏蔽体更长的距离才能有效的衰减, 如果设备摆放在这个距离里面的话一样起不到良好的屏蔽效果。

因此, 重要精密设备的摆放位置应尽量避开防雷引下线和建筑物的门、窗。

3 结语

防雷工作不是简单的避雷设施的安装和堆砌, 而是一项要求高、难度大的系统工程, 涉及多方面因素, 石油库的防雷工作更是如此。通过以上案例分析, 虽然可以找出问题的症结所在, 由于是在工程的施工大体完成之后, 如发现问题后要很难进行修改, 而且这终究是“亡羊补牢”。因此, 如果能在工程的设计阶段就予以考虑全面的防雷措施, 施工过程中严格注意细节, “防患于未然”才是解决问题的根本办法。为此, 必须贯彻经济、实用、高标准、严要求、高起点、高可靠性原则, 在遵守有关国家标准、行业标准的基础上, 还应参考和引入IEC有关防雷标准要求, 以达到更好的防雷效果, 确保石油库的可靠、稳定运行。

摘要：中控楼的雷击事故已经占到了石油库雷击事故的大部分。本文结合一些案例, 通过对某“典型”石油库中控楼防雷和接地系统进行“漏洞分析”, 并提出整改的方法, 希望能起到“亡羊补牢”的作用。

关键词：石油库中控楼,雷电反击,联合接地,等电位,屏蔽