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1、方 案 设 计第一章 防 雷 原 理雷害是人类的主要自然灾害之一。山东作为多雷发区,每年由雷害导致的经济损失高达上亿元。随着我国现代电子化水平的不断提高,电子设备的广泛应用,电子设备的耐压值越来越低,网路越来越复杂,电子通信系统高压引入的途径不断增加,使电子设备更易遭受雷电电磁脉冲感应高压的侵入。使得雷害呈逐年上升趋势。据统计,雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比率高达26%,而其中90%是感应雷使然。因此,对雷电的防护,尤其是对感应雷的防护已成为各行各业重点关注和防范的课题。一、雷击的分类雷击一般分为直接雷击和雷电电磁脉冲两类。直接雷击是指雷击直接击在物体上,产生电效应、热效应和机械力,直
2、接摧毁建筑物、构筑物以及引起人员伤亡等。由于直击雷的电效应有可能引起电子设备的损坏。雷电电磁脉冲是指雷云之间或雷云对地之间放电产生变化的强磁场,而在附近架空线、地埋线、金属管线或类似的导体上产生感应电压,该电压通过导体传送到设备,间接摧毁设备。雷电感应对电子设备,特别是通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大。另外还有操作过电压,即是指当电流在导体上流动时,会产生磁场储存能量,当负载(特别是大功率的感性负载)电器设备开关时,会产生暂态过电压,操作过电压同雷电感应一样,可以间接损坏电子设备。二、雷电防护区的划分按照IEC1321-1及GB50057-94的要求,应将要保护的空间划分为不同的防雷区,
3、以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位连接点的位置。各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。防雷区宜按以下分区:1、 LPZ 0A区:直击雷非防护区,本区内的各物体都有可能遭到直接雷击和导走全部雷电流。2、 LPZ 0B区:直击雷防护区,本区的各物体不可能遭受直接雷击,但本区内的电磁场强度没有衰减。3、 LPZ 1区: 第一防护区,本区的各物体不可能遭到直接雷击,流经各导体的电流比LPZ 0B区更小;本区内的电磁场可能减弱,这取决于屏蔽措施。4、 LPZ n+1:后续防雷区,当要进一步减小导入的电流和电磁场时,应引入后续雷区,并按照需要保护的
4、系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。通常,防雷区的数越高电磁环境的参数越低。(n=1,2,3.)在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接,并宜采用屏蔽措施。LPZnLPZ0ALPZ0BLPZ1LPZ2LPZ0BLPZ0B接地装置LPZ0ALPZ0BLPZ0ALPZ0A接闪器埋地线缆、管道 雷电及过电压防护 过电压保护内部防雷外部防雷接闪器接地装置引下线 内部过电压防护电磁脉冲外部防护(LEMP)安全距离等电位连接屏蔽隔离GB50057-94、IEC61312IEC61643、IEC60364等IEC1024系列GB50057-941989年8月12日9时55分,石油天然气
5、总公司管道局黄岛油库老罐区,2.3万立方米原油储量的 5号混凝土油罐爆炸起火,大火前后共燃烧104小时,烧掉原油4万多立方米,占地250亩的老罐区和生产区的设施全部烧毁,这起事故造成直接经济损失 3540万元。近几年,我们对石化企业进行了防雷防静电检查检测调查,其中包括油罐与液化气球罐、生产装置、火车装车与汽车装车栈台、独立避雷针、DCS控制系统、常规仪器仪表系统、加油站、工作服、工作鞋、通讯站、库房、采样绳、防雷防静电检测等。这里重点介绍石化企业防雷防静电方面所采取的相应措施。1 石油化工企业非常重视防雷防静电工作,把防雷防静电工作编入企业的规章制度中,每年都进行春季防雷检查和秋季防静电检查
6、,做到台帐齐全。2 部分生产装置在防雷防静电方面能够严格执行国家标准和IEC标准进行设计、施工。(1)进出生产装置的管道采取了接地措施,接地电阻值小于10,防止了感应雷的侵入和杂散电流的侵入。(2)装置区内的各种塔、容器、罐、设备、电机均按标准规定进行接地,接地电阻值小于10,为雷电流、杂散电流、静电电荷等提供了安全泄放通道;(3)装置区内的各种法兰、阀门设有跨接线,跨接接触电阻值均小于0.03,消除了法兰间和阀门处的放电现象。(3) 部分企业把接地引下线焊接连接方式改为断接卡的连接方式,能够在检查检测中及时发现接地体所出现的问题。(4) 外浮顶罐浮顶接地连接能够按标准要求设计,用两根大于25
7、mm2的软铜线连接,接点的接触电阻小于0.03。5 检查检测中发现的问题5.1各企业采用的防雷防静电标准规范不统一检查中发现各企业采用的标准不同,如,原水电部、电力部、中石化、中石油、地方标准。在用的标准规范中有的是试行本、有的是征求意见稿、有的已被废弃。5.2生产装置存在的问题5.2.1接地系统存在的问题,如:部分塔、罐、容器等设备没有接地、有的只有一点接地、有的接地引下线断裂、有的接地引下线水平敷设在地面上,进出生产装置管线无接地设施;装置区内的部分电机没有进行保护接地。5.3油罐、液化气球罐存在的问题5.3.1罐的接地体距罐体不足3m,没有达到标准要求的安全距离。5.3.2接地引下线无断
8、接卡,采用焊接方式,不利于检测。5.3.3接地引下线在地面上敷设几米长,会造成雷电的人员伤害事故。5.3.4打开断接卡检测,发现部分油罐接地电阻值大于10,由此可以推断例行检测的方法可能存在问题。5.3.5部分油罐上所设置的避雷针保护范围不能覆盖整个罐顶。5.3.6油罐梯子入口处没有人体静电泄放器。5.3.7有的油罐呼吸阀没有设置阻火器,且又无避雷针对呼吸阀进行保护。5.4 DCS控制系统及常规的仪器仪表系统在防雷方面存在的问题石油化工企业生产装置的DCS控制系统及常规的仪器仪表系统均属于微电子设备,极易遭雷击损坏。造成事故的主要原因有两个方面:一是由感应雷造成的,二是由地电位反击所造成的。为
9、了消除这一隐患,GB50057-94建筑物防雷设计规范(2000年修订稿)与IEC标准规定DCS控制系统及常规的仪器仪表系统必须进行等电位连接和安装SPD过电压保护器。 检查检测DCS控制系统及常规的仪器仪表系统,没有一套进行等电位连接和安装SPD过电压保护器。5.5企业内部接地电阻测试存在的问题企业内部在进行油罐和其它设备的接地电阻测试时,基本上不打开断接卡,而是直接进行测试,这种测试接地电阻的方法是不正确的,测试出的接地电阻值是不准确的。6 石化企业防雷防静电方面应采取的相应措施6.1严格执行现行的国家标准和行业的安全管理规定、安全技术规定。6.2加强防雷防静电的培训工作。6.3加强防雷防
10、静电设施的检查。重点对以下几方面进行检查,检查中发现问题要及时整改。(1)关键生产装置、重点生产部位的防雷防静电接地情况。(2)浮顶油罐的浮盘接地连线情况。(3)对铁路槽车、汽车槽车灌装形式,接地情况,静置时间,槽车内是否有接地导体、孤立导体、绝缘物,装车流速,操作人员的着装等情况进行检查。(4)液化气装车管的金属头的泄漏电阻。(5)铁路钢轨的接地电阻。(6)聚烯烃粉体料仓静电方面的各种情况。(7)粉体出口处的静电电位。(8)采样绳的电阻值。(9)加油站加油枪的泄漏电阻,呼吸阀的接地电阻和法兰接触电阻。(10)避雷针的保护范围。(11)防雷接地体与构筑物以及其它接地体的安全距离。(12)独立避
11、雷针与构筑物间的安全距离。通过对石化企业的防雷防静电状况的检查,可以发现石化企业的防雷防静电工作还是存在很多问题,应该在标准、技术上做到统一,加强防雷防静电工作的管理,防止雷电或静电对石化企业造成的危害。 孤东采油场油罐区金属油罐在防直击雷方面有什么要求?1 储存易燃、可燃物品的油罐,其金属壁厚度小于4毫米时,应装设防直击雷设备(如安装避雷针)2 储存易燃、可燃物品的油罐,其金属壁厚度大于或等于4毫米时,可不装设防直击雷设施,但在多雷区也可考虑装设防直击雷设施。3 所有金属油罐必须做环形接地,接地点不小于两处,其间弧度距离不大于30米,接地体距离壁体不大于3米。4 油罐体装有避雷针或罐体作接闪
12、器时,接地冲击电阻不大于10欧。5由于罐区所在区域内,地质条件造成土壤含酸碱度较高。致使地网被腐蚀。给安全生产带来隐患。6罐顶避雷针锈蚀严重。7外调泵配电系统接地电阻值大于国家防雷规范要求。8 DCS控制系统及常规的仪器仪表系统未进行等电位连接和安装SPD过电压保护器。9 解决跨步电压从而保证人身安全。10现场情况: 第二章 设 计 预 案一接地系统1 钢油罐必须作防雷接地,其接地点,不应少于两处;接地点沿油罐周长距离,不宜大于30米。油罐顶装有避雷针或利用油罐体作接闪器时,接地电阻不宜大于10欧姆,当油罐仅作防感应雷时,接地电阻不大于30欧姆。2 由于罐区土壤含碱性较高,采用普通的镀锌扁钢及
13、金属接地极更换地网,虽然当时能够保证地网符合规范要求,但是仍为今后的安全生产带来隐患。3ZGD系列低电阻接地模块与传统接地材料的比较接地是保证电气系统安全工作和电气设备及人身安全的重要措施之一,人工接地网必须有较低的接地电阻并保证跨步电压和接触电势。符合安全要求。更重要的是必须确保地网电阻值满足技术要求的同时,更要长期稳定。否则极易发生各种事故。对安全运行要求极高的石化系统来讲,这是一个最基本也是最重要的要求。下面就两种情况作一简单的对比分析:1 占地面积在一般条件下(100m)使用金属接地材料,在罐区占地面积内一般均可达到接地电阻要求。在500m时,由公式Rj=0.5/s可知,此时土壤电阻率
14、为常值,若要降低Rj,只有增大s,此时占地面积S将急剧增大,表现为外接多个外引地网,征地费用大幅增加,总费用剧增,显然是不可取的解决办法。在某些场合,受场地限制,又无法外引地网,接地装置又属于一次性埋入的材料,不可能轻易更换,此时工程便于陷入进退维谷的境地。中光公司的“低电阻接地模块”采用了一系列降阻技术。首先降低接地极与土壤之间的表面接触电阻,同时成倍增加了接地体的散流面积。由于接地体本身含有丰富的离子,又具有吸湿保湿特性,采用电子十离子导电的散流方式,大大优于金属的电子导电的散流方式。尤其是在高土壤电阻率时,这种工作方式更是大幅度提高了电流的散流效果。采用低电阻接地模块一般情况下均能在变电
15、站本身占地面积内达到接地电阻要求。从而大幅度减少了占地面积。ZGD系列低电阻模块布设的地网受季节气候的影响很小,工作更平稳。腐蚀和寿命问题由设计手册可知扁钢的腐蚀速度为0.10.2mm/年,在酸碱度大的地区腐蚀速度更快,这样在罐区工作几年后,由于扁钢表面已腐蚀,散流时接触电阻迅速增大,整个地网的接地电阻值将逐渐增大。同时由于工频泄放的问题,进一步加速了扁钢的腐蚀速度。中光公司的低电阻接地模块采用的是导电性能优良的非金属材料、金属极芯和富含电解质的材料制成的。外层是非金属材料,金属极芯采用的是不锈钢(可达五十年寿命),抗腐蚀能力极强,腐蚀速度极低,可忽略不计。污染问题低电阻接地模块由于材料与工艺
16、的原因,无任何污染,同时又有很强的抗污染抗腐蚀能力。扁钢则受污染的影响很大。费用问题就单个材料而言,ZGD系列低电阻接地模块的费用要高些,但就高土壤电阻率的情况下,工程总费用和全寿命期费用则要明显低于用扁钢的地网。降阻剂现已有很多部、委正式下文禁止使用降阻剂。主要原因是:地网电阻不稳定,呈逐年上升态势,严重危害安全生产运行。土方量问题采用扁钢、圆钢时,每个杆塔的地网需用土方量达4080方。而采用ZGD模块时仅需812方土。中光公司的ZGD系列低电阻接地模块是国家专利产品,被评为“国家级新产品”和“四川省用户满意产品”。该产品经过反复测试和自然雷击实验,现已列入99D562标准图集中。二防静电接
17、地 根据规范要求储存甲、乙、丙A类油品的钢油罐和非金属油罐,均应作防静电接地。地上或管沟铺设输油管线及阀兰处均应设置防感应雷和防静电接地装置。油罐区机泵等设备应设置防静电接地。三电磁屏蔽措施及雷电电磁脉冲防护 作为对雷电电磁脉冲的防护,电磁屏蔽措施是防雷措施的重要组成部分之一。根据法拉第笼的原理,只有将被保护的物体完全置于被金属物体的包裹之内,才不会受到外界电厂与磁场的干扰。线路上的屏蔽的重要手段就是采用金属线槽、线路分别穿金属管或采用有屏蔽层或带钢铠的电缆。 油罐区所在区域周围比较恶劣,油罐区内设备供电及现场DCS系统线路长,遭受感应雷电压越高,建议更换铠装的电缆及信号线。同时,作电气连接。
18、铠装电缆的埋地长度,不应小于50米。 避雷器是随着现代科技的发展而发展起来的一种防雷设备,又随着高技术设备的防雷需要而发展,出现了一些高技术的新的系列产品,品种规格很多,可以说是现代防雷的主角。安装电子避雷器可以将无法直接进行等电位连接的传输线内部的雷电流通过接地线泄放至大地,对雷电入侵波有很好的抵御效果,因此是其他防雷措施有力的补充,可以大大提升防雷工程保护的成功率。SPDLPZ0ALPZ1LPZ2LPZ3LPZ2外屏蔽LPZ3LPZ2LPZ2内屏蔽LPZ2LPZ3LPZ3图7 用单一SPD和一根双层屏蔽电缆用于多个防雷区的设计例子由于电力传输线分布最广,也就意味着受雷电感应的几率最高,最易
19、引入雷电波。另外,根据对雷电波的频谱分析,雷电波的绝大部分能量集中在40kHz以下,其中最大的谐波分量就在工频附近,雷电波最容易和电源线发生耦合。事实也证明6080 的雷电入侵波来自于电力传输线。因此,电源通道向来是保护的重点,石化系统的防雷也不例外。需要特别强调的是以下两点:多级保护根据IEC防雷的有关规定,对雷电入侵波应分区域进行防护,在每个区域的界面上采取相应的措施,逐级对雷电流进行泄放,直到将感应过电压降到设备可以承受的水平,如图8所示。由于电源通道进雷频繁且强度较其它传输线大,因此,电源系统的防雷往往采取多级保护,根据设备的重要程度和地理位置进行有重点、有层次的保护。一般来讲,电源系
20、统应采取三到四级保护,通常第一级保护也被称为泄流级,次级的保护被称为过压保护级,末级保护被称为浪涌吸收级。避雷器辅助功能的选择现在的许多电源避雷器都附加了一些辅助功能,虽然不是必须的,对防雷也没有直接的作用,但有一定的实用价值,在选择时应根据实际需要而定。用于第一级保护的电源避雷器很多具有雷击计数功能,这对观察是否进雷、进雷几次,查找和分析进雷的通道和原因,以此检验避雷器是否起作用等等是很有帮助的。由于电源避雷器大多采用压敏电阻作为主要元件,压敏电阻的好坏和老化情况直接关系到避雷器能否发挥正常作用。具有劣化指示功能的电源避雷器可以反映内部防雷元件的劣化情况,这对于日常维护是很有意义的。压敏电阻
21、寿命的终结是发生爆炸,这有可能造成电源火线对地短路,具有自动脱离功能的电源避雷器,可以在压敏电阻失效时自动与电网脱离开来,从而具有更好的安全性。对于无人值守的机房和自动化程度较高的控制系统,具有遥讯报警功能的电源避雷器可随时传送是否遭受雷击的信号到远端,更便于管理和使用。另外,考虑到石化系统的特殊性,电源避雷器应具有防爆功能,如果是室外使用,还应考虑防水性能。中光公司为石化等易燃易爆行业研制的专用电源避雷器,不仅具有普通电源避雷器的所有辅助功能,而且还采用了铸铝外壳防水设计,内部填充石英沙,同时主要防雷器件采取冗余设计,使产品具有良好的防爆阻燃性、密封性和可靠性。kWhCBD6kV4kVIII
22、IIIIVI2.5kV1.5kV 过压分类 过电压值连接盒电度表230/400V图8 电源避雷器保护级别分类四直击雷防护 国内目前已出现了很多新型的防直击雷装置,其中有代表性的有消雷器、预放电避雷针、优化避雷针等。实践表明,消雷器无论在理论上还是在实际应用上都存在一定的缺陷。在“消雷”和“中和”雷电的功能上,消雷器与常规的避雷针(网带)接闪器没有本质的区别,并不能达到消雷的目的。预放电避雷针可以起到增加避雷针保护范围的作用和接闪率,其实质仍然是“引雷入地”的避雷机理,但造价较普通避雷针昂贵。优化避雷针则是利用阻抗限流的原理,在吸引雷电入地的同时抑制二次雷击的产生,这对弱电系统和爆炸等危险环境无
23、疑是较为理想的直击雷防护装置,具有很高的实际应用价值,尤其适合石化系统罐区的直击雷防护。要抑制住直击雷入地时引下线周围产生的感应电磁场,关键是要降低雷电流的变化率,从而达到抑制感应电磁场的目的。优化避雷针是一种全新的防雷设备,其重要特点是它既能很好地保持导体引雷(直流电阻2)、使雷电流入地,代替被保护物受雷击的传统优点,又能够在雷电流经过它入地时,使经引下线的雷电流幅度降低80%以上,同时使波前陡度衰减33倍以上,明显地改变了雷电流的放电过程,使雷电波形展宽、波头平缓,幅值降低,从而在防直击雷的同时有效的抑制、削弱地电位反击和雷电感应造成的危害,彻底克服了传统避雷针的主要弊端。其防雷机理有较高
24、的科学性和先进性。优化避雷针分别在中试所、西瓷所、武高所顺利通过4/10s、8/20s、1.2/50s大冲击电流和高冲击电压试验,并得到有关专家的高度评价。1998年7月通过建设部专家会议评审,评审编号:建科委评字(1998)0010号。1997年9月通过邮电部组织的生产定型鉴定,鉴定证书编号:(1997)邮电部生产定型鉴定字(042)号。现已大量应用于全国各行各业。燕山石化的成品油罐区,建有大小油罐52个,是该厂实施防雷保护的重点区域之一。在2001年,燕山石化采用了6根ZGU-III-5A2型优化避雷针作为罐区的直击雷防护装置,近年来取得了较好的防雷效果。另外在西气东输东段的项目中,优化避
25、雷针也被广泛应用于站场、阀室、计量站等输气设施的直击雷防护上。 五等电位连接 等电位连接是防止雷电反击的重要技术手段,它不仅可以消除不同金属部件及导线间雷电流引起的高电位差,而且可以很好地起到对雷电流分流的作用。在IEC61312规范中非常强调等电位连接的重要性,等电位连接的根本目的是均压,它基本上可以解决雷电反击的问题,以达到减少防雷空间内火灾、爆炸及生命危险。在实际防雷工程当中,等电位连接的应用几乎无处不在。从某种意义上讲,共用接地就是接地系统间的等电位连接,而各种过电压保护器(SPD)的安装,就是为了实现当雷电流侵入导线时与接地系统暂时的连接,以均衡导线和接地系统间的电位,其实质仍然是等电位连接,而IEC61312对等电位连接的定义就是:用连接导线或过电压保护器将处于需要防雷的空间内防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来导体、电气装置、电信装置等连接起来。建 议1.从图片上看,地网可能有失效的情况,需整改。2.接地引线断接卡锈蚀严重,应整改或更换。3.避雷针按规范要求应距被保护物大于3米,若原独立避雷针不能满足要求,应拆除重新安装。4.选用中光公司避雷针可选ZGB-5AB,便于安装。5.所有图片资料应在下方加说明。14
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