化工生產裝置及構筑物等電位連接的作用

韓振起孫 鵬李靖

（1．天津市化工設計院，天津 300193；2．連云港沃利帕森工程技術有限公司，天津 300193）

化工生產裝置及構筑物等電位連接的作用

韓振起1孫 鵬2李靖2

（1．天津市化工設計院，天津 300193；2．連云港沃利帕森工程技術有限公司，天津 300193）

本文就化工企業等電位連接與雷電位反擊的問題進行了論述，并提出了設計時應注意的問題和解決的方法。

雷電位反擊；等電位連接；擊穿反擊；傳導反擊

一、概述

雷擊是嚴重的自然災害之一，為了避免化工生產裝置內的工藝設備電氣電信設備遭受雷電感應、直擊雷、側擊雷、雷電波侵入等破壞，我們通常采用避雷帶、避雷針等措施進行過保護。防雷設計在整個工程設計中所占的比重雖然很少，但雷擊所造成的損失卻無法輕視。由于雷電具有大電流、高電壓和瞬時性的特點，強大的閃電產生電磁場、靜電場、電磁輻射，以及地電位反擊、雷電波侵入等。統稱為雷電電磁脈沖LEMP，嚴重干擾各種電氣電信設備的正常工作，且雷電磁脈沖在金屬設備及構件間產生的電位差有可能產生電火花，從而給化工企業有氣體爆炸危險的場所帶來危害。這是防直擊雷系統無法保證的。

等電位連接是電氣防雷設計中重要設計部分，等電位連接可以有效地減小或者消除雷電反擊的災害，而雷電反擊又是雷電災害中比較嚴重的部分。不過，有些不恰當的等電位連接雖然可以去除某些雷電反擊現象，但是又會導致另一種雷電反擊現象，而在這一點上有些設計人員往往容易忽視。

二、兩個基本概念

1 等電位連接

圖1

等電位連接在《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010的解釋中是將分開的裝置、諸導電物體用等電位連接導體或電涌保護器連接起來以減少雷電流在它們之間產生的電位差。在《建筑物電子信息系統防雷設計規范》GB50343中的解釋是設備和裝備外露可導電部分的點位基本相等的電氣連接。它們都說明了以下幾點：（1）各導體間的等電位連接，包括暫態的等電位連接；（2）等電位連接的相對性，目的在于減小各導體之間的電位差。

2 雷電反擊

雷電反擊現象是當指雷電被接閃器接閃后，雷電流在泄放入大地的過程中在各個導體與接地體上產生的高電壓或電位差對周邊的其它導體產生的電擊現象。雷電反擊可分為兩類，分別為擊穿反擊和傳導反擊。

三、雷電擊穿反擊和等電位連接

當雷電流通過防雷裝置時，因為雷電流幅值大、引下線分布電感以及接地網接地電阻的存在會在防雷接地裝置中產生高電壓；而沒有雷電流通過的導體上卻無高電壓產生，于是這兩個導體之間就存在一個電位差，如果兩者見距離達不到安全距離，就會出現擊穿反擊的現象。等電位連接就是使這兩個導體之間的電位基本相等來防止擊穿反擊現象的產生。對于生產企業防雷而言，在進行等電位連接設計以及施工時，應主要做到以下兩個方面：（1）建筑物基礎及鋼筋構件及大型金屬物體的等電位連接。也就是將金屬物體和建筑物內所有的導電物體如生產設備、金屬儲罐、管道、電梯軌道、吊車、電纜橋架以及大尺寸的導電物體都進行等電位連接；（2）線路上的等電位連接，由于線路上具有電位的存在，所以只能用SPD進行連接，實現暫態等電位連接。這些等電位連接都具有一個功能，那就是可以基本消除或減少雷擊“擊穿反擊”現象帶來的危害。綜上所述，等電位連接就是為了消除或減少雷擊“擊穿反擊”而采取的主要手段。

四、雷電傳導反擊和等電位連接

前文所述，等電位連接雖然可以消除或減少雷擊“擊穿反擊”，但不恰當的等電位連接卻可能導致雷電的傳導擊穿產生。

圖2

1 第一類雷電傳導反擊現象的產生的原因和解決的方法：

如圖1所示，在建筑物內，設備1以及設備2是在不同樓層的電子設備。S1和S2為設備間的通信線路接口，A、B兩點為建筑柱內鋼筋引下線上的不同樓層兩點，G1，G2為建筑物公共接地，其阻值為Rg，當建筑物受到直擊雷后，雷電流沿引下線進入大地。由于引下線AB段上分布電感和線電阻的原因，在引下線AB段上會產生一電位差△UAB,

上式中，L0為單位長度分布電感；R0為單位長度分布線電阻 ；h為AB之間的引下線的長度。

因為G1 和A點、G2 和B點等電位連接，所以G1，G2兩設備工作接地電位不同。而這個電位差直接加于兩設備通信接口之間，當雷擊電流足夠大，AB段距離足夠長時，就將擊壞兩設備的通信接口，甚至可能會擊壞兩設備的電源接口。

綜上所述，我們可以知道進行電子系統的等電位連接時，要注意避免產生這一類傳導反擊。解決的辦法有：（1）將所有互聯的電子信息系統設備設在低層中間位置，且盡量設在同一層，相臨的金屬設備及管道、構件應在同一地點與接地系統連接。 （2）電子系統設備的工作接地和保護接地在進行等電位連接時，要與建筑內鋼筋可靠相連或直接從總等電位連接排引線進行可靠連接，但是同時要注意雷電的擊穿反擊。如果有必要，采用帶屏蔽引下線或獨立避雷針。(3)防雷接地、防靜電接地、電氣設備的工作接地、保護接地、網絡信息及通訊設備的等接地，宜共用接地裝置，其接地電阻應按其中接地電阻值要求最小值的接地電阻值確定。當各自單獨設置接地裝置時，油管、儲罐、加氣灌的防雷接地裝置接地電阻、配線電纜金屬外皮兩端和保護鋼管兩端的接地電阻不應大于10歐姆，電氣系統的工作和保護接地電阻不應大于4歐姆，地上油品、輸油輸氣管道是末端或分支處的接地裝置的接地電阻不應大于30歐姆。

2 第二類雷電傳導反擊現象的產生的原因和解決的方法：

如圖2所示：某建筑物內的一電子設備，其保護接地和防雷接地共地，并且與外界有電源線路或信號線路相連接，線路的遠端通過SPD1有效接地，設備接口阻抗為ZA，線路特征阻抗為ZC，雷電被防雷設施接閃后，接地電阻Rg上會產生高電壓，而此高電壓耦合到有接地電阻、設備線路接口阻抗所組成的回路中。其加在接口處的電壓UA=IRg*ZA/(ZA+ZC+Rg)，如接有SPD，則反擊電流近似計算為I1=IRg/( ZC +2rd+Rg1)，式中rd為氧化鋅壓敏電阻的導通電阻；Rg1為遠端接地電阻。

通常情況下限壓型SPD氧化鋅壓敏電阻的導通電阻rd約為0.05至0.2歐姆，而低壓配電線路特征阻抗ZC約為5至10歐姆，如果設I=100KA，Rg= Rg1=4歐姆，取rd=0.1歐姆，ZC =7.5歐姆則I1=IRg/( ZC +2rd+Rg1)=100*103*4/（7.5+2*0.1+4）34.2KA則SPD的殘壓Ur=I1*rd=34.2KA*0.1=3.4KV，此電壓足夠將部分一、二類電氣設備損壞。

綜上所述，在設計和進行等電位連接時，要充分注意地電位反擊問題和第二類雷電傳導反擊的問題。其解決方法有：（1）適當增加引下線的數量，以便減少接地電阻值降低反擊電壓；（2）當防雷接地和保護接地采用同一接地網時，SPD應盡量遠離雷電流泄放點（大于10米）；（3）可以將SPD的接地網與防直擊雷的接地網分開，但要注意接地網之間的雷電擊穿反擊。（4）化工廠、化工車間廠房等一般都含有危險品爆炸區域，為了防止和減少雷電及靜電危害，保障石油化工企業的安全生產，在石油化工防雷接地設計中，貫徹預防為主的方針，采用場區做總體聯合接地網，場內車間、廠房、辦公樓等的單體接地分別接入場總體區聯合接地網。場區內生產設備、大型儲罐等具有金屬外殼的設施均應接入總體區聯合接地網。在爆炸危險區域出入口、放散口、加氣機、加油機、大型儲罐等附近還應分別設置防靜電接地點位，做到技術先進、安全適用、經濟合理。

結語

由以上分析可知，正確的等電位連接是去除雷電擊穿反擊的有效手段，但不恰當的話就很可能產生雷電傳導反擊。所以，在進行生產裝置及建筑物或構筑物的等電位連接時，應仔細考察實際情況，充分考慮各種因素，全面的協調好雷電反擊與等電位連接的關系。

[1]GB50057-94，建筑物防雷設計規范[S]．

TM86

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