感應消雷技術在雅本化工基地防雷中的應用

葉 林, 譚建林

1.杭州碧蕾科技有限公司 杭州 311500 2.南通雅本化學有限公司 江蘇南通 226407

1 危化場所防雷基本要求

石油化工等生產場所具有危險性,一旦發生爆炸、火災等事故,可能造成巨大的人員傷亡和經濟損失,因此這類場合要防沖擊、防明火、防跳火、防過電、防過熱。石油化工設備大都是暴露于空氣中的大型鋼架結構,引雷能力極強,空氣中彌漫著易燃易爆的氣體,若發生直接雷擊,會引發安全事故,因此配備全面良好的防雷保護尤為重要[1-3]。

危化場所的防雷保護要求具有對雷擊沖擊力、雷擊明火、雷擊過電、雷擊過熱的消除或減少作用。

2 現有標準防雷措施分析

現有危化場所需要遵照執行的國家標準包括GB 12158—2006《防止靜電事故通用導則》、GB 15599—2009《石油與石油設施雷電安全規范》、GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》、GB/T 18802.1—2011《低壓電涌保護器(SPD) 第一部分:低壓配電系統的電涌保護器 性能要求和試驗方法》、GB/T 18802.21—2016《低壓電涌保護器 第21部分:電信和信號網絡的電涌保護器(SPD) 性能要求和試驗方法》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》、GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》、GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》、GB 50074—2014《石油庫設計規范》、GB 50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》、GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》、GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》、GB 50601—2010《建筑物防雷工程施工與質量驗收規范》、GB 50650—2011《石油化工裝置防雷設計規范》。

現有的防雷標準中,主要措施可用如圖1所示。對于危化場所而言,如果安裝傳統接閃器,可能存在一定缺陷。

圖1 防雷標準中主要措施

金屬鋼架系統雷擊示意圖如圖2所示。當雷電直接擊在建筑物或設備鋼架上時,在擊閃點位置存在高壓雷電流。在擊閃電弧3～5 m范圍內,雷擊沖擊力可直接對非金屬物體造成機械損壞和沖擊。擊閃電弧瞬間溫度可達10 000 ℃,電勢可達百兆伏級,可直接引燃周邊1～3 m范圍內的易燃物體。擊閃電弧四射的火星影響范圍可達數十米,對易燃易爆場合而言是一個致命的安全隱患。

圖2 金屬鋼架系統雷擊示意圖

在直接雷擊發生瞬間,高壓雷電流下泄通道位于金屬鋼架系統中,會在金屬設施上產生很高的消耗接觸電勢。根據雷電流從高電勢到低電勢自動消耗的過程規律,雷電流會通過金屬系統泄放消耗。在流經過程中,會在金屬鋼架系統中某些接觸不良處產生電勢不平衡的火花放電。在易燃易爆場合,火花是嚴重的安全隱患,其危害程度直接與雷電流i的幅值成正比。根據物理學原理,雷電流幅值越大,流經消耗的范圍越廣,持續時間越長。

為保證安全,根據標準在保護位置的鋼架上安裝接閃器。但實際情況是,標準規定的接閃器為金屬裝置,對雷擊電流i的幅度并沒有多少消減作用,接閃器質量越好,遭雷擊的概率反而越高。

另一方面,引下線和接地裝置也存在負面作用。雷電流是有害電流,可以通過引下線和接地裝置轉移消耗。電不會突變,且具有緩變特性,雷電流只有通過流經的電阻消耗才會減小。流經的電阻小,則電流幅度消減小,高電壓危害范圍會較遠。換言之,引下線和接地電阻的質量越好,危害程度反而可能越高。

雷電入侵對危化場所的破壞形式有三種。一是直擊雷,即雷電直接擊在建筑物或設備鋼架上,產生強加熱效應和電動力作用。二是雷電的二次作用,即雷電流產生的靜電感應作用和電磁感應作用。三是雷電對架空線路或金屬管道的作用,所產生的雷電波可能沿這些金屬導體、管道流動,天線或架空電線可能將高電位引入室內,造成雷電反擊。對于以上三種雷擊方式,標準規定的保護措施都不能產生正面的消減作用,特別是危化場所要求的對雷擊沖擊力、雷擊明火、雷擊過電、雷擊過熱的消除或減少作用。

3 雅本化工基地情況

南通雅本化學有限公司一期建設多個甲類生產車間、甲乙丙各類倉庫、儲罐區、污水處理中心、廢氣、廢液焚燒設施、蒸汽機械再壓縮技術及三效蒸發除鹽設施等。各類車間及設施的建筑面積超過100 000 m2,總反應釜容積大于2 000 m3,屬于大型一級危化場所。

4 感應消雷技術的應用

雅本化工基地位于海邊,雷擊風險概率很高,防雷安全是特別需要注意的重要工作。考慮到傳統防雷技術存在的安全問題,邀請專家對基地的防雷技術選型進行討論,并對擬采用技術的現有效果進行實地考察,確定應用感應消雷技術,在基地重要部位安裝感應型消雷針[4-9]。

4.1 技術原理

感應消雷技術通過感應方式主動吸引周圍空間的雷云電場,如圖3所示,以大功率、大阻抗、大體積的耗雷體主動消耗有害雷電流的危害能量,有害的高壓雷電流只有通過耗雷體的消耗才能減小。這一技術采用引雷消耗的保護方式,沒有直接雷擊的火星和電弧,可以利用感應型消雷針的安裝高度和多點覆蓋,形成一個安全的低電壓隔離保護空間,在保護范圍內是安全的。

圖3 感應消雷技術原理

感應型消雷針可以直接安裝在保護鋼架設施的上方,也可以以獨立避雷針形式安裝在四周。考慮到安全性和可靠性,需要根據現場情況進行勘察設計。

4.2 現場安裝

在需要保護的設施頂部安裝感應型消雷針,如圖4所示,最低要求為消耗有害的雷擊高電壓,理想要求為消除保護范圍內直接雷擊發生的可能條件。在保護范圍內不發生雷擊,這是最安全的。

4.3 應用效果

雅本化工基地于2014年起應用感應消雷技術,5年來安裝位置處沒有雷擊情況發生,僅在基地內沒有安裝感應型消雷針的一般位置發生過雷擊損壞電子系統設備事故,由此確認感應消雷技術起到了消除直接雷擊的作用。

圖4 感應型消雷針現場安裝情況

5 結束語

基于現有標準防雷措施可能存在的安全隱患,雅本化工基地在危化行業內首次應用感應消雷技術,取得了良好的效果。通過實際應用,確認感應消雷技術原理是正確的,具有推廣價值。