浪涌保護器在化學工業(yè)上的應用

亓瀟(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

化工企業(yè)的裝置體系內容物大多存在易燃易爆的特點，且設備規(guī)模大，露天存放，自動化的化工設備還安裝有大量的計算機電子儀器，很容易成為雷擊的對象。在目前的石油化工行業(yè)中，合理防范雷電災害十分重要，如何保護化工企業(yè)設備、提高設備可靠性則是安全生產(chǎn)的重中之重。

1 雷電及其危害

1.1 雷電的定義以及產(chǎn)生的條件

雷電是伴有閃電和雷鳴的放電現(xiàn)象。雷雨云中因富含水汽的大氣急劇運動形成極性各異的電荷，為雷電的產(chǎn)生積蓄條件。熱雷電是夏天經(jīng)常發(fā)生的一種雷電，常伴有暴雨或冰雹。強大的冷暖氣流共同侵入時，冷暖空氣觸碰的鋒面區(qū)域就會產(chǎn)生冷鋒雷電。地形雷電一般出現(xiàn)于地形空曠地區(qū)，它的規(guī)模相對較小，但出現(xiàn)頻率較高[1]。

雷電常出現(xiàn)在礦山、河流，森林或者地質斷層地帶處、附近有廣闊水域的山坡、高且孤立的山頂、孤立的塔樓或者電線、高聳的建筑群及保護接地裝置附近。

1.2 雷電的危害

中國是發(fā)生雷電自然災害較多的國家之一。其中，廣東省的東莞市是雷電受災最嚴重地區(qū)區(qū)之一，雷電造成的經(jīng)濟損失比例可達在當季(夏季，5—8月)GDP的6%左右，每年雷電傷人事故也屢見不鮮。

2 雷擊對化工企業(yè)的危害

雷電發(fā)生時瞬間產(chǎn)生劇烈的物理現(xiàn)象，會對化工企業(yè)的生產(chǎn)造成一系列危害。

(1)熱損傷危害：雷擊會導致化工生產(chǎn)設備周圍的空氣產(chǎn)生溫度極高的熱現(xiàn)象，導致電力導線融化或者斷開，引起短路等電力故障，造成火災或者爆炸；

(2)強靜電危害：化工企業(yè)金屬設備較多，受到雷擊時會產(chǎn)生大量的與雷電性質相反的電荷，電荷之間產(chǎn)生的靜電感應電壓極高，會導致巨大的電火花，擊穿空氣間隙引起火災或者爆炸；

(3)電磁感應危害：雷電電流會在雷擊點周圍產(chǎn)生一個很強的交變磁場，使化工設備導線中產(chǎn)生感應強電流，引起導線過熱融化或者產(chǎn)生放電，引發(fā)次生災害；

(4)對控制系統(tǒng)的干擾危害：雷電形成的磁場或者電流會嚴重干擾化工企業(yè)控制室內的控制系統(tǒng)，損壞電子元件或者線路，出現(xiàn)控制系統(tǒng)失控或者錯誤的現(xiàn)象。

在實際的工作中，出現(xiàn)過很多化工企業(yè)遭受雷擊從而導致設備損壞、油庫燃燒、爆炸等后果嚴重的雷擊現(xiàn)象。化工企業(yè)積極進行防雷檢測具有重要的意義[2]。

快節(jié)奏的生活使人們不再滿足于傳統(tǒng)旅行的低效率，一方面人們希望在出門之前就能對旅游相關知識及信息有一個全面的了解并且可以享受到各種快捷方便的服務，另一方面旅游企業(yè)需要及時地向旅游顧客群提供豐富的旅游景點信息，了解客戶的需求進而提供相應的服務[1]。

3 防雷的措施

雷電雖然屬于嚴重的自然災害，但在實踐中可防、可控。我國相關部門針對工業(yè)防雷措施所制定的安全標準主要有：GB 50057—2010 《建筑物防雷設計規(guī)范》、GB 50343—2012 《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》、GB 50156—2012 《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》、GB 50074—2014 《石油庫設計規(guī)范》、GB 15599—2009 《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》、GB 50156—2002 《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》等。

除了根據(jù)以上安全規(guī)范要求采取有效措施外，加裝電涌保護裝置也必要的安全措施。比如，石油庫和加油加氣站內信息系統(tǒng)的配電線路首、末端需與電子器件連接時，裝設與電子器件耐壓水平相適應的過電壓保護(電涌保護)器，可以確保相關設施避免遭受雷電的破壞性襲擊。

4 浪涌電流與電涌保護措施

4.1 浪涌電流

“浪涌電流”是在雷擊災害中出現(xiàn)的特殊電學現(xiàn)象。如上所述，雷擊產(chǎn)生的強電磁現(xiàn)象和靜電效應，會在建筑物的避雷導體內形成巨大的電流和電勢。如果外界的電線遭雷擊，該電線上也會形成巨大的電勢。該電流和電勢都會在建筑物中的設備電纜上感應出有害電壓并進而形成浪涌電流。雷擊時空中的雷電將產(chǎn)生強大的電磁場，將在掛空電線上感應出強大的有害電壓。如果該電線與建筑物內設備相連，浪涌電流將直接對設備形成威脅。雷擊導致附近的地電勢急劇升高。當兩座建筑物所在的地電勢存在差異時，浪涌電流就會尋求最低電阻的通路。由于電纜的電阻經(jīng)常小于土壤的電阻，所以浪涌電流總是試圖通過兩座建筑物間的電纜從高電勢區(qū)流向低電勢區(qū)，進而對建筑物和設備產(chǎn)生巨大的安全威脅。

4.2 接閃分流防雷

接閃分流是指利用接閃桿、接閃帶等外部裝置進行防雷，直接將可能對化工建筑造成危害的雷擊截獲并導入地下，從而保護建筑物和其他化工設備的安全。采用高架接地的金屬導體，如：建筑物金屬圍欄、避雷帶(網(wǎng))、避雷針、金屬鋼架結構等，安裝在建筑物上部或者旁邊，使建構筑物免受直擊雷擊的破壞。在工業(yè)外塔、儲罐和大型機組廠房等建筑物，無論是否裝有接閃器，也要考慮其分流問題，應盡量多布置一些引線及接地點。

4.3 等電位連接防雷

產(chǎn)生雷電的根本原因是不同物體間電位差。要想避免雷擊的發(fā)生，最根本的方法就是消除電位差。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們對電源線、金屬管道和信號電纜等容易遭受雷擊的設備均進行等電位連接處理。將保護范圍內的設備與電位連接，最終鏈接至母排，達到防雷的目的。

4.4 浪涌保護器SPD防雷

相對于接閃分流防雷、等電位連接防雷，浪涌保護器防雷的效果更好。浪涌保護器的防雷原理是當電纜或者電子設備中產(chǎn)生過電壓的瞬間，保護設備和電路，將將雷擊帶來的瞬間過電壓限制在電纜和設備要求的安全范圍之內。SPD浪涌保護器按工作原理分為限壓型、電壓開關型和組合型；從類型上可分為電源SPD、信號SPD和饋線SPD。

對于工業(yè)來說，一般選用組合式的多級SPD進行防雷，安裝在建筑物各防雷分區(qū)的交界區(qū)域。0區(qū)和1區(qū)的交界處除進線處的配電箱，還包含建筑頂層因面積過大導致接閃裝置不能全面保護覆蓋到的配電箱，這兩處均需安裝SPD進行防護。

5 浪涌保護器在工業(yè)上的應用

為了規(guī)避浪涌對設備的影響，主要生產(chǎn)、作業(yè)區(qū)存在著各類危險場所，現(xiàn)場情況比較復雜，這些場所內在不同程度上分布有各種有毒、腐蝕性，甚至是易燃易爆的氣、液體。如何選用適合的保護方案，對這些處于復雜危險環(huán)境中的設備進行保護一直是該領域里的一大難點。

浪涌保護器常常被人們稱為“避雷器”和“防雷器”，是防雷裝置的重要組成部分。浪涌保護器至少包括一個非線性電壓限制元件，此元器件主要由壓敏電阻、充氣放電管、抑制二極管、放電間隙、扼流線圈等五個部分組成。

信號線路SPD一般安裝在信號傳輸線路中，實際為信號的避雷器。浪涌保護器的選用一般要考慮到以下幾點：(1)在雷電或瞬間強電流威脅的區(qū)域使用；(2)在不宜維護或難于接近的區(qū)域使用；(3)在廠區(qū)控制和操作的關鍵部位使用；(4)在貴重的儀表設備上使用。

5.1 電源浪涌保護器的選型

浪涌保護器是限制瞬態(tài)過電壓的保護設備，是內部防雷裝置的重要組成部分，對電源浪涌保護器、信號浪涌保護器進行合理選型、合理配置，是確保有效的應用最重要的環(huán)節(jié)。

(1)建筑物的交流供電回路，在回路的配電接線箱中LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)交界處設立浪涌保護器作為一級保護；在供電分配箱處可以設置二級浪涌保護器，如果后續(xù)有機柜或者卡件等重要設備，在界面處可以設置第三級或者第四級的保護。使用直流電源的供電回路，建議安裝合適的直流電源回路專用浪涌保護器。

(2)配置多少級的浪涌保護器應該充分的考慮電纜長度，額定沖擊電壓、額定沖擊電流以及浪涌保護器間的距離等因素。應該確保每一級浪涌保護器都可以承受計算的放電電壓及電流，并留有余量。

(3)如果條件允許，可以考慮浪涌保護器配置過電壓或電流保護顯示功能，以便維護人員更好的發(fā)現(xiàn)和解決問題。

(4)電源線路浪涌保護器安裝位置與被保護設備之間的線路長度大于10 m。

(5)浪涌保護器和被保護設備的電纜長度如果大于要求值，應在被保護設備和供電接線箱位置分別配置浪涌保護器。但是如果在回路上配置了多個浪涌保護器時，則需務必考慮其容量及匹配度，否則盲目的增設浪涌保護器不但沒有解決問題，反而造成了隱患。

5.2 信號浪涌保護器的選型

根據(jù)被保護設備的類型，信號浪涌保護器主要分為電話信號浪涌保護器、網(wǎng)絡信號浪涌保護器、視頻監(jiān)控信號浪涌保護器、控制信號浪涌保護器等。選擇損耗較小，電容的分布相對較小，信號擾動數(shù)據(jù)合適的產(chǎn)品為宜。建議將浪涌保護器配置于雷電防護區(qū)界面處，務必合理設置浪涌保護器的級數(shù)，如果只配置了單級的浪涌保護器，雷電產(chǎn)生的電壓和電流超過了浪涌保護器的承受能力，即使安裝了浪涌保護器，也無法起到保護的作用。

即使已經(jīng)安裝了避雷針，也需要使用浪涌保護器。這是因為安裝了避雷針等外部防雷裝置，只是針對直擊雷做了防護，不能防止雷電波侵入建筑內部造成設備損壞。建筑物內部的各種電子、電氣回路等都需要浪涌保護器來限制電氣回路、通信線路中的浪涌。

即使沒有遭受過雷擊的地區(qū)，也建議安裝浪涌保護器，因為遭受雷擊是概率的問題，如果沒有做全面的雷電防護，建筑物就會有雷擊隱患，一旦遭受雷擊就會造成人員傷亡和設備損壞。同時，雷擊并非產(chǎn)生電氣回路、通訊線路等中浪涌的唯一原因。任何電子設備線路由于受到靜電電磁感應、大功率用電設備等的干擾都有不同峰值的浪涌，安裝浪涌保護器能夠有效地應對其他電磁訊號異常，保護設備、提高設備的使用壽命。

工業(yè)上我們選用了浪涌保護器主要對以下設備或元器件進行了保護：(1)保護控制室內的配電系統(tǒng)，如主電源線，UPS，穩(wěn)壓電源等；(2)保護控制室內的自控設備，如PLC/DCS的I/O卡；(3)保護現(xiàn)場儀表，如變送器、閥門定位器、電磁閥等。

5.3 信號浪涌保護器的檢測

當工廠選用了合適的浪涌保護器并進行長周期應用時，如何確認在用的浪涌保護器是否有效是需要進一步研究問題。通過調查發(fā)現(xiàn)，目前并沒有切實的手段可以通過儀表日常維護來檢測判定浪涌保護器的功能是否可靠。驗證浪涌保護器的有效性，需要廠家專用設備或實驗室的支持，儀器設備檢測也相對繁瑣。根據(jù)對浪涌保護器的使用經(jīng)驗，應對關鍵聯(lián)鎖設備及控制回路采取定期更換浪涌保護器的策略，將替換下的浪涌保護器進行檢測，要求廠家提供檢測報告，檢測合格的浪涌保護器作為備件用于不參與控制和聯(lián)鎖或者重要程度較低的設備中；對于位于空曠地帶或高處位置的浪涌保護器，則采用定期更換策略(更換周期可以考慮在雷雨季節(jié)之后)，采用比例抽查的方案更換以保證其可靠性。

6 結語

綜上所述，本文著重對雷電的形成、雷電災害對化工行業(yè)的危害、防雷的措施、浪涌保護器的工作機理及選用進行了闡述。工業(yè)企業(yè)防雷水平和效果的高低，關系著企業(yè)的生產(chǎn)安全，關系著全體員工的切身利益。政府管理部門和企業(yè)的管理層必須高度重視防雷電損害，加大電涌保護防雷措施的應用，努力提高企業(yè)的防雷效能，保障我國工業(yè)和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展。