郭建新

〔中國石化山西石油分公司 山西太原 030024〕

隨著科技進(jìn)步，油庫自動化應(yīng)用的不斷升級，可編程控制器PLC控制緊急切斷系統(tǒng)、液位自動檢測系統(tǒng)、微機(jī)付油、汽油油氣回收系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可燃?xì)怏w自動報警系統(tǒng)等的應(yīng)用越來越普遍。由于成品油銷售油庫所具有的易燃易爆特性和保障市場功能的特點(diǎn)，這些設(shè)備的損壞不僅會造成損失，威脅油庫安全，同時會嚴(yán)重影響成品油市場，而遭受雷擊的后果更加嚴(yán)重。因此，油庫采取規(guī)范合理的防雷措施，特別是弱電設(shè)備免遭雷電流電磁脈沖侵害就成為一個亟須解決的課題。

1 油庫雷擊事故的影響與分析

2018年8月13日15:00左右，山西忻州某油庫遭受雷擊，造成油庫付油區(qū)、罐區(qū)、總控室等多處自動系統(tǒng)設(shè)備損壞，致使油庫一段時間內(nèi)不能正常運(yùn)行。油庫地處山西忻州中西部區(qū)域，雷暴日天數(shù)在40d以上[1]，屬于多雷區(qū)域，其中每年的6—8月雷暴日占全年雷暴日數(shù)的74.8 %[2]。

1.1 總配電室PLC控制柜控制模塊損壞

1.1.1 基本情況

該油庫總配電室是1993年利用原有平房建筑物改造而成，油庫6 kV電力線架空接入，電源采用TN-S系統(tǒng)，配電室室外設(shè)置了避雷網(wǎng)和接地裝置，低壓配電進(jìn)線安裝了一級SPD(浪涌保護(hù)器，Imax=60 kA，In=30 kA，Up< 2.2 kV)。在2012年油罐緊急切斷閥改造增加一臺油罐區(qū)緊急切斷閥PLC控制柜，2015年油氣回收改造增加了一臺油氣回收PLC控制柜。“8.13”雷擊事故造成總配電室內(nèi)設(shè)置的油氣回收系統(tǒng)PLC控制柜控制模塊、接口模塊損壞，油罐緊急切斷閥系統(tǒng)PLC控制柜控制模塊損壞。

1.1.2 原因分析

一是由于低壓電源進(jìn)線段安裝的一級SPD連接導(dǎo)線彎曲布置，且其總長度超過0.5 m[3]，雷電流不能有效泄流。同時SPD連接線和接地線過長會造成SPD工作泄放雷電流時產(chǎn)生設(shè)備間二次感應(yīng)過電流。二是配電室設(shè)置的兩臺油氣回收和油罐緊急切斷閥PLC控制柜與低壓配電柜設(shè)置在一起，強(qiáng)電弱電在一起，且兩者距離較近。一級SPD在泄流后殘壓高達(dá)2 kV以上，而PLC控制柜電源進(jìn)線段沒有設(shè)置二級SPD，由于PLC控制柜設(shè)備耐壓能力相對較弱，殘余雷電電磁脈沖(LEMP)仍會對后面的PLC控制柜控制模塊造成致命沖擊。

1.2 付油區(qū)設(shè)備損壞

1.2.1 基本情況

油庫付油區(qū)設(shè)施在2004年進(jìn)行了改造，共設(shè)置8個付油貨位。付油系統(tǒng)和油庫門禁系統(tǒng)電源從付油配電室供電，控制電源線采用屏蔽線，屏蔽線的一端在付油配電柜進(jìn)行了接地，線路采用穿鍍鋅管敷設(shè)?！?.13”雷擊事故共造成3個付油貨位的下位機(jī)控制板損壞，1個付油貨位的防靜電防溢油報警器控制主板損壞，付油區(qū)門禁系統(tǒng)開關(guān)電路板損壞，入口刷卡感應(yīng)器電源損壞。

1.2.2 原因分析

一是付油區(qū)分配電室配電柜進(jìn)線處缺少二級SPD，雷電流不能有效泄流，雷電流電磁脈沖沿電源線進(jìn)行傳導(dǎo)；二是屏蔽線從配電引出一段屏蔽層接地，穿鋼管保護(hù)埋地敷設(shè)，但在付油控制電源出口處穿線管沒有接地，雷電流的電磁脈沖在控制電源出口處無法有效泄放，造成控制板被擊穿損壞；三是付油區(qū)接地網(wǎng)和付油配電地網(wǎng)沒有相連，形成共用接地網(wǎng)，雷擊地電壓反擊。

1.3 罐區(qū)可燃?xì)怏w探頭和攝像頭損壞

1.3.1 基本情況

該油庫油罐區(qū)2011年進(jìn)行改造，總庫容為46 000 m3，其中汽油罐6座3 000 m3，柴油罐8座3 000 m3，2座2 000 m3?！?.13”雷擊事故造成汽油罐區(qū)4臺可燃?xì)怏w探測器探頭損壞，鐵路卸油泵房2臺可燃?xì)怏w終端報警控制器控制板損壞，7臺電視監(jiān)控攝像頭損壞。

1.3.2 原因分析

該油庫雷擊事故損壞的4臺可燃?xì)怏w探頭布置在汽油罐區(qū)，距離油罐1 m左右，距離油罐接地引下線不足2 m。可燃?xì)馓筋^電源線穿線管接地為單獨(dú)接地，沒有與罐區(qū)接地網(wǎng)相連。一是油罐雷擊后，由于油罐與可燃?xì)馓筋^兩者距離較近，強(qiáng)大雷電流泄流過程中產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，形成跨步電壓，由于電勢差造成探頭損壞。二是可燃?xì)怏w電源線路由于雷擊產(chǎn)生感應(yīng)電流，過電壓致使探頭損壞。

損壞的7臺電視監(jiān)控攝像頭設(shè)置在罐區(qū)周圍，攝像頭與油罐間距20 m左右。攝像頭與穿線管進(jìn)行了跨接和接地，攝像頭桿高6 m，距離油罐20 m左右，經(jīng)過計算，以目前攝像頭水平面為基準(zhǔn)，攝像頭與接閃桿水平距離為1.3 m，接閃桿應(yīng)高出攝像頭1.5 m(按照滾球半徑45 m)以上才能滿足防雷要求。目前攝像頭桿沒有設(shè)置接閃桿，攝像頭塔桿高度和距離已經(jīng)超過了油罐作為接閃器的滾球半徑保護(hù)，周圍又沒有其他保護(hù)物，因此遭受直接雷擊損壞。

1.4 總控室內(nèi)設(shè)備受損

1.4.1 基本情況

該油庫總控室于2016年進(jìn)行了改造升級，集中了電腦網(wǎng)絡(luò)交換，油罐自動計量系統(tǒng)、油罐緊急切斷系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報警、工業(yè)電視監(jiān)控、周界報警系統(tǒng)等。油庫綜合控制室設(shè)置在辦公樓三層(建筑物共三層)，屋頂設(shè)有避雷網(wǎng)?？刂剖医ㄖ娣e約30 m2，南側(cè)為窗戶。進(jìn)入樓內(nèi)的供電分配電箱沒有設(shè)置二級SPD。液位儀、油罐緊急切斷系統(tǒng)線路敷設(shè)在罐區(qū)，采用電纜橋架方式。

“8.13”雷擊事故造成總控室內(nèi)3臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)故障，油罐液位儀系統(tǒng)控制板、油罐緊急切斷系統(tǒng)控制板損壞，連接的兩臺電腦損壞。

1.4.2 原因分析

該油庫總控室設(shè)備遭受雷擊損壞，一是電源線路引入雷電流，二是控制信號電纜引入雷電流，而總控室卻沒有采取等電位接地和能量配合的防浪涌保護(hù)。

引入自控系統(tǒng)線路采用屏蔽電纜，總控室機(jī)房單端接地，現(xiàn)場設(shè)備端懸空。這樣雖然能有效抑制雷擊時產(chǎn)生的電容性耦合，但液位儀、油罐緊急切斷系統(tǒng)等雷電電磁脈沖電流通過線路傳回到總控室，自控系統(tǒng)信號線、電源線進(jìn)入總控室沒有采用SPD保護(hù)，致使控制板損壞，兩臺電腦無法顯示。

1.5 總控室防雷分析

總控制設(shè)備雷擊損壞原因基本可以歸結(jié)為線路傳導(dǎo)的浪涌過電壓和地電位的反擊。

1.5.1 線路傳導(dǎo)過電壓分析及防護(hù)

油庫總控制室內(nèi)部的電氣、儀表控制系統(tǒng)由于建筑物法拉第電籠的保護(hù)，室內(nèi)的電氣儀表等不易遭受直接雷，但如果進(jìn)入控制室的電力線、控制信號線為架空引入，如遭受直接雷擊，則沿線路傳導(dǎo)的雷電過電壓就會侵入油庫控制室設(shè)施設(shè)備儀器內(nèi)部，造成設(shè)備儀器損壞。其形成如圖1 所示。

圖1 控制室內(nèi)部設(shè)備與外界聯(lián)系的途徑

如油庫中央控制室的建筑物遭受直接雷擊，強(qiáng)大的脈沖電流會在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，處于磁場中的導(dǎo)體因此而感應(yīng)出高電壓，沿線路產(chǎn)生的過電壓竄入設(shè)備儀器，造成設(shè)備儀器損壞。其形成如圖2所示。

圖2 架空線纜可能受到直接雷擊或受到雷擊感應(yīng)產(chǎn)生過電壓

根據(jù)傳導(dǎo)過電壓形成的方式及其傳播途徑，對于控制設(shè)備的防雷保護(hù)可從電源線路過電壓防護(hù)和控制信號線路過電壓防護(hù)進(jìn)行考慮。

1.5.2 地電位反擊分析及防護(hù)

地電位反擊通常存在兩種形式。一是雷電流流入大地時，由于大地電阻存在，產(chǎn)生較大壓降，使地電位升高，對周圍設(shè)備進(jìn)行反擊；二是兩個接地網(wǎng)之間，由于沒有足夠的安全距離，一個地網(wǎng)接受雷電流產(chǎn)生高電位，必然對另外一個地網(wǎng)進(jìn)行電位反擊。因此當(dāng)雷擊發(fā)生時，地網(wǎng)電位被抬升，與匯流排相連的設(shè)備外殼電位也隨之升高，進(jìn)入設(shè)備的電力、通信控制線的低電位與機(jī)架或地線之間的高電位存在高電位差而發(fā)生反擊放電，從而使電子設(shè)備損壞。

地電位反擊的防護(hù)：一是等電位連接，對于控制室一個地網(wǎng)使用建筑物框架內(nèi)鋼筋做接地網(wǎng)，如另一個地網(wǎng)獨(dú)立接地，兩個地網(wǎng)之間應(yīng)做等電位連接。二是控制室金屬水管、通訊電纜、電力電纜等埋地進(jìn)入控制室，水管、電纜鎧裝外皮和保護(hù)應(yīng)在進(jìn)入機(jī)房時接地。三是將控制室內(nèi)的交流電工作接地、直流電接地、靜電接地在控制室內(nèi)進(jìn)行等電位連接。

2 油庫自動化系統(tǒng)防雷方案

油庫自動化系統(tǒng)由計算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表等組成并集中設(shè)置到油庫總控室，它不僅是油庫的控制和指揮中心，還是油庫的生產(chǎn)經(jīng)營、調(diào)度、巡檢中心。油庫自動化系統(tǒng)防雷由外部防雷和內(nèi)部防雷組成。外部防雷由接地裝置、引下線和接閃器組成，用于直接雷擊的防護(hù)。內(nèi)部防雷由共用接地裝置、電磁屏蔽和安裝浪涌保護(hù)器SPD等組成，用于減少和防止雷電流的電磁效應(yīng)。

2.1 低壓配電系統(tǒng)防雷方案

配電系統(tǒng)主要由總配電室、分配電室、設(shè)備用電配電箱、供電線路和用電設(shè)備組成，供電方式采用TN-S系統(tǒng)[4]。油庫配電系統(tǒng)一般已經(jīng)安裝了位于高壓進(jìn)線端的如閥型避雷器、氧化鋅避雷器等保護(hù)裝置，但僅此措施并不完備。這些保護(hù)裝置僅僅針對了電氣設(shè)備，因此對防雷應(yīng)采取多級的保護(hù)舉措：第一級泄放外線產(chǎn)生的過電壓，第二級泄放殘壓及配電線路和其他設(shè)備感應(yīng)的過電壓。第三級泄放前面的殘壓。

2.1.1 等電位連接形成共用接電網(wǎng)

將配電室內(nèi)的設(shè)備與建筑物防雷裝置的接地相連接，形成共用接地裝置；將所有進(jìn)入配電室內(nèi)的金屬管線做等電位連接并接入共用接地網(wǎng)；將付油區(qū)地網(wǎng)和付油配電室地網(wǎng)做等電位連接。

2.1.2 防止電涌侵入措施

在線路總配電箱LPZ0與LPZ1區(qū)交界處，配置標(biāo)稱放電電流60 kA三相SPD，作為第一級防雷保護(hù)。油庫卸油、付油、消防、辦公樓等各建筑物配電電源引入端配置標(biāo)稱放電電流選用40 kA三相SPD，作為二級防雷保護(hù)。如圖3所示。

圖3TN-S系統(tǒng)的配電線路浪涌保護(hù)器安裝位置示意圖

2.2 油庫總控室防雷方案

油庫不僅是儲存油品的易燃易爆場所，同時承擔(dān)著某一個區(qū)域的油品供應(yīng)職能，而油庫總控室又是油庫的控制、監(jiān)控的中心。按照GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》，油庫總控室按照雷電防護(hù)等級B級較為合理。將設(shè)置于油庫總配電室的兩臺油氣回收系統(tǒng)PLC控制柜和油罐緊急切斷閥系統(tǒng)PLC控制柜進(jìn)線移入油庫總控室。

2.2.1 防直擊雷

油庫總控室外部防雷，根據(jù)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，按照三類防雷建筑物進(jìn)行改造，并將建筑物外接地網(wǎng)與總控室內(nèi)地網(wǎng)做等電位連接。

2.2.2 控制室屏蔽

為了減小雷電電磁脈沖對控制室信息系統(tǒng)產(chǎn)生浪涌，控制室建筑物應(yīng)采用LPZ1的大空間屏蔽措施[6]，所以將油庫總控室敞開面積較大的窗戶進(jìn)行封閉，并更換金屬門，同時將金屬門和控制室內(nèi)等電位接地連接。

2.2.3 接地和等電位連接

內(nèi)部防雷措施主要是等電位接地布置和SPD設(shè)置?？刂剖覂?nèi)接地從建筑物接地網(wǎng)引入，同時與建筑物內(nèi)部鋼筋或其上的金屬部件多重互連，組成等電位接地母排?？偪厥覂?nèi)接地嚴(yán)禁從建筑物接閃帶引下線上直接接入，因為直接引入將導(dǎo)致雷電流進(jìn)入室內(nèi)電子設(shè)備，造成嚴(yán)重?fù)p害。使用25 mm×3 mm的銅排，安裝在墻壁上，與地網(wǎng)相連，并將所有的電源地線、控制機(jī)柜、屏蔽線、防靜電地板設(shè)備外殼、SPD地線都連接在等電位接地母排，防止危險的電位差。等電位接地母排布置如圖4所示。

圖4 等電位接地母排布置示意圖

2.2.4 過電壓防護(hù)

過電壓防護(hù)主要是對電源線路過電壓的防護(hù)和控制信號線路過電壓的防護(hù)。總控室配電箱電源引入端配置標(biāo)稱放電電流20 kA的單相SPD，作為第三級防雷保護(hù)。油庫總控室控制信號線路過電壓防護(hù)，在LPZO與LPZ1交界處(剛進(jìn)入控制室)設(shè)置信號線路SPD。

2.3 自控系統(tǒng)線路防雷方案

2.3.1 線路屏蔽

屏蔽電纜的屏蔽層有兩端接地和一端接地兩種接地方式。一端接地屏蔽層的電壓為零，可減少靜電感應(yīng)電壓，即減少雷擊地電位反擊。兩端接地當(dāng)出現(xiàn)雷電流時，由于電纜屏蔽層兩點(diǎn)電位不同，使屏蔽層流過感應(yīng)電流，對芯線產(chǎn)生干擾，但電纜芯線所在回路為強(qiáng)電時，屏蔽層感應(yīng)電流干擾信號影響較小。

付油區(qū)、油罐區(qū)等區(qū)域的強(qiáng)電電源屏蔽線路采用屏蔽層及鋼管兩端應(yīng)接地。弱電控制、視頻信號線屏蔽層應(yīng)單端接地，但穿線鋼管兩端必須接地。作為信號返回回路的同軸電纜，其屏蔽層宜采用集中一點(diǎn)接地方式[7]。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過電壓防護(hù)

油庫網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過ADSL連入互聯(lián)網(wǎng)，其余網(wǎng)絡(luò)設(shè)備例如路由器、集線器、網(wǎng)卡等設(shè)備，都處于建筑的法拉第籠屏蔽中，所以只需要對ADSL的輸入端進(jìn)行防護(hù)，即在其線路輸入端安裝專用防雷器。為避免電腦相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被雷擊毀壞，可在網(wǎng)絡(luò)線和電腦設(shè)備連接處，安裝寬帶專用SPD。重要設(shè)備端采用標(biāo)稱放電電流選用5kA模塊式SPD或防雷插座，作為第四級防雷保護(hù)。

2.4 電視監(jiān)控系統(tǒng)線路防雷方案

監(jiān)控系統(tǒng)系電子產(chǎn)品，具有低電壓、低功耗等特性，極易遭受雷擊過電壓破壞。雷電危害可分為三種：直擊雷、雷電波侵入和雷電感應(yīng)[8]。

2.4.1 安裝接閃桿防直擊雷

由于油庫室外大部分?jǐn)z像機(jī)的安裝位置不能被周圍建構(gòu)筑物防雷保護(hù)(按照滾球半徑45 m計算)，用1.5 m的φ16 mm圓鋼作為接閃桿焊接在監(jiān)控金屬桿上[9]，以保護(hù)攝像頭免遭受直擊雷。攝像頭用BVR6(多股聚氯乙烯軟銅導(dǎo)線)與穿線管跨接，穿線管和接地網(wǎng)連接。如圖5所示。

圖5 電視監(jiān)控攝像機(jī)防雷示意圖

2.4.2 安裝浪涌防雷器防雷電波侵入

監(jiān)控系統(tǒng)前端攝像機(jī)、云臺、后端硬盤錄像機(jī)、監(jiān)視器等對雷電、過電壓等電磁干擾非常敏感，若缺乏有效保護(hù)，極易受到雷電侵入和雷電感應(yīng)損壞。因此，對于室外的攝像機(jī)可以采用電源、信號、控制組合型SPD。在視頻傳輸線、信號控制線進(jìn)入總控室后保護(hù)設(shè)備之前加裝相應(yīng)的SPD。

2.4.3 線路屏蔽防雷電感應(yīng)

視頻信號屏蔽層或線纜穿線管不僅需要埋地敷設(shè)，同時要保證鋼管的電氣連通[10]。視頻圖像信號采用光纖線路傳回信號能更好地防護(hù)雷電感應(yīng)。

3 結(jié)語

文中所述自動化系統(tǒng)防雷方案在山西忻州某油庫實施后，取得良好效果，使雷擊造成設(shè)備損壞的故障率大大下降。安全源于設(shè)計，源于質(zhì)量。自動化系統(tǒng)防雷主要是防止直擊雷、雷電流、電磁脈沖和地電位反擊，防雷設(shè)計方案主要是在接地和等電位連接、電磁屏蔽、過電壓防護(hù)和共用接地網(wǎng)方面進(jìn)行綜合考慮。設(shè)計方案是防雷的前提，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的防雷設(shè)施設(shè)備安裝是油庫自動化建設(shè)和運(yùn)行安全的保障。文本防雷解決方案的實施不僅解決了該油庫自動化系統(tǒng)防雷改造所遇到的難題，同時對其他油庫自動化系統(tǒng)的建設(shè)有示范性意義。