储油罐雷击电磁环境模拟与安全分析

刘 波，丁 旻，吴安坤，朱曦嵘

(1.贵州省防雷减灾中心，贵州贵阳 5500022.黔西南州气象局，贵州兴义 562400)

储油罐雷击电磁环境模拟与安全分析

刘 波1，丁 旻1，吴安坤1，朱曦嵘2

(1.贵州省防雷减灾中心，贵州贵阳5500022.黔西南州气象局，贵州兴义562400)

以贵阳市某油库的储油罐为例，采用CDEGS软件，模拟油罐在雷击状态下的电磁场变化，并分析电磁变化带来的安全影响。为减少或避免油库雷电灾害风险，指导油库的防雷设计具有一定意义。

储油罐 电磁环境 安全分析

中国石化贵州石油分公司贵阳油库原址建于1958年，主要储存汽油、柴油和润滑油。本次扩容改造在原有T2罐组北侧，新建4座10 000 m3的内浮顶罐，与原有T2罐组形成一个罐组，建成后油库等级由二级上升为一级。本文通过建模分析储油罐在雷击状态下的电磁场变化，并分析电磁变化对安全的影响。

1 模型参数

本研究所选储油罐为10 000 m3内浮顶钢质柴油罐，油罐直径28 m，高度小于20 m。与原T2油罐区组成一个新的T2罐区，与原有油罐区之间采用防火隔堤，防火堤与消防道路之间，均严格按规范要求留出足够的防火距离。

储油罐采用钢筋混凝土环墙式基础地基，设计等级为乙级。钢筋型号：HPB235、HRB335、HRB400，钢板型号：Q235、Q345，焊条型号：E43、E50。

a)雷电相关参数。贵阳市最大雷电流强度244.47 kA，平均闪电强度38.09 kA，本次模拟雷电流强度选取极值250 kA，雷电流上升时间为5 μs，在150 μs内衰减为零，极性为负地闪，是地闪强度发生概率最为集中区段。

b)土壤参数。本研究利用SYSCAL Junior土壤电阻率测试仪对该罐区所处区域的土壤电阻率进行了测量，测量方法为温纳四极法，测量电极的间距最大为29 m，测量得到数据见表2。利用CDEGS软件REASP模块，对数据进行了反演分析，得出图1所示两层水平土壤结构。

如图1所示，该储油罐所处区域土壤拟合模型为水平两层结构，第一层(0～3.48 m)，平均土壤电阻率值85.0 Ω·m；第二层(3.49～30.00 m)，平均土壤电阻率值930.9 Ω·m。分层拟合结果的均方根误差为2.50%。

表1 温纳四极法测得建筑区域土壤电阻率值

图1 储油罐所处区域土壤结构分层模型

2 人员安全分析

雷击时该周边人员安全采用IEC/TR 60479-4-2011《电流对人和家畜的影响——第4部分：雷击影响》判别人员是否安全。利用该标准中的具体颤动激励或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy method)进行计算分析。雷击状态下的人员安全标准值为13.5 J。

基于前述相关实验参数，利用CDEGS软件的HIFREQ和FFTSES模块以及SESCAD建模工具，建立了该建筑的三维数值模型，分析该储油罐遭受直击雷时，处于油罐底层的人员，身体遭受的接触电压、跨步电压随时间的变化情况，评估此情况下人员是否安全见图2、表2及表3。

图2 遭受直击雷时油库周围观测面内接触电压、跨步电压最大值

表2 油库遭受直击雷时相关参数

结果表明，3种不同雷电流波形情况下，由接触电压和跨步电压引起的通过人体的能量均大于雷击状态下人身安全标准值，即储油罐最高点遭受直击雷时，因接触电压和跨步电压可造成周边人员死伤。

表3 油库遭受直击雷时建筑物底部通过人体的能量

3 电磁安全分析

在标准大气压下，空气是一个很好的绝缘体，当电荷积聚超过了电气极限或空气的介电强度时才会发生绝缘击穿。在干燥空气条件中，击穿空气的电场强度大约为E=3 000 V/mm；在潮湿的空气中，击穿空气的电场强度大约为E=1 000 V/mm。此数值可评估雷击状态下发生电火花的可能性，或两个接近导体间发生电弧或火花的最小距离。

土壤也可以产生介电击穿，引起电弧或火花放电。土壤潮湿状态下的击穿电场强度为300 V/mm，干燥状态下为1 000 V/mm。

基于前述相关实验参数，利用CDEGS软件的HIFREQ和FFTSES模块以及SESCAD建模工具，建立了该建筑的三维数值模型，分析雷电击中储油罐时，油罐底部的合成电场、合成磁场最大值。结果见图3。

结果表明，雷击储油罐最高点后，在不采取屏蔽措施的情况下，油库最大地电位升可达330 kV以上，最大电场强度为25 V/mm，不会造成空气击穿。

图3 遭受直击雷油罐观测面内合成电场、合成磁场最大值

最大磁场约为4 000 A/m(无屏蔽措施)，大于800 A/m，可能会造成附近自动控制设备的损坏。

4 结论

利用CDEGS软件，建模分析储油罐在雷击状态下的电磁环境变化，并分析这种变化对处于储油罐周围的人员和设备的影响。结果表明：

a)采用3种不同雷电流波形模拟雷击储油罐的情况下，由接触电压和跨步电压引起的通过人体的能量均大于雷击状态下人身安全标准值，即储油罐遭受直击雷时，因接触电压和跨步电压可造成周边人员死伤。

b)雷击储油罐时，油库最大地电位升可达330 kV以上，最大电场强度为25 V/mm，不会造成储油罐附近的空气击穿；但在不采取屏蔽措施的情况下，储油罐附近的最大磁场约为4 000 A/m，大于800 A/m，可能会造成附近自动控制设备的损坏，需采取相关屏蔽措施。

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OilTankLightningElectromagneticEnvironmentSimulationandSafetyAnalysis

Liu Bo1, Ding Min1, Wu Ankun1, Zhu Xirong2

(1.Guizhou Lightning Protection and Disaster Mitiga-tion Center, Guizhou, Guiyang，550002 2.Qianxi Nanzhou Meteorological Bureau, Guizhou, Xingyi，562400)

Taking a storage tank of oil depots in Guiyang city as an example, using CDEGS software to simulate changes in the lightning electromagnetic field tank status, this paper analyzes the impact the safety of the electromagnetic change. In order to reduce or avoid terminal lightning disaster risk, science and lightning protection design has a certain significance for guiding the oil depot.

oil tank; electromagnetic environment; safety analysis

2016-03-18

刘波，工程师，2009年毕业于南京信息工程大学雷电防护科学与技术专业，研究方向为雷电防护技术与应用。