油库自动化系统雷击事故分析与解决方案的应用

郭建新

〔中国石化山西石油分公司 山西太原 030024〕

随着科技进步，油库自动化应用的不断升级，可编程控制器PLC控制紧急切断系统、液位自动检测系统、微机付油、汽油油气回收系统、视频监控系统、可燃气体自动报警系统等的应用越来越普遍。由于成品油销售油库所具有的易燃易爆特性和保障市场功能的特点，这些设备的损坏不仅会造成损失，威胁油库安全，同时会严重影响成品油市场，而遭受雷击的后果更加严重。因此，油库采取规范合理的防雷措施，特别是弱电设备免遭雷电流电磁脉冲侵害就成为一个亟须解决的课题。

1 油库雷击事故的影响与分析

2018年8月13日15:00左右，山西忻州某油库遭受雷击，造成油库付油区、罐区、总控室等多处自动系统设备损坏，致使油库一段时间内不能正常运行。油库地处山西忻州中西部区域，雷暴日天数在40d以上[1]，属于多雷区域，其中每年的6—8月雷暴日占全年雷暴日数的74.8 %[2]。

1.1 总配电室PLC控制柜控制模块损坏

1.1.1 基本情况

该油库总配电室是1993年利用原有平房建筑物改造而成，油库6 kV电力线架空接入，电源采用TN-S系统，配电室室外设置了避雷网和接地装置，低压配电进线安装了一级SPD(浪涌保护器，Imax=60 kA，In=30 kA，Up< 2.2 kV)。在2012年油罐紧急切断阀改造增加一台油罐区紧急切断阀PLC控制柜，2015年油气回收改造增加了一台油气回收PLC控制柜。“8.13”雷击事故造成总配电室内设置的油气回收系统PLC控制柜控制模块、接口模块损坏，油罐紧急切断阀系统PLC控制柜控制模块损坏。

1.1.2 原因分析

一是由于低压电源进线段安装的一级SPD连接导线弯曲布置，且其总长度超过0.5 m[3]，雷电流不能有效泄流。同时SPD连接线和接地线过长会造成SPD工作泄放雷电流时产生设备间二次感应过电流。二是配电室设置的两台油气回收和油罐紧急切断阀PLC控制柜与低压配电柜设置在一起，强电弱电在一起，且两者距离较近。一级SPD在泄流后残压高达2 kV以上，而PLC控制柜电源进线段没有设置二级SPD，由于PLC控制柜设备耐压能力相对较弱，残余雷电电磁脉冲(LEMP)仍会对后面的PLC控制柜控制模块造成致命冲击。

1.2 付油区设备损坏

1.2.1 基本情况

油库付油区设施在2004年进行了改造，共设置8个付油货位。付油系统和油库门禁系统电源从付油配电室供电，控制电源线采用屏蔽线，屏蔽线的一端在付油配电柜进行了接地，线路采用穿镀锌管敷设。“8.13”雷击事故共造成3个付油货位的下位机控制板损坏，1个付油货位的防静电防溢油报警器控制主板损坏，付油区门禁系统开关电路板损坏，入口刷卡感应器电源损坏。

1.2.2 原因分析

一是付油区分配电室配电柜进线处缺少二级SPD，雷电流不能有效泄流，雷电流电磁脉冲沿电源线进行传导；二是屏蔽线从配电引出一段屏蔽层接地，穿钢管保护埋地敷设，但在付油控制电源出口处穿线管没有接地，雷电流的电磁脉冲在控制电源出口处无法有效泄放，造成控制板被击穿损坏；三是付油区接地网和付油配电地网没有相连，形成共用接地网，雷击地电压反击。

1.3 罐区可燃气体探头和摄像头损坏

1.3.1 基本情况

该油库油罐区2011年进行改造，总库容为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。“8.13”雷击事故造成汽油罐区4台可燃气体探测器探头损坏，铁路卸油泵房2台可燃气体终端报警控制器控制板损坏，7台电视监控摄像头损坏。

1.3.2 原因分析

该油库雷击事故损坏的4台可燃气体探头布置在汽油罐区，距离油罐1 m左右，距离油罐接地引下线不足2 m。可燃气探头电源线穿线管接地为单独接地，没有与罐区接地网相连。一是油罐雷击后，由于油罐与可燃气探头两者距离较近，强大雷电流泄流过程中产生的电磁效应，形成跨步电压，由于电势差造成探头损坏。二是可燃气体电源线路由于雷击产生感应电流，过电压致使探头损坏。

损坏的7台电视监控摄像头设置在罐区周围，摄像头与油罐间距20 m左右。摄像头与穿线管进行了跨接和接地，摄像头杆高6 m，距离油罐20 m左右，经过计算，以目前摄像头水平面为基准，摄像头与接闪杆水平距离为1.3 m，接闪杆应高出摄像头1.5 m(按照滚球半径45 m)以上才能满足防雷要求。目前摄像头杆没有设置接闪杆，摄像头塔杆高度和距离已经超过了油罐作为接闪器的滚球半径保护，周围又没有其他保护物，因此遭受直接雷击损坏。

1.4 总控室内设备受损

1.4.1 基本情况

该油库总控室于2016年进行了改造升级，集中了电脑网络交换，油罐自动计量系统、油罐紧急切断系统、可燃气体报警、工业电视监控、周界报警系统等。油库综合控制室设置在办公楼三层(建筑物共三层)，屋顶设有避雷网。控制室建筑面积约30 m2，南侧为窗户。进入楼内的供电分配电箱没有设置二级SPD。液位仪、油罐紧急切断系统线路敷设在罐区，采用电缆桥架方式。

“8.13”雷击事故造成总控室内3台网络交换机故障，油罐液位仪系统控制板、油罐紧急切断系统控制板损坏，连接的两台电脑损坏。

1.4.2 原因分析

该油库总控室设备遭受雷击损坏，一是电源线路引入雷电流，二是控制信号电缆引入雷电流，而总控室却没有采取等电位接地和能量配合的防浪涌保护。

引入自控系统线路采用屏蔽电缆，总控室机房单端接地，现场设备端悬空。这样虽然能有效抑制雷击时产生的电容性耦合，但液位仪、油罐紧急切断系统等雷电电磁脉冲电流通过线路传回到总控室，自控系统信号线、电源线进入总控室没有采用SPD保护，致使控制板损坏，两台电脑无法显示。

1.5 总控室防雷分析

总控制设备雷击损坏原因基本可以归结为线路传导的浪涌过电压和地电位的反击。

1.5.1 线路传导过电压分析及防护

油库总控制室内部的电气、仪表控制系统由于建筑物法拉第电笼的保护，室内的电气仪表等不易遭受直接雷，但如果进入控制室的电力线、控制信号线为架空引入，如遭受直接雷击，则沿线路传导的雷电过电压就会侵入油库控制室设施设备仪器内部，造成设备仪器损坏。其形成如图1 所示。

图1 控制室内部设备与外界联系的途径

如油库中央控制室的建筑物遭受直接雷击，强大的脉冲电流会在周围空间产生交变磁场，处于磁场中的导体因此而感应出高电压，沿线路产生的过电压窜入设备仪器，造成设备仪器损坏。其形成如图2所示。

图2 架空线缆可能受到直接雷击或受到雷击感应产生过电压

根据传导过电压形成的方式及其传播途径，对于控制设备的防雷保护可从电源线路过电压防护和控制信号线路过电压防护进行考虑。

1.5.2 地电位反击分析及防护

地电位反击通常存在两种形式。一是雷电流流入大地时，由于大地电阻存在，产生较大压降，使地电位升高，对周围设备进行反击；二是两个接地网之间，由于没有足够的安全距离，一个地网接受雷电流产生高电位，必然对另外一个地网进行电位反击。因此当雷击发生时，地网电位被抬升，与汇流排相连的设备外壳电位也随之升高，进入设备的电力、通信控制线的低电位与机架或地线之间的高电位存在高电位差而发生反击放电，从而使电子设备损坏。

地电位反击的防护：一是等电位连接，对于控制室一个地网使用建筑物框架内钢筋做接地网，如另一个地网独立接地，两个地网之间应做等电位连接。二是控制室金属水管、通讯电缆、电力电缆等埋地进入控制室，水管、电缆铠装外皮和保护应在进入机房时接地。三是将控制室内的交流电工作接地、直流电接地、静电接地在控制室内进行等电位连接。

2 油库自动化系统防雷方案

油库自动化系统由计算机设备、通讯设备、仪器仪表等组成并集中设置到油库总控室，它不仅是油库的控制和指挥中心，还是油库的生产经营、调度、巡检中心。油库自动化系统防雷由外部防雷和内部防雷组成。外部防雷由接地装置、引下线和接闪器组成，用于直接雷击的防护。内部防雷由共用接地装置、电磁屏蔽和安装浪涌保护器SPD等组成，用于减少和防止雷电流的电磁效应。

2.1 低压配电系统防雷方案

配电系统主要由总配电室、分配电室、设备用电配电箱、供电线路和用电设备组成，供电方式采用TN-S系统[4]。油库配电系统一般已经安装了位于高压进线端的如阀型避雷器、氧化锌避雷器等保护装置，但仅此措施并不完备。这些保护装置仅仅针对了电气设备，因此对防雷应采取多级的保护举措：第一级泄放外线产生的过电压，第二级泄放残压及配电线路和其他设备感应的过电压。第三级泄放前面的残压。

2.1.1 等电位连接形成共用接电网

将配电室内的设备与建筑物防雷装置的接地相连接，形成共用接地装置；将所有进入配电室内的金属管线做等电位连接并接入共用接地网；将付油区地网和付油配电室地网做等电位连接。

2.1.2 防止电涌侵入措施

在线路总配电箱LPZ0与LPZ1区交界处，配置标称放电电流60 kA三相SPD，作为第一级防雷保护。油库卸油、付油、消防、办公楼等各建筑物配电电源引入端配置标称放电电流选用40 kA三相SPD，作为二级防雷保护。如图3所示。

图3TN-S系统的配电线路浪涌保护器安装位置示意图

2.2 油库总控室防雷方案

油库不仅是储存油品的易燃易爆场所，同时承担着某一个区域的油品供应职能，而油库总控室又是油库的控制、监控的中心。按照GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，油库总控室按照雷电防护等级B级较为合理。将设置于油库总配电室的两台油气回收系统PLC控制柜和油罐紧急切断阀系统PLC控制柜进线移入油库总控室。

2.2.1 防直击雷

油库总控室外部防雷，根据GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》，按照三类防雷建筑物进行改造，并将建筑物外接地网与总控室内地网做等电位连接。

2.2.2 控制室屏蔽

为了减小雷电电磁脉冲对控制室信息系统产生浪涌，控制室建筑物应采用LPZ1的大空间屏蔽措施[6]，所以将油库总控室敞开面积较大的窗户进行封闭，并更换金属门，同时将金属门和控制室内等电位接地连接。

2.2.3 接地和等电位连接

内部防雷措施主要是等电位接地布置和SPD设置。控制室内接地从建筑物接地网引入，同时与建筑物内部钢筋或其上的金属部件多重互连，组成等电位接地母排。总控室内接地严禁从建筑物接闪带引下线上直接接入，因为直接引入将导致雷电流进入室内电子设备，造成严重损害。使用25 mm×3 mm的铜排，安装在墙壁上，与地网相连，并将所有的电源地线、控制机柜、屏蔽线、防静电地板设备外壳、SPD地线都连接在等电位接地母排，防止危险的电位差。等电位接地母排布置如图4所示。

图4 等电位接地母排布置示意图

2.2.4 过电压防护

过电压防护主要是对电源线路过电压的防护和控制信号线路过电压的防护。总控室配电箱电源引入端配置标称放电电流20 kA的单相SPD，作为第三级防雷保护。油库总控室控制信号线路过电压防护，在LPZO与LPZ1交界处(刚进入控制室)设置信号线路SPD。

2.3 自控系统线路防雷方案

2.3.1 线路屏蔽

屏蔽电缆的屏蔽层有两端接地和一端接地两种接地方式。一端接地屏蔽层的电压为零，可减少静电感应电压，即减少雷击地电位反击。两端接地当出现雷电流时，由于电缆屏蔽层两点电位不同，使屏蔽层流过感应电流，对芯线产生干扰，但电缆芯线所在回路为强电时，屏蔽层感应电流干扰信号影响较小。

付油区、油罐区等区域的强电电源屏蔽线路采用屏蔽层及钢管两端应接地。弱电控制、视频信号线屏蔽层应单端接地，但穿线钢管两端必须接地。作为信号返回回路的同轴电缆，其屏蔽层宜采用集中一点接地方式[7]。

2.3.2 网络数据过电压防护

油库网络数据通过ADSL连入互联网，其余网络设备例如路由器、集线器、网卡等设备，都处于建筑的法拉第笼屏蔽中，所以只需要对ADSL的输入端进行防护，即在其线路输入端安装专用防雷器。为避免电脑相关的网络设备被雷击毁坏，可在网络线和电脑设备连接处，安装宽带专用SPD。重要设备端采用标称放电电流选用5kA模块式SPD或防雷插座，作为第四级防雷保护。

2.4 电视监控系统线路防雷方案

监控系统系电子产品，具有低电压、低功耗等特性，极易遭受雷击过电压破坏。雷电危害可分为三种：直击雷、雷电波侵入和雷电感应[8]。

2.4.1 安装接闪杆防直击雷

由于油库室外大部分摄像机的安装位置不能被周围建构筑物防雷保护(按照滚球半径45 m计算)，用1.5 m的φ16 mm圆钢作为接闪杆焊接在监控金属杆上[9]，以保护摄像头免遭受直击雷。摄像头用BVR6(多股聚氯乙烯软铜导线)与穿线管跨接，穿线管和接地网连接。如图5所示。

图5 电视监控摄像机防雷示意图

2.4.2 安装浪涌防雷器防雷电波侵入

监控系统前端摄像机、云台、后端硬盘录像机、监视器等对雷电、过电压等电磁干扰非常敏感，若缺乏有效保护，极易受到雷电侵入和雷电感应损坏。因此，对于室外的摄像机可以采用电源、信号、控制组合型SPD。在视频传输线、信号控制线进入总控室后保护设备之前加装相应的SPD。

2.4.3 线路屏蔽防雷电感应

视频信号屏蔽层或线缆穿线管不仅需要埋地敷设，同时要保证钢管的电气连通[10]。视频图像信号采用光纤线路传回信号能更好地防护雷电感应。

3 结语

文中所述自动化系统防雷方案在山西忻州某油库实施后，取得良好效果，使雷击造成设备损坏的故障率大大下降。安全源于设计，源于质量。自动化系统防雷主要是防止直击雷、雷电流、电磁脉冲和地电位反击，防雷设计方案主要是在接地和等电位连接、电磁屏蔽、过电压防护和共用接地网方面进行综合考虑。设计方案是防雷的前提，规范化、标准化的防雷设施设备安装是油库自动化建设和运行安全的保障。文本防雷解决方案的实施不仅解决了该油库自动化系统防雷改造所遇到的难题，同时对其他油库自动化系统的建设有示范性意义。