感应消雷技术在雅本化工基地防雷中的应用

叶 林, 谭建林

1.杭州碧蕾科技有限公司 杭州 311500 2.南通雅本化学有限公司 江苏南通 226407

1 危化场所防雷基本要求

石油化工等生产场所具有危险性,一旦发生爆炸、火灾等事故,可能造成巨大的人员伤亡和经济损失,因此这类场合要防冲击、防明火、防跳火、防过电、防过热。石油化工设备大都是暴露于空气中的大型钢架结构,引雷能力极强,空气中弥漫着易燃易爆的气体,若发生直接雷击,会引发安全事故,因此配备全面良好的防雷保护尤为重要[1-3]。

危化场所的防雷保护要求具有对雷击冲击力、雷击明火、雷击过电、雷击过热的消除或减少作用。

2 现有标准防雷措施分析

现有危化场所需要遵照执行的国家标准包括GB 12158—2006《防止静电事故通用导则》、GB 15599—2009《石油与石油设施雷电安全规范》、GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》、GB/T 18802.1—2011《低压电涌保护器(SPD) 第一部分:低压配电系统的电涌保护器 性能要求和试验方法》、GB/T 18802.21—2016《低压电涌保护器 第21部分:电信和信号网络的电涌保护器(SPD) 性能要求和试验方法》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷装置检测技术规范》、GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、GB 50074—2014《石油库设计规范》、GB 50156—2012《汽车加油加气站设计与施工规范》、GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》、GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》、GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GB 50601—2010《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》、GB 50650—2011《石油化工装置防雷设计规范》。

现有的防雷标准中,主要措施可用如图1所示。对于危化场所而言,如果安装传统接闪器,可能存在一定缺陷。

图1 防雷标准中主要措施

金属钢架系统雷击示意图如图2所示。当雷电直接击在建筑物或设备钢架上时,在击闪点位置存在高压雷电流。在击闪电弧3～5 m范围内,雷击冲击力可直接对非金属物体造成机械损坏和冲击。击闪电弧瞬间温度可达10 000 ℃,电势可达百兆伏级,可直接引燃周边1～3 m范围内的易燃物体。击闪电弧四射的火星影响范围可达数十米,对易燃易爆场合而言是一个致命的安全隐患。

图2 金属钢架系统雷击示意图

在直接雷击发生瞬间,高压雷电流下泄通道位于金属钢架系统中,会在金属设施上产生很高的消耗接触电势。根据雷电流从高电势到低电势自动消耗的过程规律,雷电流会通过金属系统泄放消耗。在流经过程中,会在金属钢架系统中某些接触不良处产生电势不平衡的火花放电。在易燃易爆场合,火花是严重的安全隐患,其危害程度直接与雷电流i的幅值成正比。根据物理学原理,雷电流幅值越大,流经消耗的范围越广,持续时间越长。

为保证安全,根据标准在保护位置的钢架上安装接闪器。但实际情况是,标准规定的接闪器为金属装置,对雷击电流i的幅度并没有多少消减作用,接闪器质量越好,遭雷击的概率反而越高。

另一方面,引下线和接地装置也存在负面作用。雷电流是有害电流,可以通过引下线和接地装置转移消耗。电不会突变,且具有缓变特性,雷电流只有通过流经的电阻消耗才会减小。流经的电阻小,则电流幅度消减小,高电压危害范围会较远。换言之,引下线和接地电阻的质量越好,危害程度反而可能越高。

雷电入侵对危化场所的破坏形式有三种。一是直击雷,即雷电直接击在建筑物或设备钢架上,产生强加热效应和电动力作用。二是雷电的二次作用,即雷电流产生的静电感应作用和电磁感应作用。三是雷电对架空线路或金属管道的作用,所产生的雷电波可能沿这些金属导体、管道流动,天线或架空电线可能将高电位引入室内,造成雷电反击。对于以上三种雷击方式,标准规定的保护措施都不能产生正面的消减作用,特别是危化场所要求的对雷击冲击力、雷击明火、雷击过电、雷击过热的消除或减少作用。

3 雅本化工基地情况

南通雅本化学有限公司一期建设多个甲类生产车间、甲乙丙各类仓库、储罐区、污水处理中心、废气、废液焚烧设施、蒸汽机械再压缩技术及三效蒸发除盐设施等。各类车间及设施的建筑面积超过100 000 m2,总反应釜容积大于2 000 m3,属于大型一级危化场所。

4 感应消雷技术的应用

雅本化工基地位于海边,雷击风险概率很高,防雷安全是特别需要注意的重要工作。考虑到传统防雷技术存在的安全问题,邀请专家对基地的防雷技术选型进行讨论,并对拟采用技术的现有效果进行实地考察,确定应用感应消雷技术,在基地重要部位安装感应型消雷针[4-9]。

4.1 技术原理

感应消雷技术通过感应方式主动吸引周围空间的雷云电场,如图3所示,以大功率、大阻抗、大体积的耗雷体主动消耗有害雷电流的危害能量,有害的高压雷电流只有通过耗雷体的消耗才能减小。这一技术采用引雷消耗的保护方式,没有直接雷击的火星和电弧,可以利用感应型消雷针的安装高度和多点覆盖,形成一个安全的低电压隔离保护空间,在保护范围内是安全的。

图3 感应消雷技术原理

感应型消雷针可以直接安装在保护钢架设施的上方,也可以以独立避雷针形式安装在四周。考虑到安全性和可靠性,需要根据现场情况进行勘察设计。

4.2 现场安装

在需要保护的设施顶部安装感应型消雷针,如图4所示,最低要求为消耗有害的雷击高电压,理想要求为消除保护范围内直接雷击发生的可能条件。在保护范围内不发生雷击,这是最安全的。

4.3 应用效果

雅本化工基地于2014年起应用感应消雷技术,5年来安装位置处没有雷击情况发生,仅在基地内没有安装感应型消雷针的一般位置发生过雷击损坏电子系统设备事故,由此确认感应消雷技术起到了消除直接雷击的作用。

图4 感应型消雷针现场安装情况

5 结束语

基于现有标准防雷措施可能存在的安全隐患,雅本化工基地在危化行业内首次应用感应消雷技术,取得了良好的效果。通过实际应用,确认感应消雷技术原理是正确的,具有推广价值。