雷电灾害对大型化工园区的影响分析及防范对策*

宗文瑜,张源源,刘 钊,刘 瑞,李丰江

(青岛市气象局，山东青岛 266003)

0 前言

大型化工园区内的重大危险源众多，雷电是电压、电流和频率瞬变的电磁场[1]，一旦发生雷击，很可能引发火灾、爆炸或毒性危险化学品大量泄漏扩散等事故。

雷电击中物体所造成的损害主要决定于两个要素：雷电流波形特征以及物体自身的特性。因此，将雷电的损害机理与大型化工园区内的各类建(构)筑物及设施进行安全相关性分析[2]，掌握雷电危害作用的途径及其变化规律，采取有针对性的措施，能够有效防控雷电风险。

大型化工园区一般会选择空旷或者沿海等地区建设,这些区域的雷电风险很高,极易造成雷击火灾甚至爆炸事故，且各类新型化工装置层出不穷，研究各类化工装置的雷击耦合致灾机理及有针对性的防范对策具有重要的现实意义和工程应用价值。袁杰，等[3]从爆炸性混合物、雷击火花形成因素及罐区自然条件等方面剖析了我国罐区防雷现状及存在的主要问题。银峰，等[4]以大型外浮顶原油储罐为例,给出雷击储罐导致多米诺火灾效应的人员伤亡风险计算方法,提出适用于油品储罐的雷电灾害风险评估模型。程玉龙[5]建立了油罐在雷电、温度、风等复杂条件下的泄漏扩散及致灾因果规律,创建了可提高雷击火灾热辐射预测准确度的权重Mudan模型,构建了雷击火灾环境下邻近目标储罐失效判定方法。林溪猛，等[6]利用历史雷暴日观测数据,采用数理统计等分析方法,对古雷石化基地所在区域的雷电活动特征进行分析,并根据特征提出具体的防护对策。以上研究主要是对单一化工装置的雷击致灾机理，但是对于一个化工企业或者化工园区来说，承灾体种类繁多，承灾机理差异性较大，受区域雷电孕灾环境影响较高。因此，通过分析雷电孕灾环境，进一步研究各类化工装置以及建(构)筑物的雷击耦合致灾机理，给出更有针对性的防御方法和措施是十分必要的。

本文通过分析地闪活动及雷电灾害的时空分布特征,探讨针对大型化工园区内不同建(构)筑物，雷电灾害与致灾因子、承灾体以及孕灾环境的相关性，分析不同孕灾环境和承灾条件下雷电灾害的损失类型和分布特征,确定雷击防护重点,提出相应的雷电灾害防御措施及建议。

1 大型化工园区雷电孕灾环境分析

目前监测雷电技术采用较多的是闪电定位系统，该系统利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击、放电参数，将监测到的闪电数据实时传送到中心数据处理站进行交汇处理，可实现全天候、长期、连续运行并记录雷电发生的时间、位置、强度和极性等指标[7，8]。闪电定位系统测得的雷电发生位置及雷电流强度等信息，结合大型化工园区的地理位置、地形地貌、承灾体特征等，对承灾体和孕灾环境的相关性进行分析,可以准确地反映大型化工园区的雷电孕灾环境[9-14]。

利用2011—2020年闪电定位系统探测的闪电发生位置、雷电流强度等数据，对大型化工园区的雷电孕灾环境进行分析。该大型化工园区位于山东半岛地区北部，紧邻渤海海域。园区分为港口作业区、物流仓储区、临港产业区3大功能板块，分布有多个石化及化工新材料产业链项目，以化学为主的异氰酸酯(MDI)一体化和环氧丙烷及丙烯酸酯(PO/AE)一体化主导产业，主要包含有机化工、光气化工、氯碱化工、化工新材料以及高端精细化工等。园区北部为大型港口，主要为液化油品、通用散货、大宗散货、原油和液化天然气(LNG)作业区，以及集装箱作业区和铁路轮渡服务区。

通过分析大型化工园区的雷电活动特征、雷击大地密度、雷电流强度和雷暴来向，同时结合区域内建(构)筑物的地理位置，能够准确得到区域内建(构)筑物遭受雷电灾害的危害程度[15，16]。

雷击大地密度反映的是一个区域内的雷电发生频次大小，雷击大地密度越高，表示雷电发生频次较多；雷电流强度反映的是雷电发生时产生的强度大小，雷电流强度越高，表示雷电发生时产生的破坏作用更强；雷暴来向反映的是区域雷暴的移动轨迹。

图1～图4分别给出了2011—2020年大型化工园区及周边地闪活动的月份分布和时刻分布，以及雷击大地密度的遥感分布情况和地理空间分布。可以看出，园区6～8月为地闪的频发期，8月最高，占比49.6%；6月和7月次之。晚上是雷电的多发时段，20时地闪发生最多，占比20.8%。结合大型化工园区的地形可以看出，雷击大地密度整体为东高西低，雷击大地密度主要集中在0～1.2次/(km2·a)，最大值为2次/(km2·a)，平均雷击大地密度约为0.53次/(km2·a)。

图1 大型化工园区及周边地区地闪月分布

图2 大型化工园区及周边地区地闪时刻分布

图3 大型化工园区及周边地区雷击大地密度遥感分布(东南方向)

图4 大型化工园区及周边地区雷击大地密度地理空间分布

该区域属低山丘陵区，山丘海拔高度不高，地势比较平坦，园区内雷击大地密度随山地和丘陵海拔增高而逐渐增强，园区东北部的山地地区是雷击大地密度的高值区。山地地形对低层气流的强迫抬升作用是此区域雷暴多发的主要原因。山前近地面地形辐合产生的扰动向上传播引发边界层扰动，是对流和雷暴形成的主要动力源。雷暴在下山过程中，冷池出流对触发雷暴单体新生和增强有重要影响，强烈的辐合抬升使新生的雷暴单体在下山过程中，得到爆发性增强[17]。

图5和图6分别给出了2011—2020年大型化工园区及周边雷电流强度的概率分布和地理空间分布。可以得出，大型化工园区雷电流强度主要集中在2～60 kA，占比91.8%。其中，2～10 kA的占14.9%；10～20 kA的雷电流占39.7%；20～40 kA的雷电流占29.9%；40～60 kA的雷电流占7.3%；60～200 kA的雷电流占8.2%，雷电流强度较高的区域分布比较分散，主要位于区域中部偏北、东北部和西部等区域，雷电流强度最高值达150.5 kA。

图5 大型化工园区及周边地区雷电流强度概率分布

图6 大型化工园区及周边地区雷电流强度空间分布

图7为大型化工园区及周边地区雷暴路径图。经统计，雷暴的东部来向占比为12.4%，东东南部(SEE)来向占比为11.0%，东南部来向占比为10.1%。总的来说，偏东来向占比为33.5%。大型化工园区的雷电路径以偏东方来向为主要方向，区域内建筑宜在偏东方向增设接闪杆，更有效地接闪，从而提高防雷装置保护的效率。

图7 大型化工园区及周边地区雷暴路径玫瑰图

2 大型化工园区承灾体的雷击易损性分析

易损性是指雷电灾害发生时所造成的伤害或损失程度，承灾体的易损性大小，与其物质成分、结构有关。一般承灾体的易损性越低，灾害损失越小[18]。雷电灾害分为直接雷击灾害和闪电电涌侵入危害(又称“间接雷击灾害”)。直击雷的危害主要在雷电流通道内造成的人畜伤亡以及因雷击引起的爆炸、着火。闪电电涌侵入危害主要是通过雷电的静电感应与电磁感应所产生的暂态过电压，损坏电子信息系统和电气设备，甚至造成人员伤亡。通过分析雷电灾害产生的危险途径及其变化规律，可以采取有针对性的措施，有效防控雷电风险。

2.1 危险化学品

大型化工园区一般涉及的危险化学品较多。危险化学品中可燃物品受雷击危害的风险性最大。

对涉及危险化学品的生产、储存装置，应对其自动化控制系统进行直击雷和间接感应雷雷电防护，防止控制系统的失效和损坏。

危险化学品的储罐、管道、塔器、库房等应满足防止直击雷的要求，以免雷电击穿导致的事故发生。雷电天气来临前，应禁止易燃易爆品物料的装卸作业。避免因物料装卸作业操作失误导致冒顶外溢和跑料事故，避免因雷电引发火灾而导致的二次事故。

2.2 危险化工工艺

大型化工园区内工艺自动控制系统众多，存在自动化程度高、电压等级低的特点。各种仪表、传感器的位置分散、暴露，线路较长且环境复杂，因而遭受直接或者间接雷击的可能性较大。雷电波侵入化工工艺控制系统是雷击事故发生的主要原因。因此，大型化工园区内危险化工工艺设备的防雷装置应满足雷电防护的要求。

2.3 过境危险化学品管道

过境危险化学品管道主要有埋地输油管道和埋地天然气管道。埋地金属管道和电缆能将水平10～20 m内自然闪电吸引来。当雷击发生在危险化学品管道附近，雷电冲击电流对土壤击穿放电并伴有弧光现象。在土壤电阻率为1 000 Ω·m的土壤中，峰值电流为30 kA的雷电流的击穿半径为4 m。对于埋地金属管道，土壤中不均匀的电场更容易在更长的间隔上对导体产生弧光。当管道周围有可燃气体和液体泄漏，电火花会导致其大面积的燃烧和爆炸。因此，应做好过境危险化学品管道的接地和相邻管道之间的等电位连接。

2.4 危险品管廊

大型化工园内一般有较多的管廊设置，工艺及供热外管道除部分采暖管道埋地敷设外，其余管道采用架空敷设，架空敷设的管架净空高度超过4 m，管架的纵、横梁及管架柱均采用钢结构，管架外表面有防腐处理。因此，应做好管道与管架的接地，并与相邻金属管道进行等电位连接，防止闪络击穿。

2.5 移动危险源

大型化工园区内移动危险源主要包括公路上从事危险物品运输的车辆，既有一般危险源的易燃、易爆、有毒有害等特点，又有移动的特点。遇到雷雨天气，若危险品运载装置发生事故，会引发火灾中毒等，影响道路通行和周边企业、居民的安全。同时区域内移动危险源发生火灾爆炸事故还可能殃及周边的企业，形成多米诺效应，造成更大的火灾爆炸事故。

3 大型化工园区雷电灾害防范措施及建议

根据大型化工园区雷电孕灾环境的特点，结合化工园区各类承灾体的雷电灾害易损性分析,确定不同区域的雷击防护重点,提出相应的雷电灾害防御措施及建议。

3.1 雷击大地密度较高区域

对于处于雷击大地密度较高的区域(图4中的红色区域)，此区域的雷电发生概率较高，雷击造成的雷电灾害影响较大。因此，此区域不宜规划易燃易爆场所、大型数据中心、对闪电感应较敏感的科研机构及使用较多电子精密仪器企业；在防雷工程设计时，为防止雷电绕击，应适当降低滚球半径，电气系统电涌保护器(SPD)宜进行三级保护；电子系统在ITE接口处，宜选择冲击电流参数较大的电涌保护器；宜考虑升温和机械受力对接闪器的影响，适当加大接闪器材料的截面积。

3.2 雷电流强度较高区域

对于处于雷电流强度较高的区域(图6中的蓝色区域)，此区域的雷电发生时产生的破坏作用更强。因此，此区域不宜规划易燃易爆及危化品场所；一般建筑物、公共建筑物和一般性工业建筑物进行防雷设计时，宜升级采用第二类防雷建筑物防雷措施。

3.3 安全距离较近区域

大型危化品和易燃易爆场所周围1 km范围内，因雷击引起灾害事故后，会对周围区域造成二次灾害风险的影响。因此，此区域内不宜规划为易燃易爆危化品和人员密集场所。对于已建成的设施，应做好防雷装置定期检测与日常维护。

3.4 移动危险源

当化工园区及周边有雷电发生时，危险物品运输车辆应停止运输，并进行雷电躲避。危险物品运输车辆的行驶线路应在其它危险品的防火间距之外，车辆应集中停放在有防雷装置保护的停车场内，危险化学品储运应当制定危险化学品储运专项应急预案，配备应急救援人员和必要的应急救援器材、设备，并定期组织演练。

3.5 户外装置防雷

对于整个化工园区的装置，户外相对高度较高的设备和具有敏感电子器件的设备易遭雷击，应单独进行防雷设计，使之符合国家规范。户外设备设施包括：①安置在地面上高大、耸立的生产设备；②通过框架或支架安置在高处的生产设备和引向火炬的主管道等；③安置在地面上的大型压缩机、成群布置的机泵等设备；④在空旷地区的火炬、烟囱和排气筒等；⑤安置在高处易遭受直击雷的照明设施。

3.6 化工装置防雷

化工园区内化工装置主要包括：各类排放设施、炉区、塔区、化工静设备、化工机器、电气设备、罐区、装卸站、金属粉、粒料桶仓、管廊、冷却塔、烟囱和火炬、户外电器和灯具、工控系统等，应严格按照国家相关规范进行防雷设计。同时，应严格按照法律法规、国家防雷技术规范要求做好日常维护和安全检测工作，对发现的防雷安全隐患及时进行整改。

4 结语

利用2011—2020年闪电定位系统探测的雷电数据，对大型化工园区的雷电孕灾环境进行研究。通过分析大型化工园区的地闪活动特征、雷击大地密度、雷电流强度和雷暴来向，结合区域内地形地貌和建(构)筑物的地理位置，得到区域内建(构)筑物遭受雷电灾害的风险点。在分析大型化工园区雷电孕灾环境以及承灾体的相关性时有较好的指导意义。

通过对雷电的损害机理与大型化工园区内的各类建(构)筑物及设施进行安全相关性分析，评估大型化工园区承灾体的雷击易损性，同时结合大型化工园区雷电孕灾环境，掌握危险有害因素作用的途径及其变化规律，提出具体的防雷措施，为有效防控大型化工园区的雷电灾害提供技术参考。