空壓機(jī)系統(tǒng)遭受閃電靜電、電磁感應(yīng)分析與防護(hù)

喬國(guó)林

【摘 要】空氣壓縮機(jī)是工廠動(dòng)力系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備，為使之安全運(yùn)行及保障人員安全，其雷電防護(hù)措施到位尤為重要，尤其要規(guī)避地位反擊。文章以某工廠空壓機(jī)群為例，分析空壓機(jī)遭受感應(yīng)雷磁場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算所屬配電柜、控制柜產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓，從而闡明空壓機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生雷電安全防范問(wèn)題；通過(guò)空壓機(jī)群地位反擊分析，提出空壓機(jī)信息系統(tǒng)免受雷電電磁脈沖干擾的完整、多層次防護(hù)措施；通過(guò)雷電防護(hù)等級(jí)劃分，使空壓機(jī)系統(tǒng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得以實(shí)施，避免了空壓機(jī)系統(tǒng)防雷工程實(shí)施盲目性，確?？諌簷C(jī)系統(tǒng)的防雷更有效。

【關(guān)鍵詞】電磁環(huán)境；接地；雷擊風(fēng)險(xiǎn)；地位反擊

【中圖分類號(hào)】TH45 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）12-0061-04

0 引言

工廠各階段生產(chǎn)工藝中大多都需要連續(xù)不斷穩(wěn)定地壓縮空氣，而此壓縮空氣是由空氣壓縮機(jī)這一生產(chǎn)設(shè)備提供的?？諝鈮嚎s機(jī)運(yùn)作過(guò)程如圖1所示。

出于生產(chǎn)工藝的壓縮氣體壓力穩(wěn)定和供氣需要，企業(yè)經(jīng)常設(shè)置空壓站，它是由多臺(tái)大中型空氣壓縮機(jī)構(gòu)成。大多數(shù)企業(yè)為了生存和發(fā)展，都建成了智能型的控制系統(tǒng)的空壓機(jī)站，使企業(yè)空壓機(jī)運(yùn)行能耗降低，使生產(chǎn)工藝得以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化。

從（某工廠）控制樓將驅(qū)動(dòng)電源和運(yùn)作控制信號(hào)引至空壓機(jī)群，其電氣連接構(gòu)成如圖2所示。

總信號(hào)控制單元、電源驅(qū)動(dòng)單元、電纜單元和空壓機(jī)群皆為空壓機(jī)系統(tǒng)的子單元。本文以某工廠空壓機(jī)群為例，雷擊造成該廠空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)為控制信號(hào)中斷、失靈或失真等。很明顯，靜電感應(yīng)或雷電波侵入可引起這種現(xiàn)象。從雷擊的現(xiàn)象上看，廠房頂部無(wú)直接被雷擊中的跡象，造成這次雷擊事故是雷電流的侵入所造成的。該空壓站內(nèi)的多臺(tái)空壓機(jī)和其他輔助單元構(gòu)成空壓機(jī)系統(tǒng)，該空壓站機(jī)房頂部未設(shè)避雷設(shè)施；機(jī)房?jī)?nèi)部有進(jìn)出的架空的電纜線架及架空管道；空壓機(jī)群設(shè)備有設(shè)備保護(hù)接地和控制器的邏輯接地，兩接地均為單獨(dú)接地形式。

從對(duì)該空壓機(jī)系統(tǒng)遭受感應(yīng)雷磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，以及對(duì)所屬配電柜、控制柜產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算中，闡明空壓機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生雷電安全防范問(wèn)題。進(jìn)而，通過(guò)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段，使空壓機(jī)系統(tǒng)防雷工程更具有明確性、針對(duì)性、有效性和經(jīng)濟(jì)合理性。

1 電磁環(huán)境參數(shù)計(jì)算和分析

1.1 空壓機(jī)站建筑物內(nèi)電磁環(huán)境

1.1.1 計(jì)算開(kāi)路電壓

1.1.2 計(jì)算空壓機(jī)站建筑物內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度

1.1.2.1 分析磁場(chǎng)強(qiáng)度

機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度[2]應(yīng)不大于800 A/m，即實(shí)際中的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于規(guī)定值。

1.1.2.2 分析磁感應(yīng)

通過(guò)計(jì)算得B2=3.9 Gs，其值略大于規(guī)定。在無(wú)屏蔽狀態(tài)下[5]，當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度>0.07 Gs時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作；當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度>2.4 Gs（191 A/m）時(shí)，設(shè)備會(huì)永久性損壞。

1.2 空壓機(jī)站建筑物周圍遭受雷擊時(shí)其控制柜產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓

雷云中的電荷積聚導(dǎo)致附近的導(dǎo)體感應(yīng)相反的電荷，此種現(xiàn)象為靜電感應(yīng)，其感應(yīng)靜電壓往往可達(dá)到幾百千伏。凸出物頂部的感應(yīng)電荷是在雷云與其他部位放電后失去束縛，并沿著導(dǎo)體釋放通道流動(dòng)，表現(xiàn)出電路中的電脈沖。

雷電流值以Im（kA）表示。大多數(shù)情況下，Im≤100 kA，在此取50 kA；假定空壓機(jī)站建筑物直擊雷防護(hù)措施缺乏，其附近遭受雷擊時(shí)，空壓機(jī)站建筑物內(nèi)控制室柜產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓，空壓機(jī)附屬設(shè)備平均高度以hdp表示，取值為3 m；直接雷擊點(diǎn)距物體的距離以S表示，取值為65 m。若S值不大，雷云直接對(duì)線路放電就會(huì)產(chǎn)生，其產(chǎn)生的電壓是直擊雷電壓[3]，而非感應(yīng)過(guò)電壓。

靜電產(chǎn)生的電位計(jì)算公式[3]如下：

從該計(jì)算結(jié)果可以看出，靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電位可達(dá)幾十千伏。1.5 kV為電子信息設(shè)備需要保護(hù)的限值，故空壓機(jī)站建筑物外部到位的防雷措施是不可或缺的。

2 雷電防護(hù)等級(jí)劃分

借助如上電磁參數(shù)的計(jì)算和分析，確定劃分空壓機(jī)系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)所需的部分參數(shù)。雷擊電磁脈沖和直擊雷造成損壞可接受年平均最大雷擊次數(shù)：NC=5.8×10-1/5.7=0.101 75。該空壓機(jī)站建筑物長(zhǎng)30 m，寬8 m，高8 m；土壤電阻率取值為110 Ω·m。

建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次/a）：

N=1.0×（0.1×49.9）×0.000 24+0.1×49.9×0.22×2=1.197 6×10-3+2.196=2.197 2

當(dāng)N>NC時(shí)[4]，雷電防護(hù)裝置應(yīng)具備。

（防雷裝置）攔截效率：

根據(jù)如上數(shù)據(jù)判斷，該空壓機(jī)系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)為A級(jí)[4]。故對(duì)該空壓機(jī)系統(tǒng)的雷電防護(hù)，應(yīng)采取最高級(jí)別的設(shè)計(jì)和施工。

3 雷電反擊

強(qiáng)大的雷擊電流先通過(guò)接閃器，后經(jīng)過(guò)引下線路、接地裝置，最后泄入大地，這樣便使地電位升高。

圖3 A點(diǎn)的電位uA如下：

公式（1）中：接地裝置上產(chǎn)生的電阻壓降（電位的電阻分量）以u(píng)R表示，單位為kV；忽略不計(jì)引下線電阻，引下線h段長(zhǎng)度上產(chǎn)生的電感壓降（電位的電感分量）以u(píng)L表示，單位為kV；接地裝置的沖擊接地電阻以Rch表示，單位為Ω。A點(diǎn)到地面h段高度的引下線的電感以L表示，單位為μH。令L0為引下線單位長(zhǎng)度電感（μH/m），通常每米約1.3 μH，L=hL0。

計(jì)算公式（1）求出：

uA=150Rch+75hkV（2）

假如接地電阻為4Ω，引下線有20根（包括內(nèi)鋼筋柱體），每根引下線通過(guò)雷電流為7.5 kA，則地電位（h=0）則達(dá)30 kV。在設(shè)備或各類管線靠近的情況，高地電位便可形成于設(shè)備或管線。

高壓技術(shù)[3]實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)闡明，700 kV/m約為雷電壓電感分量對(duì)空氣間隙的擊穿強(qiáng)度，500 kV/m約為雷電壓的電阻分量對(duì)空氣間隙的擊穿強(qiáng)度，則放電瞬間對(duì)被保護(hù)對(duì)象不發(fā)生反擊的最小空氣間距Sk：

Sk≥0.3Rch+0.12h（3）

對(duì)單端接地式避雷線和避雷針：

Sd≥0.3Rch（m），通常Sd不應(yīng)小于3 m。假定Rch=4Ω，h=20 m，根據(jù)公式（3）算得Sk≥3.6 m。

通常防雷接地與電氣接地都是分設(shè)的。場(chǎng)地的限制一般很難達(dá)到安全距離要求。出于防止雷電電磁脈沖的信息系統(tǒng)干擾，必須完整和多層次地實(shí)施接地、屏蔽、電涌保護(hù)器、布線等工程，才能確?？諌簷C(jī)信息系統(tǒng)的安全運(yùn)行及作業(yè)人身安全。

4 該空壓機(jī)系統(tǒng)的問(wèn)題分析與雷電防護(hù)

4.1 遭受雷擊問(wèn)題和防護(hù)

遭受雷擊途徑：①該空壓機(jī)站建筑物直接引雷；②遭受直擊雷的襲擊點(diǎn)在空壓機(jī)站建筑物附近，而后將雷電波傳送空壓機(jī)。

問(wèn)題：該空壓站內(nèi)由5臺(tái)空壓機(jī)構(gòu)成空壓機(jī)群，而站房頂部未設(shè)立接閃帶等避雷措施。

根據(jù)：依據(jù)相應(yīng)規(guī)定[1]，各類防雷建筑物應(yīng)設(shè)防直擊雷的外部防雷裝置。

后果：該空壓機(jī)站建筑物內(nèi)金屬裝置或線路受到閃電靜電、電磁感應(yīng)的嚴(yán)重影響。

措施：直擊雷的防護(hù)措施采用的是接地裝置且選擇鑄銅棒；（結(jié)構(gòu)式）引下線為4×40 mm鍍鋅扁鋼；接閃器選擇5 m×5 m網(wǎng)格，4×25 mm鍍鋅扁鋼。接閃器網(wǎng)格實(shí)施工程如圖4所示。

4.2 采用B型接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

采用B型接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)均流作用。將設(shè)計(jì)的人工接地與原來(lái)的設(shè)備接地體連接，實(shí)現(xiàn)部分公用接地。工程原理如圖5所示。

4.3 雷電波防護(hù)設(shè)計(jì)

4.3.1 電源電涌保護(hù)器

上述已闡明該空壓機(jī)系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)為A級(jí)，作為第一級(jí)保護(hù)的電涌保護(hù)器要求標(biāo)稱放電電流≥40 kA；在UPS機(jī)柜處，設(shè)置作為第二級(jí)保護(hù)的電涌保護(hù)器要求標(biāo)稱放電電流≥20 kA（如圖6所示）。

4.3.2 信號(hào)電涌保護(hù)器

根據(jù)該空壓機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)線走向分散的特點(diǎn)，設(shè)置SI-024TR1信號(hào)型電涌保護(hù)器于交換機(jī)接口RS485處。原理如圖7所示。

4.4 兩個(gè)獨(dú)立接地間的地電位反擊

4.4.1 地電位反擊分析

空壓機(jī)系統(tǒng)遭受雷擊可由直擊雷引起，也可能是雷電擊在附近的架空金屬管道上，雷電流經(jīng)架空管道引入室內(nèi)。由于進(jìn)入室內(nèi)的架空管道與空壓站內(nèi)空壓機(jī)的外殼、儀表控制盤的外殼相連，使空壓機(jī)的外殼、儀表控制盤的電位升高（Ug=R×Ig）。而儀表控制盤的邏輯接地為單獨(dú)接地，其電位為0 V，使儀表控制盤的外殼與站內(nèi)的電子設(shè)備之間產(chǎn)生較高的電位差，造成感應(yīng)與反擊現(xiàn)象?？諌簷C(jī)系統(tǒng)遭受雷擊事故的根本原因是該空壓站內(nèi)的接地形式不合理造成，即保護(hù)接地與邏輯接地形成地位反擊。

4.4.2 地電位反擊防范措施

對(duì)于獨(dú)立接地系統(tǒng)，雷擊發(fā)生時(shí)，瞬間極高電位差產(chǎn)生于2個(gè)地線系統(tǒng)間。這可能對(duì)電子設(shè)備及人身造成危害?；诘入娢坏乃枷?，地極保護(hù)器安裝于2個(gè)獨(dú)立地線之間，即發(fā)生雷擊時(shí)地極保護(hù)器在納秒內(nèi)導(dǎo)通，使2個(gè)接地線間電位均衡，而規(guī)避地電位反擊；正常情況下，2個(gè)獨(dú)立接地系統(tǒng)互不干擾。原理及實(shí)施如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以空壓機(jī)系統(tǒng)遭受雷電襲擊案例，建立在相應(yīng)的電磁參數(shù)計(jì)算和定量的分析、雷電防護(hù)等級(jí)劃分、地位反擊分析，以及雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之上的空壓機(jī)系統(tǒng)雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)，更能體現(xiàn)科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、操作性和普遍性。同時(shí)，本文介紹了關(guān)于工業(yè)設(shè)備中經(jīng)常存在的各自獨(dú)立接地系統(tǒng)而要求規(guī)避地位反擊的解決辦法和工程實(shí)例，這對(duì)于近似雷電防護(hù)工程具有實(shí)用的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]GB 50057—2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB/T 2887—2011，電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范[S].

[3]耿毅.工業(yè)企業(yè)供電[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1988.

[4]GB 50343—2012，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[5]GB 21431—2015，建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]