聚酯裝置防雷與接地主要問題探討

吳朝祥

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 儀征 211900)

聚酯裝置雖然在中國投產(chǎn)運(yùn)行了40余年，但是在廠內(nèi)建筑物和設(shè)備的防雷接地方面依舊有許多的爭論和疑問，本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范對聚酯裝置防雷接地的一些爭論進(jìn)行梳理和解釋，不能面面俱到，主要針對常見的問題，對實(shí)際操作有所幫助。

1 聚酯樓防雷設(shè)計(jì)

1.1 聚酯樓防雷等級判定

結(jié)合某公司產(chǎn)能200 kt/a的聚酯裝置，分析聚酯樓的防雷等級，建筑物尺寸約為35 m×30 m×30 m(長×寬×高)，該生產(chǎn)裝置具有以下特征：

1)具有1區(qū)或21區(qū)爆炸危險(xiǎn)場所的建筑物，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者。

2)具有2區(qū)或者22區(qū)爆炸危險(xiǎn)場所的建筑物。

3)聚酯裝置主要危險(xiǎn)場所和危險(xiǎn)介質(zhì)分布見表1所列。

表1 200 kt/a聚酯裝置危險(xiǎn)場所劃分

綜上所述，依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，該聚酯裝置屬第二類防雷建筑物，因此防雷設(shè)施按第二類設(shè)防。

1.2 聚酯樓防雷注意要點(diǎn)

1.2.1接閃網(wǎng)的設(shè)置

由于接閃網(wǎng)安裝在樓頂，且較為密集，聚酯生產(chǎn)線的樓頂一般都有熱媒蒸發(fā)器、空冷器等設(shè)備，使設(shè)備維護(hù)和崗位操作人員在工作中時常感覺不方便，因此接閃網(wǎng)的設(shè)置成為爭議問題。接閃帶示意如圖1所示，當(dāng)女兒墻上接閃帶的距離S滿足式(1)的要求時[1]，屋面可不敷設(shè)接閃網(wǎng)。

(1)

式中：hr——二類防雷建筑物滾球半徑，取45 m；d——女兒墻沿屋面寬度方向的接閃帶間距，取30 m。

圖1 接閃帶示意

1.2.2接閃網(wǎng)的安裝

接閃網(wǎng)的安裝，預(yù)制混凝土支座是主要安裝內(nèi)容之一，如圖2所示，由于混凝土支座中部分扁鋼是隱蔽工程，在開模制作初期要特別注意，防止混凝土固化后扁鋼設(shè)置不符合要求出現(xiàn)大面積返工。

圖2 預(yù)制混凝土支座結(jié)構(gòu)示意

二類防雷建筑物的接閃網(wǎng)網(wǎng)格尺寸，應(yīng)不大于10 m×10 m或12 m×8 m，接閃網(wǎng)施工方法如圖3所示。依據(jù)99D501-1《建筑物防雷設(shè)施安裝》[2]和尖端放電原理，接閃網(wǎng)在屋脊等突出地點(diǎn)為避雷作用，其施工方法如圖3a)所示，在低于女兒墻等地點(diǎn)為均壓作用，可以做成如圖3b)所示，這樣做可以為巡檢和檢修帶來很多便利。

1.2.3引下線

根據(jù)GB 50057—2010的要求，專設(shè)引下線不應(yīng)少于2根，并應(yīng)沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置，沿周長計(jì)算的間距不應(yīng)大于18 m。應(yīng)對稱布置的要求，200 kt/a聚酯裝置周長為130 m，因而專設(shè)引下線不應(yīng)少于8根。引下線斷接卡制作應(yīng)符合圖4的要求，以便于檢查通斷點(diǎn)。

圖3 接閃網(wǎng)施工方法示意

圖4 引下線斷接卡示意

1.3 建筑物避雷網(wǎng)維護(hù)要點(diǎn)

1.3.1接地導(dǎo)體的脫焊處理

很多接地設(shè)施要承受經(jīng)過設(shè)備的質(zhì)量，所以常常會出現(xiàn)接地導(dǎo)體(線)脫焊或者斷裂的情況，在恢復(fù)時要注意：

1)使用銅或者銅覆鋼材的接地導(dǎo)體(線)，應(yīng)采用放熱焊接的方式連接。當(dāng)接地導(dǎo)體(線)使用搭接焊接方式時，其搭接長度應(yīng)為扁鋼寬度的2倍或圓鋼直徑的6倍。當(dāng)扁鋼交叉焊接不能滿足“寬度的2倍”的要求時，應(yīng)增設(shè)斜支撐。

2)電氣裝置的每一個接地部分，應(yīng)用單獨(dú)的接地導(dǎo)體(線)與接地母線分別連接，嚴(yán)禁在一個接地導(dǎo)體(線)中串接幾個需要接地的部分。

1.3.2人工接地極的施工

在實(shí)際工作中，往往遇到某一接地點(diǎn)或者引下線斷開，且接地網(wǎng)又很難找到的情況，此時可以采用安裝人工鋼制垂直接地極的方式來恢復(fù)斷開點(diǎn)。人工鋼制垂直接地體的長度宜為2.5 m，采用DN50鋼管，為弱化相鄰接地體的屏蔽作用，其間距以及人工水平接地體的間距均宜為5 m，采用40 mm×4 mm扁鋼焊接，相應(yīng)的利用系數(shù)約為0.75～0.85。同時注意：人工接地體在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5 m，距離墻或者基礎(chǔ)不宜小于1 m，接地體宜遠(yuǎn)離因燒窯、煙道等高溫影響使土壤電阻率升高的地方。

當(dāng)施工地點(diǎn)受限制時可適當(dāng)減小，上述距離可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減小，但一般不小于垂直接地體的長度。

2 靜設(shè)備防雷接地

2.1 主要靜設(shè)備的接地

高度小于60 m的露天金屬儲罐，其壁厚不小于可作接閃器設(shè)備的金屬板最小厚度，見表2所列。罐體介質(zhì)易燃且罐頂呼吸閥裝有阻火器時，可將罐體作為接閃器，無需另裝接閃器。同時，必須做好罐體的接地措施，且接地點(diǎn)不得少于2處，接地點(diǎn)間距不大于30 m，每根引下線的沖擊接地電阻不應(yīng)大于30 Ω。當(dāng)罐體高度小于60 m且壁厚小于表2所列的最小值時，應(yīng)在罐頂裝設(shè)接閃器，使整個儲罐處于防雷保護(hù)范圍內(nèi)[3]。

表2 可作接閃器設(shè)備的金屬板最小厚度 mm

本文列出了聚酯某裝置的主要介質(zhì)儲罐特性，依據(jù)表2的要求，相關(guān)的主要靜設(shè)備材質(zhì)及接地做法見表3所列。當(dāng)超出建筑物頂部平面的設(shè)備為非金屬設(shè)備時，需在建筑物屋頂附設(shè)接閃桿作為接閃器，使非金屬設(shè)備處于接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi)，接閃桿的保護(hù)范圍應(yīng)符合二類建筑物放空管、排放裝置防雷設(shè)計(jì)的規(guī)定。

表3 主要靜設(shè)備材質(zhì)及接地做法

2.2 管道及橋架接地做法

聚酯裝置按照二類防雷建筑物設(shè)防，其管道輸送易燃易爆、有毒有害的介質(zhì)主要為乙二醇、氫化三聯(lián)本，管道和橋架的接地還應(yīng)該滿足以下要求：

1)建筑物內(nèi)的金屬設(shè)施，如設(shè)備、橋架、管道、構(gòu)架等，應(yīng)就近接至防雷裝置(LPS)或共用接地裝置上，以防靜電感應(yīng)。

2)除2區(qū)和22區(qū)爆炸危險(xiǎn)的建筑物外，建筑物內(nèi)平行敷設(shè)的長金屬物，如管道、構(gòu)架、電纜金屬外皮等，相互間凈距小于100 mm時，應(yīng)每隔不大于30 m用金屬線跨接；交叉凈距小于100 mm時，交叉處也應(yīng)用金屬線跨接。

3)建筑物內(nèi)防感應(yīng)電的接地干線與防雷裝置的連接不應(yīng)少于2處。

4)外墻的內(nèi)、外豎直敷設(shè)的金屬管道和金屬物，頂端和低端應(yīng)與防雷裝置等電位連接。

5)電纜橋架內(nèi)敷設(shè)25 mm×4 mm扁鋼或每段橋架有跨接線，整段橋架必須保證有兩個以上與接地網(wǎng)連接，較長的橋架每隔20 m設(shè)一個接地點(diǎn)與就近接地網(wǎng)連接。

2.3 腳手架防雷

200 kt/a聚酯裝置高度為30 m，在建設(shè)、外墻維護(hù)等工程施工過程中，需要搭設(shè)鋼腳手架，高度超過 20 m且不能被防雷設(shè)施保護(hù)的獨(dú)立腳手架，需要做防雷接地，其他室內(nèi)腳手架不需要做防雷考慮。

采用直徑不小于16 mm的圓鋼或截面積不小于160 mm2的扁鋼作為接地引下線時，上方直接焊接在接閃桿鋼管部200 mm范圍內(nèi)，下方與防雷集中接地裝置引出線連(焊)接，中間部分沿腳手架立管分段設(shè)固定卡，每隔3 m 固定一次。接閃桿和引下線焊接工作完成后，應(yīng)清除干凈焊渣，涂刷兩遍銀粉油漆進(jìn)行防腐。

2.4 突出屋面的金屬管道防雷

突出屋面的金屬管道符合GB 50057—2010的規(guī)定，沒有得到接閃器保護(hù)的屋頂孤立金屬物的尺寸沒有超過以下數(shù)值時可不要求附加的保護(hù)措施：高出屋頂平面不超過0.3 m，上層表面總面積不超過1.0 m2和上層表面的長度不超過2.0 m的應(yīng)與防雷裝置相連。屋面保護(hù)區(qū)如圖5所示。特別情況下，排放危險(xiǎn)爆炸氣體等的屋頂管道，且不在圖5的保護(hù)區(qū)域內(nèi)，需單獨(dú)設(shè)置接閃裝置，且設(shè)置要求符合該標(biāo)準(zhǔn)中第4.3.2條的相關(guān)規(guī)定和計(jì)算方法。

圖5 屋面保護(hù)區(qū)示意

3 低壓配電系統(tǒng)的接地要點(diǎn)

3.1 接地系統(tǒng)的選用

TN-C系統(tǒng)不設(shè)專用PE線，可節(jié)約有色金屬，但TN-C系統(tǒng)PEN線一旦斷裂后果較為嚴(yán)重，三相電源失去接地易至電擊傷害事故，電壓不平衡易燒毀單相用電設(shè)備；單相用電設(shè)備外殼會帶220 V的接觸電壓。所以，在使用TN-C系統(tǒng)時，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

TN-S與TN-C-S安全性一致。其一，對沒有變電所且為低壓供電的建筑物，采用TN-C-S系統(tǒng)較合理；其二，在設(shè)有變電所的建筑物內(nèi)TN-S系統(tǒng)是最佳且唯一的選擇。使用TN-S系統(tǒng)時需要注意：PE線和N線僅在進(jìn)線柜PEN分割點(diǎn)處連接，后續(xù)配電系統(tǒng)中PE線和N線嚴(yán)禁重復(fù)連接，一旦連接則變?yōu)門N-C系統(tǒng)，失去了TN-S系統(tǒng)的意義，漏電保護(hù)器就會誤動。且在A進(jìn)線柜和B進(jìn)線柜之間須將2根N線連接，避免倒閘過程中出現(xiàn)“斷零”現(xiàn)象[4]。

3.2 TN-C使用注意事項(xiàng)

目前，國產(chǎn)化聚酯生產(chǎn)線均采用TN-S系統(tǒng)，以前的某些進(jìn)口聚酯裝置采用TN-C系統(tǒng)。根據(jù)3.1節(jié)的論述，TN-C在安全性以及后續(xù)安全防護(hù)上存在較大問題，在具體工作過程中，可以采用以下兩個辦法進(jìn)行改進(jìn)：

1)利用停車檢修的機(jī)會，對TN-C系統(tǒng)進(jìn)行改造，在進(jìn)線柜中將PEN線分為PE線和N線，后續(xù)配電系統(tǒng)嚴(yán)格按照TN-S系統(tǒng)來接線。但是該方案材料和施工投入較多，且各個接地點(diǎn)排查不能面面俱到，可能會產(chǎn)生零線和地線混接的問題，不推薦使用。

2)將TN-C系統(tǒng)改造為TN-C-S系統(tǒng)，即在每個需要零線的開關(guān)元器件前進(jìn)行N線和PE線分離，且分離點(diǎn)不能在防爆區(qū)域內(nèi)，如圖6所示。

圖6 TN-C-S系統(tǒng)示意

另外，在TN-C系統(tǒng)中，要特別留意剩余電流裝置(RCD)的使用，其漏電保護(hù)器錯誤接法和正確接法如圖7所示。三相四線制的TN-C系統(tǒng)中，N線和PE線合用1根PEN線，故而工程實(shí)踐中常見到如圖7a)所示的錯誤接法——沒有將PEN線在漏電保護(hù)器前分開，一旦接地故障發(fā)生，故障電流同時穿過零序電流互感器的磁回路，漏電保護(hù)器失去保護(hù)作用。正確接法是在漏電保護(hù)器之前，將PEN線分成N線和PE線，且之后不能再連接，如圖7b)所示，也可采用局部TT系統(tǒng)進(jìn)行接線，如圖7c)所示。

圖7 TN-C系統(tǒng)漏電保護(hù)器錯誤接法和正確接法示意

3.3 UPS的接地

UPS是聚酯裝置的重要電氣設(shè)備，給DCS、儀表、電氣控制電源、事故照明等重要設(shè)備供電，其穩(wěn)定性的要求不言而喻。各UPS廠家對輸入端低壓市電電源的要求不同，出入不大。但UPS內(nèi)部輸出中性線的方式，輸入、輸出端的中性線是否聯(lián)通，對后續(xù)的供電系統(tǒng)有很大的影響，甚至?xí)绊懙绞褂?。特別是要求UPS實(shí)現(xiàn)對低壓市電系統(tǒng)隔離、凈化作用時，輸入、輸出端的中性線聯(lián)通將使UPS失去該作用。

GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[5]中第9.1.4條規(guī)定：不間斷電源輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線相連接，做重復(fù)接地。雖然該規(guī)范已經(jīng)修訂，但是此前的影響較深，需要引起重視。建議按照以下要求設(shè)計(jì)：

1)當(dāng)UPS僅有380 V負(fù)載時，其輸出回路宜采用IT系統(tǒng)，避免發(fā)生一個接地故障就跳閘的情況，保持了UPS和IT系統(tǒng)供電不間斷性高的共同特點(diǎn)。但在使用IT系統(tǒng)時，一定要注意安裝絕緣監(jiān)測器，以確保系統(tǒng)在第二次相對地故障時起到保護(hù)作用。

2)當(dāng)UPS有220 V負(fù)載時，為滿足其供電要求，其輸出回路宜采用TN-S系統(tǒng)，如圖8所示。特別要注意的是：旁路N線需要和UPS隔離變壓器的N線連接，避免在旁路切換的過程中出現(xiàn)“斷零”的現(xiàn)象。如果旁路N線和UPS隔離變壓器的N線未連接，則Q5N，1Q11，Q3BP，Q4S等開關(guān)需要用4極開關(guān)，零線經(jīng)過空開以保證旁路切換過程不出現(xiàn)“斷零”現(xiàn)象。

圖8 UPS接地系統(tǒng)原理示意

4 DCS接地要點(diǎn)

聚酯樓每個裝置都有5套以上的DCS，是工藝控制的“大腦”。DCS接地的正確性是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證，有研究文獻(xiàn)指出，DCS“死機(jī)”的元兇之一就是接地方式錯誤。很多文章探討了DCS的接地方式，甚至有技術(shù)人員對進(jìn)口DCS和國產(chǎn)DCS設(shè)備的接地方式進(jìn)行了區(qū)別比較，總體來說差別不大。隨著對接地的進(jìn)一步認(rèn)識，DCS接地的原則就是單點(diǎn)接地，如圖9所示。

除了單點(diǎn)接地的原則一定要遵守以外，DCS的接地要求，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1)圖9中的總工作地銅排、總保護(hù)銅排可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減，如接地設(shè)置了總邏輯地銅排，其接線方式與圖9一致，如接地系統(tǒng)沒有設(shè)置總工作地銅排或總保護(hù)銅排，則可接至總接地銅排后再接至地網(wǎng)。

2)新規(guī)范全面采用共用接地系統(tǒng)，完全摒棄儀表系統(tǒng)獨(dú)立接地的理念，滿足一般情況下4 Ω接地電阻的要求，明確接地電阻達(dá)到防電擊要求即可，不片面追求小于1 Ω。

3)孤立考慮設(shè)置單獨(dú)的DCS人工接地體，一味追求小于1 Ω的接地電阻，是過時且錯誤的理念。而且即便工頻狀態(tài)下可達(dá)到1 Ω的要求，在高頻信號下也未必能滿足。實(shí)踐證明，采用合適的等電位連接已逐漸成為更多DCS設(shè)計(jì)的主流。

圖9 DCS接地方式示意

5 儀表系統(tǒng)接地要點(diǎn)

5.1 防靜電措施

例如，熱電偶用的低頻、低電平模擬信號的電纜，屏蔽層須在最不平衡端或者電路自身接地處單點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地僅能防止靜電干擾。

5.2 防電磁感應(yīng)措施

5.2.1屏蔽層兩點(diǎn)接地

對于瞬態(tài)過電壓保護(hù)，需要信號線和電源線的屏蔽層在敷設(shè)路徑上多點(diǎn)接地，或至少在首尾兩點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地后，各接地點(diǎn)與屏蔽層之間形成回路，低頻干擾電流形成的電磁場會有部分穿過屏蔽層，在電纜芯與護(hù)套間出現(xiàn)低頻干擾。然而，這就與前文提到的單點(diǎn)接地有矛盾。解決該矛盾的有效辦法是采用穿金屬管或雙屏蔽層線路[6]。金屬管和外屏蔽層兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，內(nèi)屏蔽層一點(diǎn)接地，防雷原理如圖10所示。

圖10 雙屏蔽層兩點(diǎn)接地防雷原理示意

注意：利用金屬直線槽或穿金屬管作外屏蔽層時，必須保證槽與槽之間、管與管之間連接可靠，宜每隔30 m接地。

另外，在很多規(guī)范中提到利用建筑物的自然金屬部件與防雷裝置連接實(shí)現(xiàn)空間屏蔽，選用屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)屏蔽功能。

5.2.2合理布線

在GB 50343—2012 《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[7]和GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對規(guī)范布線提出了許多要求，例如：信號線線槽應(yīng)盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁布線；動力電纜與信號線應(yīng)分開敷設(shè)，不能共同敷設(shè)在一電纜橋架內(nèi)，隔離距離不小于0.5 m，在敷設(shè)過程中，注意盡量減少平行敷設(shè)的長度。

機(jī)房宜選擇在建筑物低層中心部位，其設(shè)備應(yīng)配置在LPZ1區(qū)之后的后續(xù)防雷區(qū)，并與相應(yīng)的雷電防護(hù)區(qū)屏蔽體及結(jié)構(gòu)柱留有一定的安全距離——也是合理布線的要求。

5.2.3網(wǎng)絡(luò)線防雷接地

對于網(wǎng)絡(luò)線、雙絞線一定要一點(diǎn)接地。網(wǎng)絡(luò)線兩點(diǎn)接地時，兩端接地點(diǎn)電位差在屏蔽層中產(chǎn)生電流，網(wǎng)絡(luò)線的屏蔽層是很薄的錫箔，電流可能燒毀屏蔽層和外層絕緣皮。雙絞線為增加連接的可靠性，有些單位雙絞線并聯(lián)使用，但該種接法使雙絞線失去抗干擾能力。

光纖本身不會感應(yīng)出過電壓。防雷主要針對其金屬護(hù)皮、內(nèi)部加強(qiáng)金屬線芯以及承載鋼索，這些金屬部位進(jìn)入設(shè)備前可靠接地，最好直埋進(jìn)入機(jī)房。

同軸電纜金屬外皮和金屬穿管應(yīng)接地；同軸電纜作天線饋線時應(yīng)加裝相應(yīng)的同軸電纜避雷器，頂端應(yīng)通過鐵塔接地，如天線饋線較長，在其中間應(yīng)每隔25 m左右與走線架或鐵塔相連。

6 結(jié)束語

所有設(shè)備的金屬外殼、電纜橋架、鍍鋅管等金屬材料等須接地。將一般不帶電的金屬物體作接地，即是安全用電的要求，也是屏蔽雷電感應(yīng)、實(shí)現(xiàn)等電位的重要方法。

接地匯集線一般設(shè)計(jì)成閉合環(huán)型，防止在開口處感應(yīng)出過電壓，并產(chǎn)生火花放電，材質(zhì)為銅材，各樓層的分匯集線應(yīng)直接連接樓底的總匯集線，確保單點(diǎn)接地。

本文以聚酯裝置為例，討論了工廠內(nèi)防雷和接地的一些問題，不能面面俱到，主要對一些經(jīng)常出現(xiàn)的且爭議的問題進(jìn)行了研究和匯總。能夠解決一般工廠內(nèi)的防直接雷、系統(tǒng)接地的相關(guān)疑問，對工程實(shí)踐有借鑒意義。