浪涌保護(hù)器在化學(xué)工業(yè)上的應(yīng)用

亓瀟(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

化工企業(yè)的裝置體系內(nèi)容物大多存在易燃易爆的特點(diǎn)，且設(shè)備規(guī)模大，露天存放，自動化的化工設(shè)備還安裝有大量的計(jì)算機(jī)電子儀器，很容易成為雷擊的對象。在目前的石油化工行業(yè)中，合理防范雷電災(zāi)害十分重要，如何保護(hù)化工企業(yè)設(shè)備、提高設(shè)備可靠性則是安全生產(chǎn)的重中之重。

1 雷電及其危害

1.1 雷電的定義以及產(chǎn)生的條件

雷電是伴有閃電和雷鳴的放電現(xiàn)象。雷雨云中因富含水汽的大氣急劇運(yùn)動形成極性各異的電荷，為雷電的產(chǎn)生積蓄條件。熱雷電是夏天經(jīng)常發(fā)生的一種雷電，常伴有暴雨或冰雹。強(qiáng)大的冷暖氣流共同侵入時(shí)，冷暖空氣觸碰的鋒面區(qū)域就會產(chǎn)生冷鋒雷電。地形雷電一般出現(xiàn)于地形空曠地區(qū)，它的規(guī)模相對較小，但出現(xiàn)頻率較高[1]。

雷電常出現(xiàn)在礦山、河流，森林或者地質(zhì)斷層地帶處、附近有廣闊水域的山坡、高且孤立的山頂、孤立的塔樓或者電線、高聳的建筑群及保護(hù)接地裝置附近。

1.2 雷電的危害

中國是發(fā)生雷電自然災(zāi)害較多的國家之一。其中，廣東省的東莞市是雷電受災(zāi)最嚴(yán)重地區(qū)區(qū)之一，雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失比例可達(dá)在當(dāng)季(夏季，5—8月)GDP的6%左右，每年雷電傷人事故也屢見不鮮。

2 雷擊對化工企業(yè)的危害

雷電發(fā)生時(shí)瞬間產(chǎn)生劇烈的物理現(xiàn)象，會對化工企業(yè)的生產(chǎn)造成一系列危害。

(1)熱損傷危害：雷擊會導(dǎo)致化工生產(chǎn)設(shè)備周圍的空氣產(chǎn)生溫度極高的熱現(xiàn)象，導(dǎo)致電力導(dǎo)線融化或者斷開，引起短路等電力故障，造成火災(zāi)或者爆炸；

(2)強(qiáng)靜電危害：化工企業(yè)金屬設(shè)備較多，受到雷擊時(shí)會產(chǎn)生大量的與雷電性質(zhì)相反的電荷，電荷之間產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓極高，會導(dǎo)致巨大的電火花，擊穿空氣間隙引起火災(zāi)或者爆炸；

(3)電磁感應(yīng)危害：雷電電流會在雷擊點(diǎn)周圍產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的交變磁場，使化工設(shè)備導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)強(qiáng)電流，引起導(dǎo)線過熱融化或者產(chǎn)生放電，引發(fā)次生災(zāi)害；

(4)對控制系統(tǒng)的干擾危害：雷電形成的磁場或者電流會嚴(yán)重干擾化工企業(yè)控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)，損壞電子元件或者線路，出現(xiàn)控制系統(tǒng)失控或者錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

在實(shí)際的工作中，出現(xiàn)過很多化工企業(yè)遭受雷擊從而導(dǎo)致設(shè)備損壞、油庫燃燒、爆炸等后果嚴(yán)重的雷擊現(xiàn)象。化工企業(yè)積極進(jìn)行防雷檢測具有重要的意義[2]。

快節(jié)奏的生活使人們不再滿足于傳統(tǒng)旅行的低效率，一方面人們希望在出門之前就能對旅游相關(guān)知識及信息有一個(gè)全面的了解并且可以享受到各種快捷方便的服務(wù)，另一方面旅游企業(yè)需要及時(shí)地向旅游顧客群提供豐富的旅游景點(diǎn)信息，了解客戶的需求進(jìn)而提供相應(yīng)的服務(wù)[1]。

3 防雷的措施

雷電雖然屬于嚴(yán)重的自然災(zāi)害，但在實(shí)踐中可防、可控。我國相關(guān)部門針對工業(yè)防雷措施所制定的安全標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB 50057—2010 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50343—2012 《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》、GB 50156—2012 《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》、GB 50074—2014 《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 15599—2009 《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》、GB 50156—2002 《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》等。

除了根據(jù)以上安全規(guī)范要求采取有效措施外，加裝電涌保護(hù)裝置也必要的安全措施。比如，石油庫和加油加氣站內(nèi)信息系統(tǒng)的配電線路首、末端需與電子器件連接時(shí)，裝設(shè)與電子器件耐壓水平相適應(yīng)的過電壓保護(hù)(電涌保護(hù))器，可以確保相關(guān)設(shè)施避免遭受雷電的破壞性襲擊。

4 浪涌電流與電涌保護(hù)措施

4.1 浪涌電流

“浪涌電流”是在雷擊災(zāi)害中出現(xiàn)的特殊電學(xué)現(xiàn)象。如上所述，雷擊產(chǎn)生的強(qiáng)電磁現(xiàn)象和靜電效應(yīng)，會在建筑物的避雷導(dǎo)體內(nèi)形成巨大的電流和電勢。如果外界的電線遭雷擊，該電線上也會形成巨大的電勢。該電流和電勢都會在建筑物中的設(shè)備電纜上感應(yīng)出有害電壓并進(jìn)而形成浪涌電流。雷擊時(shí)空中的雷電將產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，將在掛空電線上感應(yīng)出強(qiáng)大的有害電壓。如果該電線與建筑物內(nèi)設(shè)備相連，浪涌電流將直接對設(shè)備形成威脅。雷擊導(dǎo)致附近的地電勢急劇升高。當(dāng)兩座建筑物所在的地電勢存在差異時(shí)，浪涌電流就會尋求最低電阻的通路。由于電纜的電阻經(jīng)常小于土壤的電阻，所以浪涌電流總是試圖通過兩座建筑物間的電纜從高電勢區(qū)流向低電勢區(qū)，進(jìn)而對建筑物和設(shè)備產(chǎn)生巨大的安全威脅。

4.2 接閃分流防雷

接閃分流是指利用接閃桿、接閃帶等外部裝置進(jìn)行防雷，直接將可能對化工建筑造成危害的雷擊截獲并導(dǎo)入地下，從而保護(hù)建筑物和其他化工設(shè)備的安全。采用高架接地的金屬導(dǎo)體，如：建筑物金屬圍欄、避雷帶(網(wǎng))、避雷針、金屬鋼架結(jié)構(gòu)等，安裝在建筑物上部或者旁邊，使建構(gòu)筑物免受直擊雷擊的破壞。在工業(yè)外塔、儲罐和大型機(jī)組廠房等建筑物，無論是否裝有接閃器，也要考慮其分流問題，應(yīng)盡量多布置一些引線及接地點(diǎn)。

4.3 等電位連接防雷

產(chǎn)生雷電的根本原因是不同物體間電位差。要想避免雷擊的發(fā)生，最根本的方法就是消除電位差。在工業(yè)生產(chǎn)中，我們對電源線、金屬管道和信號電纜等容易遭受雷擊的設(shè)備均進(jìn)行等電位連接處理。將保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備與電位連接，最終鏈接至母排，達(dá)到防雷的目的。

4.4 浪涌保護(hù)器SPD防雷

相對于接閃分流防雷、等電位連接防雷，浪涌保護(hù)器防雷的效果更好。浪涌保護(hù)器的防雷原理是當(dāng)電纜或者電子設(shè)備中產(chǎn)生過電壓的瞬間，保護(hù)設(shè)備和電路，將將雷擊帶來的瞬間過電壓限制在電纜和設(shè)備要求的安全范圍之內(nèi)。SPD浪涌保護(hù)器按工作原理分為限壓型、電壓開關(guān)型和組合型；從類型上可分為電源SPD、信號SPD和饋線SPD。

對于工業(yè)來說，一般選用組合式的多級SPD進(jìn)行防雷，安裝在建筑物各防雷分區(qū)的交界區(qū)域。0區(qū)和1區(qū)的交界處除進(jìn)線處的配電箱，還包含建筑頂層因面積過大導(dǎo)致接閃裝置不能全面保護(hù)覆蓋到的配電箱，這兩處均需安裝SPD進(jìn)行防護(hù)。

5 浪涌保護(hù)器在工業(yè)上的應(yīng)用

為了規(guī)避浪涌對設(shè)備的影響，主要生產(chǎn)、作業(yè)區(qū)存在著各類危險(xiǎn)場所，現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，這些場所內(nèi)在不同程度上分布有各種有毒、腐蝕性，甚至是易燃易爆的氣、液體。如何選用適合的保護(hù)方案，對這些處于復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行保護(hù)一直是該領(lǐng)域里的一大難點(diǎn)。

浪涌保護(hù)器常常被人們稱為“避雷器”和“防雷器”，是防雷裝置的重要組成部分。浪涌保護(hù)器至少包括一個(gè)非線性電壓限制元件，此元器件主要由壓敏電阻、充氣放電管、抑制二極管、放電間隙、扼流線圈等五個(gè)部分組成。

信號線路SPD一般安裝在信號傳輸線路中，實(shí)際為信號的避雷器。浪涌保護(hù)器的選用一般要考慮到以下幾點(diǎn)：(1)在雷電或瞬間強(qiáng)電流威脅的區(qū)域使用；(2)在不宜維護(hù)或難于接近的區(qū)域使用；(3)在廠區(qū)控制和操作的關(guān)鍵部位使用；(4)在貴重的儀表設(shè)備上使用。

5.1 電源浪涌保護(hù)器的選型

浪涌保護(hù)器是限制瞬態(tài)過電壓的保護(hù)設(shè)備，是內(nèi)部防雷裝置的重要組成部分，對電源浪涌保護(hù)器、信號浪涌保護(hù)器進(jìn)行合理選型、合理配置，是確保有效的應(yīng)用最重要的環(huán)節(jié)。

(1)建筑物的交流供電回路，在回路的配電接線箱中LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)交界處設(shè)立浪涌保護(hù)器作為一級保護(hù)；在供電分配箱處可以設(shè)置二級浪涌保護(hù)器，如果后續(xù)有機(jī)柜或者卡件等重要設(shè)備，在界面處可以設(shè)置第三級或者第四級的保護(hù)。使用直流電源的供電回路，建議安裝合適的直流電源回路專用浪涌保護(hù)器。

(2)配置多少級的浪涌保護(hù)器應(yīng)該充分的考慮電纜長度，額定沖擊電壓、額定沖擊電流以及浪涌保護(hù)器間的距離等因素。應(yīng)該確保每一級浪涌保護(hù)器都可以承受計(jì)算的放電電壓及電流，并留有余量。

(3)如果條件允許，可以考慮浪涌保護(hù)器配置過電壓或電流保護(hù)顯示功能，以便維護(hù)人員更好的發(fā)現(xiàn)和解決問題。

(4)電源線路浪涌保護(hù)器安裝位置與被保護(hù)設(shè)備之間的線路長度大于10 m。

(5)浪涌保護(hù)器和被保護(hù)設(shè)備的電纜長度如果大于要求值，應(yīng)在被保護(hù)設(shè)備和供電接線箱位置分別配置浪涌保護(hù)器。但是如果在回路上配置了多個(gè)浪涌保護(hù)器時(shí)，則需務(wù)必考慮其容量及匹配度，否則盲目的增設(shè)浪涌保護(hù)器不但沒有解決問題，反而造成了隱患。

5.2 信號浪涌保護(hù)器的選型

根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的類型，信號浪涌保護(hù)器主要分為電話信號浪涌保護(hù)器、網(wǎng)絡(luò)信號浪涌保護(hù)器、視頻監(jiān)控信號浪涌保護(hù)器、控制信號浪涌保護(hù)器等。選擇損耗較小，電容的分布相對較小，信號擾動數(shù)據(jù)合適的產(chǎn)品為宜。建議將浪涌保護(hù)器配置于雷電防護(hù)區(qū)界面處，務(wù)必合理設(shè)置浪涌保護(hù)器的級數(shù)，如果只配置了單級的浪涌保護(hù)器，雷電產(chǎn)生的電壓和電流超過了浪涌保護(hù)器的承受能力，即使安裝了浪涌保護(hù)器，也無法起到保護(hù)的作用。

即使已經(jīng)安裝了避雷針，也需要使用浪涌保護(hù)器。這是因?yàn)榘惭b了避雷針等外部防雷裝置，只是針對直擊雷做了防護(hù)，不能防止雷電波侵入建筑內(nèi)部造成設(shè)備損壞。建筑物內(nèi)部的各種電子、電氣回路等都需要浪涌保護(hù)器來限制電氣回路、通信線路中的浪涌。

即使沒有遭受過雷擊的地區(qū)，也建議安裝浪涌保護(hù)器，因?yàn)樵馐芾讚羰歉怕实膯栴}，如果沒有做全面的雷電防護(hù)，建筑物就會有雷擊隱患，一旦遭受雷擊就會造成人員傷亡和設(shè)備損壞。同時(shí)，雷擊并非產(chǎn)生電氣回路、通訊線路等中浪涌的唯一原因。任何電子設(shè)備線路由于受到靜電電磁感應(yīng)、大功率用電設(shè)備等的干擾都有不同峰值的浪涌，安裝浪涌保護(hù)器能夠有效地應(yīng)對其他電磁訊號異常，保護(hù)設(shè)備、提高設(shè)備的使用壽命。

工業(yè)上我們選用了浪涌保護(hù)器主要對以下設(shè)備或元器件進(jìn)行了保護(hù)：(1)保護(hù)控制室內(nèi)的配電系統(tǒng)，如主電源線，UPS，穩(wěn)壓電源等；(2)保護(hù)控制室內(nèi)的自控設(shè)備，如PLC/DCS的I/O卡；(3)保護(hù)現(xiàn)場儀表，如變送器、閥門定位器、電磁閥等。

5.3 信號浪涌保護(hù)器的檢測

當(dāng)工廠選用了合適的浪涌保護(hù)器并進(jìn)行長周期應(yīng)用時(shí)，如何確認(rèn)在用的浪涌保護(hù)器是否有效是需要進(jìn)一步研究問題。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前并沒有切實(shí)的手段可以通過儀表日常維護(hù)來檢測判定浪涌保護(hù)器的功能是否可靠。驗(yàn)證浪涌保護(hù)器的有效性，需要廠家專用設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室的支持，儀器設(shè)備檢測也相對繁瑣。根據(jù)對浪涌保護(hù)器的使用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)對關(guān)鍵聯(lián)鎖設(shè)備及控制回路采取定期更換浪涌保護(hù)器的策略，將替換下的浪涌保護(hù)器進(jìn)行檢測，要求廠家提供檢測報(bào)告，檢測合格的浪涌保護(hù)器作為備件用于不參與控制和聯(lián)鎖或者重要程度較低的設(shè)備中；對于位于空曠地帶或高處位置的浪涌保護(hù)器，則采用定期更換策略(更換周期可以考慮在雷雨季節(jié)之后)，采用比例抽查的方案更換以保證其可靠性。

6 結(jié)語

綜上所述，本文著重對雷電的形成、雷電災(zāi)害對化工行業(yè)的危害、防雷的措施、浪涌保護(hù)器的工作機(jī)理及選用進(jìn)行了闡述。工業(yè)企業(yè)防雷水平和效果的高低，關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)安全，關(guān)系著全體員工的切身利益。政府管理部門和企業(yè)的管理層必須高度重視防雷電損害，加大電涌保護(hù)防雷措施的應(yīng)用，努力提高企業(yè)的防雷效能，保障我國工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。