化工生产装置及构筑物等电位连接的作用

2014-03-27韩振起孙鹏李靖

中国新技术新产品 2014年11期

关键词：电位差欧姆雷电

韩振起孙鹏李靖

（1．天津市化工设计院，天津 300193；2．连云港沃利帕森工程技术有限公司，天津 300193）

化工生产装置及构筑物等电位连接的作用

韩振起1孙鹏2李靖2

（1．天津市化工设计院，天津 300193；2．连云港沃利帕森工程技术有限公司，天津 300193）

本文就化工企业等电位连接与雷电位反击的问题进行了论述，并提出了设计时应注意的问题和解决的方法。

雷电位反击；等电位连接；击穿反击；传导反击

一、概述

雷击是严重的自然灾害之一，为了避免化工生产装置内的工艺设备电气电信设备遭受雷电感应、直击雷、侧击雷、雷电波侵入等破坏，我们通常采用避雷带、避雷针等措施进行过保护。防雷设计在整个工程设计中所占的比重虽然很少，但雷击所造成的损失却无法轻视。由于雷电具有大电流、高电压和瞬时性的特点，强大的闪电产生电磁场、静电场、电磁辐射，以及地电位反击、雷电波侵入等。统称为雷电电磁脉冲LEMP，严重干扰各种电气电信设备的正常工作，且雷电磁脉冲在金属设备及构件间产生的电位差有可能产生电火花，从而给化工企业有气体爆炸危险的场所带来危害。这是防直击雷系统无法保证的。

等电位连接是电气防雷设计中重要设计部分，等电位连接可以有效地减小或者消除雷电反击的灾害，而雷电反击又是雷电灾害中比较严重的部分。不过，有些不恰当的等电位连接虽然可以去除某些雷电反击现象，但是又会导致另一种雷电反击现象，而在这一点上有些设计人员往往容易忽视。

二、两个基本概念

1 等电位连接

图1

等电位连接在《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的解释中是将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减少雷电流在它们之间产生的电位差。在《建筑物电子信息系统防雷设计规范》GB50343中的解释是设备和装备外露可导电部分的点位基本相等的电气连接。它们都说明了以下几点：（1）各导体间的等电位连接，包括暂态的等电位连接；（2）等电位连接的相对性，目的在于减小各导体之间的电位差。

2 雷电反击

雷电反击现象是当指雷电被接闪器接闪后，雷电流在泄放入大地的过程中在各个导体与接地体上产生的高电压或电位差对周边的其它导体产生的电击现象。雷电反击可分为两类，分别为击穿反击和传导反击。

三、雷电击穿反击和等电位连接

当雷电流通过防雷装置时，因为雷电流幅值大、引下线分布电感以及接地网接地电阻的存在会在防雷接地装置中产生高电压；而没有雷电流通过的导体上却无高电压产生，于是这两个导体之间就存在一个电位差，如果两者见距离达不到安全距离，就会出现击穿反击的现象。等电位连接就是使这两个导体之间的电位基本相等来防止击穿反击现象的产生。对于生产企业防雷而言，在进行等电位连接设计以及施工时，应主要做到以下两个方面：（1）建筑物基础及钢筋构件及大型金属物体的等电位连接。也就是将金属物体和建筑物内所有的导电物体如生产设备、金属储罐、管道、电梯轨道、吊车、电缆桥架以及大尺寸的导电物体都进行等电位连接；（2）线路上的等电位连接，由于线路上具有电位的存在，所以只能用SPD进行连接，实现暂态等电位连接。这些等电位连接都具有一个功能，那就是可以基本消除或减少雷击“击穿反击”现象带来的危害。综上所述，等电位连接就是为了消除或减少雷击“击穿反击”而采取的主要手段。

四、雷电传导反击和等电位连接

前文所述，等电位连接虽然可以消除或减少雷击“击穿反击”，但不恰当的等电位连接却可能导致雷电的传导击穿产生。

图2

1 第一类雷电传导反击现象的产生的原因和解决的方法：

如图1所示，在建筑物内，设备1以及设备2是在不同楼层的电子设备。S1和S2为设备间的通信线路接口，A、B两点为建筑柱内钢筋引下线上的不同楼层两点，G1，G2为建筑物公共接地，其阻值为Rg，当建筑物受到直击雷后，雷电流沿引下线进入大地。由于引下线AB段上分布电感和线电阻的原因，在引下线AB段上会产生一电位差△UAB,

上式中，L0为单位长度分布电感；R0为单位长度分布线电阻；h为AB之间的引下线的长度。

因为G1 和A点、G2 和B点等电位连接，所以G1，G2两设备工作接地电位不同。而这个电位差直接加于两设备通信接口之间，当雷击电流足够大，AB段距离足够长时，就将击坏两设备的通信接口，甚至可能会击坏两设备的电源接口。

综上所述，我们可以知道进行电子系统的等电位连接时，要注意避免产生这一类传导反击。解决的办法有：（1）将所有互联的电子信息系统设备设在低层中间位置，且尽量设在同一层，相临的金属设备及管道、构件应在同一地点与接地系统连接。（2）电子系统设备的工作接地和保护接地在进行等电位连接时，要与建筑内钢筋可靠相连或直接从总等电位连接排引线进行可靠连接，但是同时要注意雷电的击穿反击。如果有必要，采用带屏蔽引下线或独立避雷针。(3)防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地、网络信息及通讯设备的等接地，宜共用接地装置，其接地电阻应按其中接地电阻值要求最小值的接地电阻值确定。当各自单独设置接地装置时，油管、储罐、加气灌的防雷接地装置接地电阻、配线电缆金属外皮两端和保护钢管两端的接地电阻不应大于10欧姆，电气系统的工作和保护接地电阻不应大于4欧姆，地上油品、输油输气管道是末端或分支处的接地装置的接地电阻不应大于30欧姆。

2 第二类雷电传导反击现象的产生的原因和解决的方法：

如图2所示：某建筑物内的一电子设备，其保护接地和防雷接地共地，并且与外界有电源线路或信号线路相连接，线路的远端通过SPD1有效接地，设备接口阻抗为ZA，线路特征阻抗为ZC，雷电被防雷设施接闪后，接地电阻Rg上会产生高电压，而此高电压耦合到有接地电阻、设备线路接口阻抗所组成的回路中。其加在接口处的电压UA=IRg*ZA/(ZA+ZC+Rg)，如接有SPD，则反击电流近似计算为I1=IRg/( ZC +2rd+Rg1)，式中rd为氧化锌压敏电阻的导通电阻；Rg1为远端接地电阻。

通常情况下限压型SPD氧化锌压敏电阻的导通电阻rd约为0.05至0.2欧姆，而低压配电线路特征阻抗ZC约为5至10欧姆，如果设I=100KA，Rg= Rg1=4欧姆，取rd=0.1欧姆，ZC =7.5欧姆则I1=IRg/( ZC +2rd+Rg1)=100*103*4/（7.5+2*0.1+4）34.2KA则SPD的残压Ur=I1*rd=34.2KA*0.1=3.4KV，此电压足够将部分一、二类电气设备损坏。

综上所述，在设计和进行等电位连接时，要充分注意地电位反击问题和第二类雷电传导反击的问题。其解决方法有：（1）适当增加引下线的数量，以便减少接地电阻值降低反击电压；（2）当防雷接地和保护接地采用同一接地网时，SPD应尽量远离雷电流泄放点（大于10米）；（3）可以将SPD的接地网与防直击雷的接地网分开，但要注意接地网之间的雷电击穿反击。（4）化工厂、化工车间厂房等一般都含有危险品爆炸区域，为了防止和减少雷电及静电危害，保障石油化工企业的安全生产，在石油化工防雷接地设计中，贯彻预防为主的方针，采用场区做总体联合接地网，场内车间、厂房、办公楼等的单体接地分别接入场总体区联合接地网。场区内生产设备、大型储罐等具有金属外壳的设施均应接入总体区联合接地网。在爆炸危险区域出入口、放散口、加气机、加油机、大型储罐等附近还应分别设置防静电接地点位，做到技术先进、安全适用、经济合理。