空压机系统遭受闪电静电、电磁感应分析与防护

乔国林

【摘 要】空气压缩机是工厂动力系统中不可或缺的重要设备，为使之安全运行及保障人员安全，其雷电防护措施到位尤为重要，尤其要规避地位反击。文章以某工厂空压机群为例，分析空压机遭受感应雷磁场强度，计算所属配电柜、控制柜产生的感应过电压，从而阐明空压机系统产生雷电安全防范问题；通过空压机群地位反击分析，提出空压机信息系统免受雷电电磁脉冲干扰的完整、多层次防护措施；通过雷电防护等级划分，使空压机系统雷击风险评估得以实施，避免了空压机系统防雷工程实施盲目性，确保空压机系统的防雷更有效。

【关键词】电磁环境；接地；雷击风险；地位反击

【中图分类号】TH45 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）12-0061-04

0 引言

工厂各阶段生产工艺中大多都需要连续不断稳定地压缩空气，而此压缩空气是由空气压缩机这一生产设备提供的。空气压缩机运作过程如图1所示。

出于生产工艺的压缩气体压力稳定和供气需要，企业经常设置空压站，它是由多台大中型空气压缩机构成。大多数企业为了生存和发展，都建成了智能型的控制系统的空压机站，使企业空压机运行能耗降低，使生产工艺得以实现自动化或半自动化。

从（某工厂）控制楼将驱动电源和运作控制信号引至空压机群，其电气连接构成如图2所示。

总信号控制单元、电源驱动单元、电缆单元和空压机群皆为空压机系统的子单元。本文以某工厂空压机群为例，雷击造成该厂空气压缩机控制系统出现异常，具体表现为控制信号中断、失灵或失真等。很明显，静电感应或雷电波侵入可引起这种现象。从雷击的现象上看，厂房顶部无直接被雷击中的迹象，造成这次雷击事故是雷电流的侵入所造成的。该空压站内的多台空压机和其他辅助单元构成空压机系统，该空压站机房顶部未设避雷设施；机房内部有进出的架空的电缆线架及架空管道；空压机群设备有设备保护接地和控制器的逻辑接地，两接地均为单独接地形式。

从对该空压机系统遭受感应雷磁场强度进行分析，以及对所属配电柜、控制柜产生的感应过电压进行计算中，阐明空压机系统产生雷电安全防范问题。进而，通过雷击风险评估手段，使空压机系统防雷工程更具有明确性、针对性、有效性和经济合理性。

1 电磁环境参数计算和分析

1.1 空压机站建筑物内电磁环境

1.1.1 计算开路电压

1.1.2 计算空压机站建筑物内磁场强度

1.1.2.1 分析磁场强度

机房内磁场干扰强度[2]应不大于800 A/m，即实际中的磁场强度小于规定值。

1.1.2.2 分析磁感应

通过计算得B2=3.9 Gs，其值略大于规定。在无屏蔽状态下[5]，当环境磁场感应强度>0.07 Gs时，计算机会误动作；当环境磁场感应强度>2.4 Gs（191 A/m）时，设备会永久性损坏。

1.2 空压机站建筑物周围遭受雷击时其控制柜产生的感应过电压

雷云中的电荷积聚导致附近的导体感应相反的电荷，此种现象为静电感应，其感应静电压往往可达到几百千伏。凸出物顶部的感应电荷是在雷云与其他部位放电后失去束缚，并沿着导体释放通道流动，表现出电路中的电脉冲。

雷电流值以Im（kA）表示。大多数情况下，Im≤100 kA，在此取50 kA；假定空压机站建筑物直击雷防护措施缺乏，其附近遭受雷击时，空压机站建筑物内控制室柜产生的感应过电压，空压机附属设备平均高度以hdp表示，取值为3 m；直接雷击点距物体的距离以S表示，取值为65 m。若S值不大，雷云直接对线路放电就会产生，其产生的电压是直击雷电压[3]，而非感应过电压。

静电产生的电位计算公式[3]如下：

从该计算结果可以看出，静电感应产生的电位可达几十千伏。1.5 kV为电子信息设备需要保护的限值，故空压机站建筑物外部到位的防雷措施是不可或缺的。

2 雷电防护等级划分

借助如上电磁参数的计算和分析，确定划分空压机系统雷电防护等级所需的部分参数。雷击电磁脉冲和直击雷造成损坏可接受年平均最大雷击次数：NC=5.8×10-1/5.7=0.101 75。该空压机站建筑物长30 m，宽8 m，高8 m；土壤电阻率取值为110 Ω·m。

建筑物及入户设施年预计雷击次数（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

当N>NC时[4]，雷电防护装置应具备。

（防雷装置）拦截效率：

根据如上数据判断，该空压机系统雷电防护等级为A级[4]。故对该空压机系统的雷电防护，应采取最高级别的设计和施工。

3 雷电反击

强大的雷击电流先通过接闪器，后经过引下线路、接地装置，最后泄入大地，这样便使地电位升高。

图3 A点的电位uA如下：

公式（1）中：接地装置上产生的电阻压降（电位的电阻分量）以uR表示，单位为kV；忽略不计引下线电阻，引下线h段长度上产生的电感压降（电位的电感分量）以uL表示，单位为kV；接地裝置的冲击接地电阻以Rch表示，单位为Ω。A点到地面h段高度的引下线的电感以L表示，单位为μH。令L0为引下线单位长度电感（μH/m），通常每米约1.3 μH，L=hL0。

计算公式（1）求出：

uA=150Rch+75hkV（2）

假如接地电阻为4Ω，引下线有20根（包括内钢筋柱体），每根引下线通过雷电流为7.5 kA，则地电位（h=0）则达30 kV。在设备或各类管线靠近的情况，高地电位便可形成于设备或管线。

高压技术[3]实测数据阐明，700 kV/m约为雷电压电感分量对空气间隙的击穿强度，500 kV/m约为雷电压的电阻分量对空气间隙的击穿强度，则放电瞬间对被保护对象不发生反击的最小空气间距Sk：

Sk≥0.3Rch+0.12h（3）

对单端接地式避雷线和避雷针：

Sd≥0.3Rch（m），通常Sd不应小于3 m。假定Rch=4Ω，h=20 m，根据公式（3）算得Sk≥3.6 m。

通常防雷接地与电气接地都是分设的。场地的限制一般很难达到安全距离要求。出于防止雷电电磁脉冲的信息系统干扰，必须完整和多层次地实施接地、屏蔽、电涌保护器、布线等工程，才能确保空压机信息系统的安全运行及作业人身安全。

4 该空压机系统的问题分析与雷电防护

4.1 遭受雷击问题和防护

遭受雷击途径：①该空压机站建筑物直接引雷；②遭受直击雷的袭击点在空压机站建筑物附近，而后将雷电波传送空压机。

问题：该空压站内由5台空压机构成空压机群，而站房顶部未设立接闪带等避雷措施。

根据：依据相应规定[1]，各类防雷建筑物应设防直击雷的外部防雷装置。

后果：该空压机站建筑物内金属装置或线路受到闪电静电、电磁感应的严重影响。

措施：直击雷的防护措施采用的是接地装置且选择铸铜棒；（结构式）引下线为4×40 mm镀锌扁钢；接闪器选择5 m×5 m网格，4×25 mm镀锌扁钢。接闪器网格实施工程如图4所示。

4.2 采用B型接地网设计

采用B型接地网设计，可以实现均流作用。将设计的人工接地与原来的设备接地体连接，实现部分公用接地。工程原理如图5所示。

4.3 雷电波防护设计

4.3.1 电源电涌保护器

上述已阐明该空压机系统雷电防护等级为A级，作为第一级保护的电涌保护器要求标称放电电流≥40 kA；在UPS机柜处，设置作为第二级保护的电涌保护器要求标称放电电流≥20 kA（如图6所示）。

4.3.2 信号电涌保护器

根据该空压机系统的网线走向分散的特点，设置SI-024TR1信号型电涌保护器于交换机接口RS485处。原理如图7所示。

4.4 两个独立接地间的地电位反击

4.4.1 地電位反击分析

空压机系统遭受雷击可由直击雷引起，也可能是雷电击在附近的架空金属管道上，雷电流经架空管道引入室内。由于进入室内的架空管道与空压站内空压机的外壳、仪表控制盘的外壳相连，使空压机的外壳、仪表控制盘的电位升高（Ug=R×Ig）。而仪表控制盘的逻辑接地为单独接地，其电位为0 V，使仪表控制盘的外壳与站内的电子设备之间产生较高的电位差，造成感应与反击现象。空压机系统遭受雷击事故的根本原因是该空压站内的接地形式不合理造成，即保护接地与逻辑接地形成地位反击。

4.4.2 地电位反击防范措施

对于独立接地系统，雷击发生时，瞬间极高电位差产生于2个地线系统间。这可能对电子设备及人身造成危害。基于等电位的思想，地极保护器安装于2个独立地线之间，即发生雷击时地极保护器在纳秒内导通，使2个接地线间电位均衡，而规避地电位反击；正常情况下，2个独立接地系统互不干扰。原理及实施如图8所示。

5 结语

本文以空压机系统遭受雷电袭击案例，建立在相应的电磁参数计算和定量的分析、雷电防护等级划分、地位反击分析，以及雷击风险评估之上的空压机系统雷电防护工程设计，更能体现科学性、严谨性、操作性和普遍性。同时，本文介绍了关于工业设备中经常存在的各自独立接地系统而要求规避地位反击的解决办法和工程实例，这对于近似雷电防护工程具有实用的参考价值。

参 考 文 献

[1]GB 50057—2010，建筑物防雷设计规范[S].

[2]GB/T 2887—2011，电子计算机场地通用规范[S].

[3]耿毅.工业企业供电[M].北京：冶金工业出版社，1988.

[4]GB 50343—2012，建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[5]GB 21431—2015，建筑物防雷装置检测技术规范[S].

[责任编辑：钟声贤]