聚酯装置防雷与接地主要问题探讨

2022-06-06吴朝祥

石油化工自动化 2022年2期

关键词：桥架聚酯屏蔽

吴朝祥

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900)

聚酯装置虽然在中国投产运行了40余年，但是在厂内建筑物和设备的防雷接地方面依旧有许多的争论和疑问，本文结合相关规范对聚酯装置防雷接地的一些争论进行梳理和解释，不能面面俱到，主要针对常见的问题，对实际操作有所帮助。

1 聚酯楼防雷设计

1.1 聚酯楼防雷等级判定

结合某公司产能200 kt/a的聚酯装置，分析聚酯楼的防雷等级，建筑物尺寸约为35 m×30 m×30 m(长×宽×高)，该生产装置具有以下特征：

1)具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者。

2)具有2区或者22区爆炸危险场所的建筑物。

3)聚酯装置主要危险场所和危险介质分布见表1所列。

表1 200 kt/a聚酯装置危险场所划分

综上所述，依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]，该聚酯装置属第二类防雷建筑物，因此防雷设施按第二类设防。

1.2 聚酯楼防雷注意要点

1.2.1接闪网的设置

由于接闪网安装在楼顶，且较为密集，聚酯生产线的楼顶一般都有热媒蒸发器、空冷器等设备，使设备维护和岗位操作人员在工作中时常感觉不方便，因此接闪网的设置成为争议问题。接闪带示意如图1所示，当女儿墙上接闪带的距离S满足式(1)的要求时[1]，屋面可不敷设接闪网。

(1)

式中：hr——二类防雷建筑物滚球半径，取45 m；d——女儿墙沿屋面宽度方向的接闪带间距，取30 m。

图1 接闪带示意

1.2.2接闪网的安装

接闪网的安装，预制混凝土支座是主要安装内容之一，如图2所示，由于混凝土支座中部分扁钢是隐蔽工程，在开模制作初期要特别注意，防止混凝土固化后扁钢设置不符合要求出现大面积返工。

图2 预制混凝土支座结构示意

二类防雷建筑物的接闪网网格尺寸，应不大于10 m×10 m或12 m×8 m，接闪网施工方法如图3所示。依据99D501-1《建筑物防雷设施安装》[2]和尖端放电原理，接闪网在屋脊等突出地点为避雷作用，其施工方法如图3a)所示，在低于女儿墙等地点为均压作用，可以做成如图3b)所示，这样做可以为巡检和检修带来很多便利。

1.2.3引下线

根据GB 50057—2010的要求，专设引下线不应少于2根，并应沿建筑物四周和内庭院四周均匀对称布置，沿周长计算的间距不应大于18 m。应对称布置的要求，200 kt/a聚酯装置周长为130 m，因而专设引下线不应少于8根。引下线断接卡制作应符合图4的要求，以便于检查通断点。

图3 接闪网施工方法示意

图4 引下线断接卡示意

1.3 建筑物避雷网维护要点

1.3.1接地导体的脱焊处理

很多接地设施要承受经过设备的质量，所以常常会出现接地导体(线)脱焊或者断裂的情况，在恢复时要注意：

1)使用铜或者铜覆钢材的接地导体(线)，应采用放热焊接的方式连接。当接地导体(线)使用搭接焊接方式时，其搭接长度应为扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。当扁钢交叉焊接不能满足“宽度的2倍”的要求时，应增设斜支撑。

2)电气装置的每一个接地部分，应用单独的接地导体(线)与接地母线分别连接，严禁在一个接地导体(线)中串接几个需要接地的部分。

1.3.2人工接地极的施工

在实际工作中，往往遇到某一接地点或者引下线断开，且接地网又很难找到的情况，此时可以采用安装人工钢制垂直接地极的方式来恢复断开点。人工钢制垂直接地体的长度宜为2.5 m，采用DN50钢管，为弱化相邻接地体的屏蔽作用，其间距以及人工水平接地体的间距均宜为5 m，采用40 mm×4 mm扁钢焊接，相应的利用系数约为0.75～0.85。同时注意：人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5 m，距离墙或者基础不宜小于1 m，接地体宜远离因烧窑、烟道等高温影响使土壤电阻率升高的地方。

当施工地点受限制时可适当减小，上述距离可以根据实际情况适当减小，但一般不小于垂直接地体的长度。

2 静设备防雷接地

2.1 主要静设备的接地

高度小于60 m的露天金属储罐，其壁厚不小于可作接闪器设备的金属板最小厚度，见表2所列。罐体介质易燃且罐顶呼吸阀装有阻火器时，可将罐体作为接闪器，无需另装接闪器。同时，必须做好罐体的接地措施，且接地点不得少于2处，接地点间距不大于30 m，每根引下线的冲击接地电阻不应大于30 Ω。当罐体高度小于60 m且壁厚小于表2所列的最小值时，应在罐顶装设接闪器，使整个储罐处于防雷保护范围内[3]。

表2 可作接闪器设备的金属板最小厚度 mm

本文列出了聚酯某装置的主要介质储罐特性，依据表2的要求，相关的主要静设备材质及接地做法见表3所列。当超出建筑物顶部平面的设备为非金属设备时，需在建筑物屋顶附设接闪杆作为接闪器，使非金属设备处于接闪杆的保护范围内，接闪杆的保护范围应符合二类建筑物放空管、排放装置防雷设计的规定。

表3 主要静设备材质及接地做法

2.2 管道及桥架接地做法

聚酯装置按照二类防雷建筑物设防，其管道输送易燃易爆、有毒有害的介质主要为乙二醇、氢化三联本，管道和桥架的接地还应该满足以下要求：

1)建筑物内的金属设施，如设备、桥架、管道、构架等，应就近接至防雷装置(LPS)或共用接地装置上，以防静电感应。

2)除2区和22区爆炸危险的建筑物外，建筑物内平行敷设的长金属物，如管道、构架、电缆金属外皮等，相互间净距小于100 mm时，应每隔不大于30 m用金属线跨接；交叉净距小于100 mm时，交叉处也应用金属线跨接。

3)建筑物内防感应电的接地干线与防雷装置的连接不应少于2处。

4)外墙的内、外竖直敷设的金属管道和金属物，顶端和低端应与防雷装置等电位连接。

5)电缆桥架内敷设25 mm×4 mm扁钢或每段桥架有跨接线，整段桥架必须保证有两个以上与接地网连接，较长的桥架每隔20 m设一个接地点与就近接地网连接。

2.3 脚手架防雷

200 kt/a聚酯装置高度为30 m，在建设、外墙维护等工程施工过程中，需要搭设钢脚手架，高度超过 20 m且不能被防雷设施保护的独立脚手架，需要做防雷接地，其他室内脚手架不需要做防雷考虑。

采用直径不小于16 mm的圆钢或截面积不小于160 mm2的扁钢作为接地引下线时，上方直接焊接在接闪杆钢管部200 mm范围内，下方与防雷集中接地装置引出线连(焊)接，中间部分沿脚手架立管分段设固定卡，每隔3 m 固定一次。接闪杆和引下线焊接工作完成后，应清除干净焊渣，涂刷两遍银粉油漆进行防腐。

2.4 突出屋面的金属管道防雷

突出屋面的金属管道符合GB 50057—2010的规定，没有得到接闪器保护的屋顶孤立金属物的尺寸没有超过以下数值时可不要求附加的保护措施：高出屋顶平面不超过0.3 m，上层表面总面积不超过1.0 m2和上层表面的长度不超过2.0 m的应与防雷装置相连。屋面保护区如图5所示。特别情况下，排放危险爆炸气体等的屋顶管道，且不在图5的保护区域内，需单独设置接闪装置，且设置要求符合该标准中第4.3.2条的相关规定和计算方法。

图5 屋面保护区示意

3 低压配电系统的接地要点

3.1 接地系统的选用

TN-C系统不设专用PE线，可节约有色金属，但TN-C系统PEN线一旦断裂后果较为严重，三相电源失去接地易至电击伤害事故，电压不平衡易烧毁单相用电设备；单相用电设备外壳会带220 V的接触电压。所以，在使用TN-C系统时，应谨慎考虑。

TN-S与TN-C-S安全性一致。其一，对没有变电所且为低压供电的建筑物，采用TN-C-S系统较合理；其二，在设有变电所的建筑物内TN-S系统是最佳且唯一的选择。使用TN-S系统时需要注意：PE线和N线仅在进线柜PEN分割点处连接，后续配电系统中PE线和N线严禁重复连接，一旦连接则变为TN-C系统，失去了TN-S系统的意义，漏电保护器就会误动。且在A进线柜和B进线柜之间须将2根N线连接，避免倒闸过程中出现“断零”现象[4]。

3.2 TN-C使用注意事项

目前，国产化聚酯生产线均采用TN-S系统，以前的某些进口聚酯装置采用TN-C系统。根据3.1节的论述，TN-C在安全性以及后续安全防护上存在较大问题，在具体工作过程中，可以采用以下两个办法进行改进：

1)利用停车检修的机会，对TN-C系统进行改造，在进线柜中将PEN线分为PE线和N线，后续配电系统严格按照TN-S系统来接线。但是该方案材料和施工投入较多，且各个接地点排查不能面面俱到，可能会产生零线和地线混接的问题，不推荐使用。

2)将TN-C系统改造为TN-C-S系统，即在每个需要零线的开关元器件前进行N线和PE线分离，且分离点不能在防爆区域内，如图6所示。

图6 TN-C-S系统示意

另外，在TN-C系统中，要特别留意剩余电流装置(RCD)的使用，其漏电保护器错误接法和正确接法如图7所示。三相四线制的TN-C系统中，N线和PE线合用1根PEN线，故而工程实践中常见到如图7a)所示的错误接法——没有将PEN线在漏电保护器前分开，一旦接地故障发生，故障电流同时穿过零序电流互感器的磁回路，漏电保护器失去保护作用。正确接法是在漏电保护器之前，将PEN线分成N线和PE线，且之后不能再连接，如图7b)所示，也可采用局部TT系统进行接线，如图7c)所示。

图7 TN-C系统漏电保护器错误接法和正确接法示意

3.3 UPS的接地

UPS是聚酯装置的重要电气设备，给DCS、仪表、电气控制电源、事故照明等重要设备供电，其稳定性的要求不言而喻。各UPS厂家对输入端低压市电电源的要求不同，出入不大。但UPS内部输出中性线的方式，输入、输出端的中性线是否联通，对后续的供电系统有很大的影响，甚至会影响到使用。特别是要求UPS实现对低压市电系统隔离、净化作用时，输入、输出端的中性线联通将使UPS失去该作用。

GB 50303—2002《建筑电气工程施工质量验收规范》[5]中第9.1.4条规定：不间断电源输出端的中性线(N极)，必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。虽然该规范已经修订，但是此前的影响较深，需要引起重视。建议按照以下要求设计：

1)当UPS仅有380 V负载时，其输出回路宜采用IT系统，避免发生一个接地故障就跳闸的情况，保持了UPS和IT系统供电不间断性高的共同特点。但在使用IT系统时，一定要注意安装绝缘监测器，以确保系统在第二次相对地故障时起到保护作用。

2)当UPS有220 V负载时，为满足其供电要求，其输出回路宜采用TN-S系统，如图8所示。特别要注意的是：旁路N线需要和UPS隔离变压器的N线连接，避免在旁路切换的过程中出现“断零”的现象。如果旁路N线和UPS隔离变压器的N线未连接，则Q5N，1Q11，Q3BP，Q4S等开关需要用4极开关，零线经过空开以保证旁路切换过程不出现“断零”现象。

图8 UPS接地系统原理示意

4 DCS接地要点

聚酯楼每个装置都有5套以上的DCS，是工艺控制的“大脑”。DCS接地的正确性是系统稳定运行的保证，有研究文献指出，DCS“死机”的元凶之一就是接地方式错误。很多文章探讨了DCS的接地方式，甚至有技术人员对进口DCS和国产DCS设备的接地方式进行了区别比较，总体来说差别不大。随着对接地的进一步认识，DCS接地的原则就是单点接地，如图9所示。

除了单点接地的原则一定要遵守以外，DCS的接地要求，可以归纳为以下几点：

1)图9中的总工作地铜排、总保护铜排可以根据实际情况进行增减，如接地设置了总逻辑地铜排，其接线方式与图9一致，如接地系统没有设置总工作地铜排或总保护铜排，则可接至总接地铜排后再接至地网。

2)新规范全面采用共用接地系统，完全摒弃仪表系统独立接地的理念，满足一般情况下4 Ω接地电阻的要求，明确接地电阻达到防电击要求即可，不片面追求小于1 Ω。

3)孤立考虑设置单独的DCS人工接地体，一味追求小于1 Ω的接地电阻，是过时且错误的理念。而且即便工频状态下可达到1 Ω的要求，在高频信号下也未必能满足。实践证明，采用合适的等电位连接已逐渐成为更多DCS设计的主流。

图9 DCS接地方式示意

5 仪表系统接地要点

5.1 防静电措施

例如，热电偶用的低频、低电平模拟信号的电缆，屏蔽层须在最不平衡端或者电路自身接地处单点接地。单点接地仅能防止静电干扰。

5.2 防电磁感应措施

5.2.1屏蔽层两点接地

对于瞬态过电压保护，需要信号线和电源线的屏蔽层在敷设路径上多点接地，或至少在首尾两点接地。多点接地后，各接地点与屏蔽层之间形成回路，低频干扰电流形成的电磁场会有部分穿过屏蔽层，在电缆芯与护套间出现低频干扰。然而，这就与前文提到的单点接地有矛盾。解决该矛盾的有效办法是采用穿金属管或双屏蔽层线路[6]。金属管和外屏蔽层两点或多点接地，内屏蔽层一点接地，防雷原理如图10所示。

图10 双屏蔽层两点接地防雷原理示意

注意：利用金属直线槽或穿金属管作外屏蔽层时，必须保证槽与槽之间、管与管之间连接可靠，宜每隔30 m接地。

另外，在很多规范中提到利用建筑物的自然金属部件与防雷装置连接实现空间屏蔽，选用屏蔽电缆实现屏蔽功能。

5.2.2合理布线

在GB 50343—2012 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[7]和GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》中，对规范布线提出了许多要求，例如：信号线线槽应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁布线；动力电缆与信号线应分开敷设，不能共同敷设在一电缆桥架内，隔离距离不小于0.5 m，在敷设过程中，注意尽量减少平行敷设的长度。

机房宜选择在建筑物低层中心部位，其设备应配置在LPZ1区之后的后续防雷区，并与相应的雷电防护区屏蔽体及结构柱留有一定的安全距离——也是合理布线的要求。

5.2.3网络线防雷接地

对于网络线、双绞线一定要一点接地。网络线两点接地时，两端接地点电位差在屏蔽层中产生电流，网络线的屏蔽层是很薄的锡箔，电流可能烧毁屏蔽层和外层绝缘皮。双绞线为增加连接的可靠性，有些单位双绞线并联使用，但该种接法使双绞线失去抗干扰能力。

光纤本身不会感应出过电压。防雷主要针对其金属护皮、内部加强金属线芯以及承载钢索，这些金属部位进入设备前可靠接地，最好直埋进入机房。

同轴电缆金属外皮和金属穿管应接地；同轴电缆作天线馈线时应加装相应的同轴电缆避雷器，顶端应通过铁塔接地，如天线馈线较长，在其中间应每隔25 m左右与走线架或铁塔相连。