FPSO雷电防护系统分析
2022-07-01陈萍
陈 萍
(上海中远船务工程有限公司,上海 200231)
0 引言
雷电是一种具有极高能量的自然现象,其释放出的巨大能量足以对人员造成伤害,并使船舶电气和电子系统中的敏感电子设备受损。为减少雷电造成的损失,往往需要采用特定的防护措施。本文以某浮式生产储油卸油船(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)为例,对雷电防护系统的标准要求和具体配置进行分析。
1 雷电的产生
雷电是发生在雷云中的电学现象,在天气闷热潮湿的时候,水蒸气随地面的受热空气上升,在空中与冷空气相遇,使上升的水蒸气凝结成小水滴。当温度低于0 ℃时,水滴凝结成冰晶,不断增长的冰晶转化为冰雹,将电子从冰晶中剥离出来。当雷云的场强超过100 kV/m时,可能会触发云对云、云对地放电过程。
根据雷云电荷的极性,可将云对地雷电分为正极性放电和负极性放电。正极性放电存在数个电流脉冲,最大电流可达10 kA,电荷通常高于50 As,持续时间在2 ms左右;负极性放电持续时间只有正极性放电的10%,但伴随有后续多次较弱的放电过程,这可能会导致放电总持续时间超过1 s、总电荷超过100 As。
2 雷电防护系统
2.1 标准要求
国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)定义了雷电可能导致的损害以及相应的防护措施。
雷电可能导致的损害主要有3点:1)接触和跨步电压导致的对人体的伤害;2)机械、热量、化学和爆炸效应导致的物理损害;3)电磁效应导致的电气和电子系统故障。
雷电防护措施可分为直击雷防护措施和雷电电磁脉冲防护措施:
1)直击雷防护措施是指减少物理损害和生命危险的保护措施。直击雷防护系统可在不引起机械损坏、不触发火灾或爆炸的情况下截获直击雷,并将电流从雷击点引到地面。
2)雷电电磁脉冲防护措施是指减少电气和电子系统故障的保护措施。雷电电磁脉冲防护系统通常采用电涌保护器来实现保护功能,电涌保护器可有效限制瞬态电压并分流电涌电流。
2.2 考虑因素
针对FPSO的雷电防护系统,主要考虑3点因素:1)防止直击雷对主要设备造成损坏;2)防止间接雷电在电路中感应危险电压,进而对电气和电子系统造成二次损坏;3)保证露天区域人员的安全。
2.3 直击雷防护
FPSO主要包括生活楼模块、上部模块(包含工艺模块和动力模块等)以及其他结构(转塔、起重机以及燃烧臂等)。由于FPSO整体为金属结构,其对雷电的直接打击具有双重保护作用:1)金属结构起到“法拉第笼”的作用,可对直击雷形成有效防护;2)FPSO顶部的金属结构可捕获雷电,起到补充保护作用。
根据IEC 62305-3规范的要求,可采用滚球法对FPSO顶部金属结构的保护范围进行评估。滚球法将雷电假定为一个半径为30 m的虚拟球体,该球体滚过FPSO结构,被球体直接接触到的部分均会受到雷电的直接打击。FPSO顶部金属结构提供的保护范围应能够包括所有不能直接暴露于雷击危险中的设备。
根据IEC 62305-3规范的要求,对于“0类”和“1类”危险区域,必须采取应对直击雷的防护措施,若危险区域部分位于防护措施的保护范围之外,则还需设计专门的防雷系统。直击雷防护设备主要有雷电接闪器、引下线和接地终端装置,根据被保护对象的不同采取相应的配置。雷电接闪器可安装在被保护物的本体上,将被保护物及其基础作为雷电接闪器的支持体和接地装置。
根据相关规定,只有具备如下3点特征的船体结构才被认为拥有防止直击雷损害的能力:1)电连续;2)严密密封,防止液体、蒸汽或气体逸出;3)钢板厚度不小于4.8 mm。
对于位于露天区域的“2类”危险区域,在通风得到保证的情况下,无须设置特定的防护措施。
2.4 雷电电磁脉冲防护
在发生雷电直击时,船体内部可能会产生雷电电磁脉冲,雷电电磁脉冲进入船体内部主要有4种渠道:1)沿各种金属导体(信号电缆、电力电缆等)进入;2)通过电容耦合通道进入;3)通过电感耦合通道进入;4)电阻耦合进入。
为有效应对雷电电磁脉冲,可采取隔离、衰减和抑制等3种防护措施:1)隔离。隔离往往是最有效的办法,电力线路使用隔离变压器隔离,信号和控制线路使用光纤电缆隔离。2)衰减。采用屏蔽电缆和金属铠装电缆等屏蔽措施以减轻外部磁场引起的感应过电压。3)抑制。通常是最后使用的措施,通过电涌保护器限制瞬态过电压和分流电涌电流。
需要注意的是,FPSO可视为一个巨大的法拉第笼,其结构是船上所有设备的主要保护措施。此外,所有电缆均采用金属铠装并通过金属托架或管道进行铺设,电缆连接到船舶的金属结构上,保证良好的接地效果。因此,只需要在一小部分雷击最容易到达的船内终端设备处配置电涌保护器即可,如通信天线和气象传感器的同轴电缆终端。
2.5 工作人员防护
迄今为止,没有装备能使室外工作的人员免受雷击伤害。为有效保护室外工作人员,可根据IEC 62305-2标准进行风险分析。风险分析会得出在FPSO不同地点的工作人员的暴露水平、风险水平及伤害概率,并通过建立相应的操作程序来管理此风险。
船东需对FPSO附近地区的风暴情况进行监控,当风暴接近FPSO时,触发警报并停止任何外部活动,直至解除雷击风险。
3 雷电防护系统具体配置
3.1 罗经甲板
罗经甲板位于生活楼模块的顶部,配有多个通信天线。罗经甲板上的设备被罗经雷达桅和附近的结构保护,免受直击雷的损害。为减少对天线的干扰,不宜过多安装防雷塔,只需要在雷达桅的顶部安装一个避雷杆,该避雷杆与雷达桅和船体的金属结构连接良好,不再需要配置额外的接地引线和接地终端。
为减少注入电流的强度、降低过电压,需选择带屏蔽层的电缆作为天线的信号电缆,并在设备终端安装电涌保护器,电涌保护器的规格通常以厂家建议为准。
对于安装在高处的信号灯和示位标,通常采取2种措施:1)控制板电源输出端安装变比为1∶1的隔离变压器;2)变压器的二次接地应牢固,并配备电涌保护器。
3.2 艏部区域
由于艏部设有卸载区,卸载区受到燃烧臂结构的保护,属于“2类”危险区域,不需要补充其他防护措施。燃烧臂的顶端配有燃烧器撬块,以该撬块为球心,半径1 m范围内的球形区域构成了“0类”危险区域,半径1~3 m的球形区域形成了“1类”危险区域。
根据常规布置要求,为保护“0类”和“1类”危险区域,需配置一个单独的避雷器,且该避雷器的保护范围应完全覆盖“1类”危险区域。然而,由于该燃烧器撬块处于露天区域,在燃烧臂塔顶安装避雷器的空间有限,在任何位置安装避雷针均无法对“1类”危险区域提供完整的保护。此外,由于燃烧臂结构和燃烧器撬块的距离很近,且高度高于该撬块,这会大幅度降低危险区域雷电直击的概率。再者,燃烧臂塔顶燃烧器撬块位置高,远离其他设备,通风良好,这使得危险区域内不会聚集任何气体。考虑到以上原因,可不用配置单独的避雷器。艏部区域电缆的敷设、选择,以及电涌保护器的配置及要求均与罗经甲板一致。
3.3 艉部区域
艉部区域设有装载设备和直升机甲板,直升机甲板结构可为装载设备提供部分保护。因为规范规定直升机起降不得被任何障碍物影响,故直升机甲板上不能装有任何保护设备。
艉部装载区被列为“2类”危险区域,其位于直升机甲板下,被雷电直击的概率非常低,故不需要任何补充保护。艉部区域电缆的敷设、选择,以及电涌保护器的配置及要求均与罗经甲板一致。
3.4 模块区域
模块区域为金属结构,可为安装在模块上的设备提供防雷电直击的保护措施。因此,该区域不需要任何额外的防雷电直击的保护措施。
由于上部模块仪表数量多、安装成本高、平台空间有限、腐蚀风险较高,不建议在上部模块仪表的电路中安装电涌保护器。
4 结论
海工装备的雷电防护需要考虑实际布置、危险区域划分、雷击风险概率、设备安装可行性及成本等多个方面。本文以某FPSO为例,对雷电防护系统的标准要求和具体配置进行分析。由分析可知,FPSO的结构为金属材质,可提供大部分的防雷电直击保护,只需在特定位置增加避雷器即可。为了对雷电电磁脉冲进行防护,所有室外电缆均需要选用屏蔽电缆,在适当的位置要设置隔离变压器和电涌保护器。