浪涌保护器在化学工业上的应用

亓潇(中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

化工企业的装置体系内容物大多存在易燃易爆的特点，且设备规模大，露天存放，自动化的化工设备还安装有大量的计算机电子仪器，很容易成为雷击的对象。在目前的石油化工行业中，合理防范雷电灾害十分重要，如何保护化工企业设备、提高设备可靠性则是安全生产的重中之重。

1 雷电及其危害

1.1 雷电的定义以及产生的条件

雷电是伴有闪电和雷鸣的放电现象。雷雨云中因富含水汽的大气急剧运动形成极性各异的电荷，为雷电的产生积蓄条件。热雷电是夏天经常发生的一种雷电，常伴有暴雨或冰雹。强大的冷暖气流共同侵入时，冷暖空气触碰的锋面区域就会产生冷锋雷电。地形雷电一般出现于地形空旷地区，它的规模相对较小，但出现频率较高[1]。

雷电常出现在矿山、河流，森林或者地质断层地带处、附近有广阔水域的山坡、高且孤立的山顶、孤立的塔楼或者电线、高耸的建筑群及保护接地装置附近。

1.2 雷电的危害

中国是发生雷电自然灾害较多的国家之一。其中，广东省的东莞市是雷电受灾最严重地区区之一，雷电造成的经济损失比例可达在当季(夏季，5—8月)GDP的6%左右，每年雷电伤人事故也屡见不鲜。

2 雷击对化工企业的危害

雷电发生时瞬间产生剧烈的物理现象，会对化工企业的生产造成一系列危害。

(1)热损伤危害：雷击会导致化工生产设备周围的空气产生温度极高的热现象，导致电力导线融化或者断开，引起短路等电力故障，造成火灾或者爆炸；

(2)强静电危害：化工企业金属设备较多，受到雷击时会产生大量的与雷电性质相反的电荷，电荷之间产生的静电感应电压极高，会导致巨大的电火花，击穿空气间隙引起火灾或者爆炸；

(3)电磁感应危害：雷电电流会在雷击点周围产生一个很强的交变磁场，使化工设备导线中产生感应强电流，引起导线过热融化或者产生放电，引发次生灾害；

(4)对控制系统的干扰危害：雷电形成的磁场或者电流会严重干扰化工企业控制室内的控制系统，损坏电子元件或者线路，出现控制系统失控或者错误的现象。

在实际的工作中，出现过很多化工企业遭受雷击从而导致设备损坏、油库燃烧、爆炸等后果严重的雷击现象。化工企业积极进行防雷检测具有重要的意义[2]。

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3 防雷的措施

雷电虽然属于严重的自然灾害，但在实践中可防、可控。我国相关部门针对工业防雷措施所制定的安全标准主要有：GB 50057—2010 《建筑物防雷设计规范》、GB 50343—2012 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GB 50156—2012 《汽车加油加气站设计与施工规范》、GB 50074—2014 《石油库设计规范》、GB 15599—2009 《石油与石油设施雷电安全规范》、GB 50156—2002 《汽车加油加气站设计与施工规范》等。

除了根据以上安全规范要求采取有效措施外，加装电涌保护装置也必要的安全措施。比如，石油库和加油加气站内信息系统的配电线路首、末端需与电子器件连接时，装设与电子器件耐压水平相适应的过电压保护(电涌保护)器，可以确保相关设施避免遭受雷电的破坏性袭击。

4 浪涌电流与电涌保护措施

4.1 浪涌电流

“浪涌电流”是在雷击灾害中出现的特殊电学现象。如上所述，雷击产生的强电磁现象和静电效应，会在建筑物的避雷导体内形成巨大的电流和电势。如果外界的电线遭雷击，该电线上也会形成巨大的电势。该电流和电势都会在建筑物中的设备电缆上感应出有害电压并进而形成浪涌电流。雷击时空中的雷电将产生强大的电磁场，将在挂空电线上感应出强大的有害电压。如果该电线与建筑物内设备相连，浪涌电流将直接对设备形成威胁。雷击导致附近的地电势急剧升高。当两座建筑物所在的地电势存在差异时，浪涌电流就会寻求最低电阻的通路。由于电缆的电阻经常小于土壤的电阻，所以浪涌电流总是试图通过两座建筑物间的电缆从高电势区流向低电势区，进而对建筑物和设备产生巨大的安全威胁。

4.2 接闪分流防雷

接闪分流是指利用接闪杆、接闪带等外部装置进行防雷，直接将可能对化工建筑造成危害的雷击截获并导入地下，从而保护建筑物和其他化工设备的安全。采用高架接地的金属导体，如：建筑物金属围栏、避雷带(网)、避雷针、金属钢架结构等，安装在建筑物上部或者旁边，使建构筑物免受直击雷击的破坏。在工业外塔、储罐和大型机组厂房等建筑物，无论是否装有接闪器，也要考虑其分流问题，应尽量多布置一些引线及接地点。

4.3 等电位连接防雷

产生雷电的根本原因是不同物体间电位差。要想避免雷击的发生，最根本的方法就是消除电位差。在工业生产中，我们对电源线、金属管道和信号电缆等容易遭受雷击的设备均进行等电位连接处理。将保护范围内的设备与电位连接，最终链接至母排，达到防雷的目的。

4.4 浪涌保护器SPD防雷

相对于接闪分流防雷、等电位连接防雷，浪涌保护器防雷的效果更好。浪涌保护器的防雷原理是当电缆或者电子设备中产生过电压的瞬间，保护设备和电路，将将雷击带来的瞬间过电压限制在电缆和设备要求的安全范围之内。SPD浪涌保护器按工作原理分为限压型、电压开关型和组合型；从类型上可分为电源SPD、信号SPD和馈线SPD。

对于工业来说，一般选用组合式的多级SPD进行防雷，安装在建筑物各防雷分区的交界区域。0区和1区的交界处除进线处的配电箱，还包含建筑顶层因面积过大导致接闪装置不能全面保护覆盖到的配电箱，这两处均需安装SPD进行防护。

5 浪涌保护器在工业上的应用

为了规避浪涌对设备的影响，主要生产、作业区存在着各类危险场所，现场情况比较复杂，这些场所内在不同程度上分布有各种有毒、腐蚀性，甚至是易燃易爆的气、液体。如何选用适合的保护方案，对这些处于复杂危险环境中的设备进行保护一直是该领域里的一大难点。

浪涌保护器常常被人们称为“避雷器”和“防雷器”，是防雷装置的重要组成部分。浪涌保护器至少包括一个非线性电压限制元件，此元器件主要由压敏电阻、充气放电管、抑制二极管、放电间隙、扼流线圈等五个部分组成。

信号线路SPD一般安装在信号传输线路中，实际为信号的避雷器。浪涌保护器的选用一般要考虑到以下几点：(1)在雷电或瞬间强电流威胁的区域使用；(2)在不宜维护或难于接近的区域使用；(3)在厂区控制和操作的关键部位使用；(4)在贵重的仪表设备上使用。

5.1 电源浪涌保护器的选型

浪涌保护器是限制瞬态过电压的保护设备，是内部防雷装置的重要组成部分，对电源浪涌保护器、信号浪涌保护器进行合理选型、合理配置，是确保有效的应用最重要的环节。

(1)建筑物的交流供电回路，在回路的配电接线箱中LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区交界处设立浪涌保护器作为一级保护；在供电分配箱处可以设置二级浪涌保护器，如果后续有机柜或者卡件等重要设备，在界面处可以设置第三级或者第四级的保护。使用直流电源的供电回路，建议安装合适的直流电源回路专用浪涌保护器。

(2)配置多少级的浪涌保护器应该充分的考虑电缆长度，额定冲击电压、额定冲击电流以及浪涌保护器间的距离等因素。应该确保每一级浪涌保护器都可以承受计算的放电电压及电流，并留有余量。

(3)如果条件允许，可以考虑浪涌保护器配置过电压或电流保护显示功能，以便维护人员更好的发现和解决问题。

(4)电源线路浪涌保护器安装位置与被保护设备之间的线路长度大于10 m。

(5)浪涌保护器和被保护设备的电缆长度如果大于要求值，应在被保护设备和供电接线箱位置分别配置浪涌保护器。但是如果在回路上配置了多个浪涌保护器时，则需务必考虑其容量及匹配度，否则盲目的增设浪涌保护器不但没有解决问题，反而造成了隐患。

5.2 信号浪涌保护器的选型

根据被保护设备的类型，信号浪涌保护器主要分为电话信号浪涌保护器、网络信号浪涌保护器、视频监控信号浪涌保护器、控制信号浪涌保护器等。选择损耗较小，电容的分布相对较小，信号扰动数据合适的产品为宜。建议将浪涌保护器配置于雷电防护区界面处，务必合理设置浪涌保护器的级数，如果只配置了单级的浪涌保护器，雷电产生的电压和电流超过了浪涌保护器的承受能力，即使安装了浪涌保护器，也无法起到保护的作用。

即使已经安装了避雷针，也需要使用浪涌保护器。这是因为安装了避雷针等外部防雷装置，只是针对直击雷做了防护，不能防止雷电波侵入建筑内部造成设备损坏。建筑物内部的各种电子、电气回路等都需要浪涌保护器来限制电气回路、通信线路中的浪涌。

即使没有遭受过雷击的地区，也建议安装浪涌保护器，因为遭受雷击是概率的问题，如果没有做全面的雷电防护，建筑物就会有雷击隐患，一旦遭受雷击就会造成人员伤亡和设备损坏。同时，雷击并非产生电气回路、通讯线路等中浪涌的唯一原因。任何电子设备线路由于受到静电电磁感应、大功率用电设备等的干扰都有不同峰值的浪涌，安装浪涌保护器能够有效地应对其他电磁讯号异常，保护设备、提高设备的使用寿命。

工业上我们选用了浪涌保护器主要对以下设备或元器件进行了保护：(1)保护控制室内的配电系统，如主电源线，UPS，稳压电源等；(2)保护控制室内的自控设备，如PLC/DCS的I/O卡；(3)保护现场仪表，如变送器、阀门定位器、电磁阀等。

5.3 信号浪涌保护器的检测

当工厂选用了合适的浪涌保护器并进行长周期应用时，如何确认在用的浪涌保护器是否有效是需要进一步研究问题。通过调查发现，目前并没有切实的手段可以通过仪表日常维护来检测判定浪涌保护器的功能是否可靠。验证浪涌保护器的有效性，需要厂家专用设备或实验室的支持，仪器设备检测也相对繁琐。根据对浪涌保护器的使用经验，应对关键联锁设备及控制回路采取定期更换浪涌保护器的策略，将替换下的浪涌保护器进行检测，要求厂家提供检测报告，检测合格的浪涌保护器作为备件用于不参与控制和联锁或者重要程度较低的设备中；对于位于空旷地带或高处位置的浪涌保护器，则采用定期更换策略(更换周期可以考虑在雷雨季节之后)，采用比例抽查的方案更换以保证其可靠性。

6 结语

综上所述，本文着重对雷电的形成、雷电灾害对化工行业的危害、防雷的措施、浪涌保护器的工作机理及选用进行了阐述。工业企业防雷水平和效果的高低，关系着企业的生产安全，关系着全体员工的切身利益。政府管理部门和企业的管理层必须高度重视防雷电损害，加大电涌保护防雷措施的应用，努力提高企业的防雷效能，保障我国工业和国民经济的健康发展。