聂长春1 谢碧栋2 叶明3
（1. 汕头市气象局，广东汕头 515000；2. 广州市防雷设施检测所，广东广州 510080；3. 湛江市气象局，广东湛江 524000）
[摘 要] 本文从雷电浪涌侵入监控系统的途径入手，从泄流、接地、搭接、屏蔽以及限压等方面提出油库罐区仪表测量和监控系统的雷电防护技术要点。 [关键词] 输油站 低压监控系统 防雷保护
引言
油库罐区仪表测量和监控系统具有对油罐进行信息的收集处理和远程控制功能。一经推出，便以优越的性能品质和完善的管理功能，迅速在市场得到广泛的推广和应用。但是，因热水系统的太阳能集热器大都设在建筑平台或阳台上，且集热器的框架及支架均使用钢材，很容易充当接闪器（如避雷针、避雷带，在《建筑物防雷设计规范》2006年修改征求意见稿中将其名称改为接闪杆和接闪带，以下均使用新名词）而承受强大的雷电流。一旦集热器接闪，雷电流会沿着金属水管和热水一起进入浴室而造成使用者的伤亡。有些档次较高的油库罐区监控系统具备辅助能源加热设备（如直接加热的电热管）和电气与自动控制系统（如水泵、电磁阀、防冻系统，超压保护装置、过热保护装置、温度和温差控制仪、水位控制、光照控制、时间控制仪等），更因其处于直击雷非防护区（LPZ0A）或直击雷防护区（LZP0B），可能因直击雷和雷击电磁脉冲（LEMP）而损坏。因此，油库罐区监控系统的防雷技术研究备受关注。
监控系统又采用了大量的耐压低、抗干扰能力低的高集成度微电子元器件，而且站内线缆在敷设和连接时，基本没有考虑雷电流耦合的屏蔽，以及设备端边界区的等电位连接和去耦保护，这些线缆（尤其是最接近消雷塔的线缆）一旦遭受雷电电磁场的影响，将把雷电浪涌传到各监控设备引起过压过流破坏。鉴于此，下面重点分析雷电浪涌侵入监控系统的主要途径。
3 雷电浪涌侵入监控系统的途径
我们知道，任何一个电磁干扰都必须具备以下三个条件：干扰源、耦合途径和敏感设备。为减小到达敏感设备的干扰能量，必须先弄清干扰源的性质、干扰的耦合方式以及敏感设备自身的耐受能力，才能有的放矢，提出最有效的解决办法。
本文所考虑的干扰源就是雷电电磁脉冲（LEMP），它包括雷电放电电流以及雷电放电时在其周围空间产生的瞬态电磁场，反映在设备上就是雷电浪涌；敏感设备就是输油站监控系统；对监控系统而言，雷电浪涌的耦合途径主要有：
（1）近场感应。输油站或其邻近区域遭受雷击时，会在其周围空间产生强大的瞬态电磁场，该电磁场会在处于其空间范围内的金属导线上感应出一定幅值的瞬态过电压（主要是磁场感应），感应过电压的大小主要取决于雷电流的变化率、线缆与雷击点的距离、线缆的长度、各线缆间形成的回路面积以及线缆是否有效屏蔽等因素。它主要施加在与线缆相连的设备端口上，以共模分量为主，差模分量的大小则视线
1
缆的结构型式而定。感应过电压是造成输油站内监控系统雷击损坏的主要原因。
（2）公共地阻抗耦合。雷击时，雷电流沿接地体入地时会引起接地体的地电位升高，如果设备或系统布置不当或者接地不当，会在接地系统与设备间产生较高的过电压（称为反击过电压），从而导致设备损坏。此外，当通过各种线缆（如信号线、数据线等）互连的设备间存在较大的地电位差时，也会导致设备的损坏。
（3）传导耦合，主要是指雷电侵入波。雷电侵入波又称为线路来波，它是指沿进站电缆以行波的方式窜入室内的雷电浪涌。雷电侵入波产生的根源可能是雷击电磁脉冲，也可能是直击雷，但从监控系统的角度来看，均可视为传导耦合。对于需要将监测结果通过调制解调器、电话线外传上级机构的输油站，雷电侵入波是造成监控设备损坏的另一重要因素。
4 监控系统雷电防护的基本措施
低压监控系统具有线缆数量大、接口类型多等特点，其雷电损坏以近区磁场感应过电压和雷电侵入波为主，因此监控系统的防护应针对上述特点，从整体上加以考虑才能起到良好的防雷效果。监控系统的雷电防护措施可以归纳为以下两个方面：其一、抑制或衰减雷电浪涌的耦合途径，主要措施包括屏蔽、合理布线、等电位连接和接地等，其二、提高监控设备本身的浪涌耐受能力，主要包括合理设计内部电路、加装电涌保护器等。
4.1 合理布线
合理布线对减小感应过电压水平、降低监控设备雷击损坏率有着十分重要的意义。 在实施监控系统布线时应注意以下几个问题：
（1）油站范围内，严禁室外架空走线。室外架空走线有可能遭受直击雷，严重威胁监控系统的正常运行。此外，架空走线形成的环路面积较大，雷击时会产生较大的感应过电压。
（2）室外线缆的布放应尽量远离消雷塔等可能遭受直击雷的结构物，应避免沿建筑物的墙角布线。 （3）室内各种监控线缆的布放应尽量集中在建筑物的中心位置。雷击时建筑物中心位置的空间电磁场相对较弱，可有效降低感应过电压。
（4）监控线缆及线槽的布放应尽可能避免紧靠建筑物的立柱或横梁。在不可避免时，应尽可能地减小沿立柱或横梁的布线长度。
4.2 线路屏蔽
屏蔽是电磁干扰防护及控制的最基本方法之一，其目的是防止或限制某一区域内外电磁场的相互耦合，将电磁场作用限制在规定的空间范围之内，即通过抑制耦合途径来减小干扰源对敏感设备的影响。这里主要讨论线路的屏蔽。常见的线路屏蔽方式主要有采用屏蔽套管或屏蔽槽等外部附加屏蔽和采用屏蔽电缆两类。
2
屏蔽套管（金属管屏蔽）的主要优点是屏蔽效能良好，其主要缺点是柔软性差，施工不方便。由于屏蔽槽存在较大的缝隙，其屏蔽效能比屏蔽套管的差，但由于其施工方便，如果在施工工程中做好接头和接缝处的处理，还是能取得一定的屏蔽效果。 采用屏蔽电缆是另一种常用的线路屏蔽方式，尽管其屏蔽效能不如金属管屏蔽，但在线路不长（如小于 100m ）、外界电磁场干扰不是太强烈时，仍具有较好的屏蔽效能。
油罐区与机房的无屏蔽信号电缆采用穿钢管屏蔽处理，屏蔽套管的两端必须接地。储油罐的温度、液位等测量装置的配线钢管与罐体应作电气连接[4]。长距离架空敷设的电缆尽量改为埋地敷设,但不得与输油管道同沟敷设[2]。
在实施线路的屏蔽时应特别注意以下几个问题：
（1）电缆屏蔽层、屏蔽套管或屏蔽槽等屏蔽体的两端必须接地。
（2）为最大限度地利用屏蔽体的感应电流，任何影响电流流通的因素都应加以注意。如屏蔽体在整个电缆长度上必须是导电贯通的，并尽可能多点就近接地；做好屏蔽体接头和接缝处的连接，以期获得稳定的低阻抗电气连接。
（3）在工程实际中，应充分利用现有的金属走线槽和走线架，屏蔽电缆和金属走线槽的配合使用可获得附加的屏蔽效能。
4.3等电位连接措施（共用接地系统、搭接）
适当的等电位连接和接地是减小反击过电压和地电位差的有效措施。等电位连接是用连接导体或浪涌保护器将处在需要防雷空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来导体、电气或电子设备等连接起来，其目的是减小需要防雷空间内的各金属部件以及各系统之间的电位差。在同一个建筑物内，防雷接地、电气设备接地和信息系统设备接地宜采用共用接地系统，其接地电阻值不应大于1Ω[1]。
油罐上安装的信息系统装置，其金属的外壳应与油罐体做电气连接。机房的信息系统装置，宜就近与接地汇流排连接。[3]
4.4 限压保护（加装SPD）
SPD 是由由非线性器件（Gas Tube/ZnO Varistor/TVS Zener Diode/TVS Thyristor）构成的限压装置。一般安装在雷电防护区（LPZ）各分界面上。SPD的合适电压保护水平的选择取决于：被保护设备的冲击耐受水平，SPD的连线长度，被保护设备与SPD的电气距离等。协同的SPD的效率不仅取决于SPD的合理选择，也取决于SPD的正确安装，SPD应根据安装位置选择容量。当与上游SPD进行了能量配合且满足
3
以下条件，可认为内部系统得到保护：当被保护设备与SPD的距离可忽略不计时：Up/f ≤Uw；当被保护设备与SPD的距离为几米计时：Up/f ≤ Uw/2；当被保护设备与SPD的距离为数十米计时：Up/f ≤(Uw-Ui)/2（ 如果空间和线路的屏蔽很好时，Ui可忽略不计）。
[1]
低压供电系统采用TN-S系统供电，宜在低压供电线路上安装3级SPD进行防护，在中心计算机房、控制器、中控机、变送器、液位仪电源插头区安装单相电脑专用电源避雷器。SPD连接导线总长度不宜大于0.5m。
信号线路主要有两种：一种为4~20mA的电流信号线路，一种为24V的直流电源开关信号线路。对于4~20mA的电流信号线路，选用额定负载电流小于500mA、损耗比较小（<0.1dB）的数据信号浪涌保护器，这样对数据传输的损耗比较小，避雷器的标称放电电流为5KA（8/20μs），响应时间Ta≤1ns。而对于24V的直流电源开关信号线路，则选用额定负载电流小于1.5A、插入损耗比较大（<0.2dB）的数据信号浪涌保护器，虽然数据传输的损耗稍微大些但不影响正常生产工作且安全性较高，其标称放电电流5KA（8/20μs），响应时间Ta≤1ns。
6 结论
结合该站的具体情况，根据科学、经济、实用、可靠的设计原则，综合运用泄流、接地、搭接、屏蔽以及限压等防雷技术，提出以下雷电防护整改方案。
在已颁布的国家和行业标准中，对输油站的仪表及控制系统的防雷并未提出具体实施方法，因此，有必要针对性地开展这方面的研究。现结合该站的雷灾分析，提出的综合运用泄流、接地、搭接、屏蔽以及限压等防雷技术进行输油站监控系统的雷电防护方案，希望能为类似的的案例提供参考依据。
参考文献：
[1] 雷电防护－室内电气和电子系统 （IEC 62305-4） [2] 输油管道工程设计规范 （GB50253-2003） [3] 石油库设计规范 （GB50074-2002）
[4] 石油化工企业设计防火规范 （GB50160-92）1999年版
4
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容