化工生產(chǎn)裝置及構(gòu)筑物等電位連接的作用

韓振起孫 鵬李靖

（1．天津市化工設(shè)計(jì)院，天津 300193；2．連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司，天津 300193）

化工生產(chǎn)裝置及構(gòu)筑物等電位連接的作用

韓振起1孫 鵬2李靖2

（1．天津市化工設(shè)計(jì)院，天津 300193；2．連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司，天津 300193）

本文就化工企業(yè)等電位連接與雷電位反擊的問(wèn)題進(jìn)行了論述，并提出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和解決的方法。

雷電位反擊；等電位連接；擊穿反擊；傳導(dǎo)反擊

一、概述

雷擊是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，為了避免化工生產(chǎn)裝置內(nèi)的工藝設(shè)備電氣電信設(shè)備遭受雷電感應(yīng)、直擊雷、側(cè)擊雷、雷電波侵入等破壞，我們通常采用避雷帶、避雷針等措施進(jìn)行過(guò)保護(hù)。防雷設(shè)計(jì)在整個(gè)工程設(shè)計(jì)中所占的比重雖然很少，但雷擊所造成的損失卻無(wú)法輕視。由于雷電具有大電流、高電壓和瞬時(shí)性的特點(diǎn)，強(qiáng)大的閃電產(chǎn)生電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、電磁輻射，以及地電位反擊、雷電波侵入等。統(tǒng)稱為雷電電磁脈沖LEMP，嚴(yán)重干擾各種電氣電信設(shè)備的正常工作，且雷電磁脈沖在金屬設(shè)備及構(gòu)件間產(chǎn)生的電位差有可能產(chǎn)生電火花，從而給化工企業(yè)有氣體爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所帶來(lái)危害。這是防直擊雷系統(tǒng)無(wú)法保證的。

等電位連接是電氣防雷設(shè)計(jì)中重要設(shè)計(jì)部分，等電位連接可以有效地減小或者消除雷電反擊的災(zāi)害，而雷電反擊又是雷電災(zāi)害中比較嚴(yán)重的部分。不過(guò)，有些不恰當(dāng)?shù)牡入娢贿B接雖然可以去除某些雷電反擊現(xiàn)象，但是又會(huì)導(dǎo)致另一種雷電反擊現(xiàn)象，而在這一點(diǎn)上有些設(shè)計(jì)人員往往容易忽視。

二、兩個(gè)基本概念

1 等電位連接

圖1

等電位連接在《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010的解釋中是將分開(kāi)的裝置、諸導(dǎo)電物體用等電位連接導(dǎo)體或電涌保護(hù)器連接起來(lái)以減少雷電流在它們之間產(chǎn)生的電位差。在《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50343中的解釋是設(shè)備和裝備外露可導(dǎo)電部分的點(diǎn)位基本相等的電氣連接。它們都說(shuō)明了以下幾點(diǎn)：（1）各導(dǎo)體間的等電位連接，包括暫態(tài)的等電位連接；（2）等電位連接的相對(duì)性，目的在于減小各導(dǎo)體之間的電位差。

2 雷電反擊

雷電反擊現(xiàn)象是當(dāng)指雷電被接閃器接閃后，雷電流在泄放入大地的過(guò)程中在各個(gè)導(dǎo)體與接地體上產(chǎn)生的高電壓或電位差對(duì)周邊的其它導(dǎo)體產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。雷電反擊可分為兩類，分別為擊穿反擊和傳導(dǎo)反擊。

三、雷電擊穿反擊和等電位連接

當(dāng)雷電流通過(guò)防雷裝置時(shí)，因?yàn)槔纂娏鞣荡蟆⒁戮€分布電感以及接地網(wǎng)接地電阻的存在會(huì)在防雷接地裝置中產(chǎn)生高電壓；而沒(méi)有雷電流通過(guò)的導(dǎo)體上卻無(wú)高電壓產(chǎn)生，于是這兩個(gè)導(dǎo)體之間就存在一個(gè)電位差，如果兩者見(jiàn)距離達(dá)不到安全距離，就會(huì)出現(xiàn)擊穿反擊的現(xiàn)象。等電位連接就是使這兩個(gè)導(dǎo)體之間的電位基本相等來(lái)防止擊穿反擊現(xiàn)象的產(chǎn)生。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)防雷而言，在進(jìn)行等電位連接設(shè)計(jì)以及施工時(shí)，應(yīng)主要做到以下兩個(gè)方面：（1）建筑物基礎(chǔ)及鋼筋構(gòu)件及大型金屬物體的等電位連接。也就是將金屬物體和建筑物內(nèi)所有的導(dǎo)電物體如生產(chǎn)設(shè)備、金屬儲(chǔ)罐、管道、電梯軌道、吊車(chē)、電纜橋架以及大尺寸的導(dǎo)電物體都進(jìn)行等電位連接；（2）線路上的等電位連接，由于線路上具有電位的存在，所以只能用SPD進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)等電位連接。這些等電位連接都具有一個(gè)功能，那就是可以基本消除或減少雷擊“擊穿反擊”現(xiàn)象帶來(lái)的危害。綜上所述，等電位連接就是為了消除或減少雷擊“擊穿反擊”而采取的主要手段。

四、雷電傳導(dǎo)反擊和等電位連接

前文所述，等電位連接雖然可以消除或減少雷擊“擊穿反擊”，但不恰當(dāng)?shù)牡入娢贿B接卻可能導(dǎo)致雷電的傳導(dǎo)擊穿產(chǎn)生。

圖2

1 第一類雷電傳導(dǎo)反擊現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因和解決的方法：

如圖1所示，在建筑物內(nèi)，設(shè)備1以及設(shè)備2是在不同樓層的電子設(shè)備。S1和S2為設(shè)備間的通信線路接口，A、B兩點(diǎn)為建筑柱內(nèi)鋼筋引下線上的不同樓層兩點(diǎn)，G1，G2為建筑物公共接地，其阻值為Rg，當(dāng)建筑物受到直擊雷后，雷電流沿引下線進(jìn)入大地。由于引下線AB段上分布電感和線電阻的原因，在引下線AB段上會(huì)產(chǎn)生一電位差△UAB,

上式中，L0為單位長(zhǎng)度分布電感；R0為單位長(zhǎng)度分布線電阻 ；h為AB之間的引下線的長(zhǎng)度。

因?yàn)镚1 和A點(diǎn)、G2 和B點(diǎn)等電位連接，所以G1，G2兩設(shè)備工作接地電位不同。而這個(gè)電位差直接加于兩設(shè)備通信接口之間，當(dāng)雷擊電流足夠大，AB段距離足夠長(zhǎng)時(shí)，就將擊壞兩設(shè)備的通信接口，甚至可能會(huì)擊壞兩設(shè)備的電源接口。

綜上所述，我們可以知道進(jìn)行電子系統(tǒng)的等電位連接時(shí)，要注意避免產(chǎn)生這一類傳導(dǎo)反擊。解決的辦法有：（1）將所有互聯(lián)的電子信息系統(tǒng)設(shè)備設(shè)在低層中間位置，且盡量設(shè)在同一層，相臨的金屬設(shè)備及管道、構(gòu)件應(yīng)在同一地點(diǎn)與接地系統(tǒng)連接。 （2）電子系統(tǒng)設(shè)備的工作接地和保護(hù)接地在進(jìn)行等電位連接時(shí)，要與建筑內(nèi)鋼筋可靠相連或直接從總等電位連接排引線進(jìn)行可靠連接，但是同時(shí)要注意雷電的擊穿反擊。如果有必要，采用帶屏蔽引下線或獨(dú)立避雷針。(3)防雷接地、防靜電接地、電氣設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地、網(wǎng)絡(luò)信息及通訊設(shè)備的等接地，宜共用接地裝置，其接地電阻應(yīng)按其中接地電阻值要求最小值的接地電阻值確定。當(dāng)各自單獨(dú)設(shè)置接地裝置時(shí)，油管、儲(chǔ)罐、加氣灌的防雷接地裝置接地電阻、配線電纜金屬外皮兩端和保護(hù)鋼管兩端的接地電阻不應(yīng)大于10歐姆，電氣系統(tǒng)的工作和保護(hù)接地電阻不應(yīng)大于4歐姆，地上油品、輸油輸氣管道是末端或分支處的接地裝置的接地電阻不應(yīng)大于30歐姆。

2 第二類雷電傳導(dǎo)反擊現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因和解決的方法：

如圖2所示：某建筑物內(nèi)的一電子設(shè)備，其保護(hù)接地和防雷接地共地，并且與外界有電源線路或信號(hào)線路相連接，線路的遠(yuǎn)端通過(guò)SPD1有效接地，設(shè)備接口阻抗為ZA，線路特征阻抗為ZC，雷電被防雷設(shè)施接閃后，接地電阻Rg上會(huì)產(chǎn)生高電壓，而此高電壓耦合到有接地電阻、設(shè)備線路接口阻抗所組成的回路中。其加在接口處的電壓UA=IRg*ZA/(ZA+ZC+Rg)，如接有SPD，則反擊電流近似計(jì)算為I1=IRg/( ZC +2rd+Rg1)，式中rd為氧化鋅壓敏電阻的導(dǎo)通電阻；Rg1為遠(yuǎn)端接地電阻。

通常情況下限壓型SPD氧化鋅壓敏電阻的導(dǎo)通電阻rd約為0.05至0.2歐姆，而低壓配電線路特征阻抗ZC約為5至10歐姆，如果設(shè)I=100KA，Rg= Rg1=4歐姆，取rd=0.1歐姆，ZC =7.5歐姆則I1=IRg/( ZC +2rd+Rg1)=100*103*4/（7.5+2*0.1+4）34.2KA則SPD的殘壓Ur=I1*rd=34.2KA*0.1=3.4KV，此電壓足夠?qū)⒉糠忠弧⒍愲姎庠O(shè)備損壞。

綜上所述，在設(shè)計(jì)和進(jìn)行等電位連接時(shí)，要充分注意地電位反擊問(wèn)題和第二類雷電傳導(dǎo)反擊的問(wèn)題。其解決方法有：（1）適當(dāng)增加引下線的數(shù)量，以便減少接地電阻值降低反擊電壓；（2）當(dāng)防雷接地和保護(hù)接地采用同一接地網(wǎng)時(shí)，SPD應(yīng)盡量遠(yuǎn)離雷電流泄放點(diǎn)（大于10米）；（3）可以將SPD的接地網(wǎng)與防直擊雷的接地網(wǎng)分開(kāi)，但要注意接地網(wǎng)之間的雷電擊穿反擊。（4）化工廠、化工車(chē)間廠房等一般都含有危險(xiǎn)品爆炸區(qū)域，為了防止和減少雷電及靜電危害，保障石油化工企業(yè)的安全生產(chǎn)，在石油化工防雷接地設(shè)計(jì)中，貫徹預(yù)防為主的方針，采用場(chǎng)區(qū)做總體聯(lián)合接地網(wǎng)，場(chǎng)內(nèi)車(chē)間、廠房、辦公樓等的單體接地分別接入場(chǎng)總體區(qū)聯(lián)合接地網(wǎng)。場(chǎng)區(qū)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備、大型儲(chǔ)罐等具有金屬外殼的設(shè)施均應(yīng)接入總體區(qū)聯(lián)合接地網(wǎng)。在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域出入口、放散口、加氣機(jī)、加油機(jī)、大型儲(chǔ)罐等附近還應(yīng)分別設(shè)置防靜電接地點(diǎn)位，做到技術(shù)先進(jìn)、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理。

結(jié)語(yǔ)

由以上分析可知，正確的等電位連接是去除雷電擊穿反擊的有效手段，但不恰當(dāng)?shù)脑捑秃芸赡墚a(chǎn)生雷電傳導(dǎo)反擊。所以，在進(jìn)行生產(chǎn)裝置及建筑物或構(gòu)筑物的等電位連接時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考察實(shí)際情況，充分考慮各種因素，全面的協(xié)調(diào)好雷電反擊與等電位連接的關(guān)系。

[1]GB50057-94，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

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