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1、大型浮顶油罐的防雷接地设施作者：中国石化工程建设公司 刘国勍1 引言20042006年，笔者参与了国内数个大型国家原油储备库及带有科研性质的目前世界范围内最大浮顶油罐（15x104立方米）的工程设计。近几年内一大批10x104立方米和15x104立方米大型，超大型油罐得到应用，它们多处于距码头，港口等较近的沿海雷电多发地区，且所储介质为易燃的原油，一旦因雷击起火，后果不堪设想，20世纪80年代黄岛油库因雷电引发的大火就是个沉痛的教训。因此大型油罐的防雷接地设计应该特别提起工程技术人员的重视,本文就笔者在实际工程实践中遇到的问题，简略地谈谈自己的一些看法。2雷电的基本概念2.1 雷电的产生空中的
2、尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候，经过一系列复杂过程，使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。经过运动，带上相同电荷的质量较重的物质会到达云层的下部（一般为负电荷），带上相同电荷的质量较轻的物质会到达云层的上部（一般为正电荷）。这样，同性电荷的汇集就形成了一些带电中心，当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成“云间放电”（即闪电）。 带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，二者相遇即形成对地放电 。这就容易造成雷电灾害。 雷电形成于大气运动过程中，其成因为大气运动中的剧烈摩擦生电以及云块
3、切割磁力线。2.2 雷电的特点（1）冲击电流大 其电流高达几万-几十万安培。 （2）时间短 一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。整个过程一般不会超过60微秒。（3）雷电流变化梯度大 雷电流变化梯度大，有的可达10千安/微秒。（4）冲击电压高 强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。2.3 雷电的种类（1） 直击雷 直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。雷电直接击中地面物体，并通过该物体泄放入地的雷击称为直接雷击，俗称直接雷。直接雷击击中地面物体时一定伴随机械及热效应。（2） 感应雷 感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻
4、大，出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压、而发生闪击现象的二次雷。感应雷击又分为电磁感应雷和静电感应雷两种：(1)电磁感应雷: 雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了，对用电设备造成极大危害。因此，避雷针引下线通体要有良好的导电性，接地体一定要处于低阻抗状态。(2)静电感应雷: 带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或云间放
5、电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击。易燃易爆场所、计算机及其场地的防静电问题，应特别重视。 （3）球形雷 球形雷是球状闪电的现象。一般比较少见。3电气专业在大型油罐防雷接地设计中所采取的措施目前国内大型油罐一般为钢质浮顶罐，大型油罐的存储介质为原油，属易燃易爆介质，其所处的环境为爆炸危险区域,其爆炸危险区域划分平立面图如图所示。随着世界能源及化工工业的发展，电气工程技术人员对爆炸危险环境的接触越来越广泛。由于爆炸危险环境的设备遭受雷击后，会引发大功率雷电放电，
6、从而形成电火花引起爆炸或燃烧，造成巨大的破坏和人身伤亡，这样的例子不少。对这类设备采取有效的防雷设施业已成为电气工程技术人员的重要任务。这既是难点，也是重点。 以下针对2006年8月7日仪征输油站单台15x104立方米外浮顶原油储罐遭雷击起火的实际案例，结合相关的国家标准规范及国内外对浮顶罐防雷的发展动态，谈一谈大型油罐的防雷接地设计。3.1 雷击起火经过 2006年8月7日中午约11点45分，仪征地区突降雷暴雨。12点20分，仪征输油站消防泵房值班人员发现罐区1#电视监控探头遭雷击损坏，随后，通过4#电视监控探头发现16#罐顶起火；12点21分，输油站启动火警预案；12点22分，启动固定消防
7、系统；12点25分，仪征输油站消防队两辆消防车和站领导到达现场并向仪征市消防大队及仪征化纤消防支队报警；12点27分，6名消防队员登上罐顶开始用罐顶配置的泡沫枪等消防器材进行扑救；12点41分，罐顶明火完全扑灭，并继续向罐顶覆盖泡沫。3.2 16#原油储罐的基本情况 16#油罐设计容量为15x104立方米，内径为100米，罐壁高度为21.8米，油罐浮顶采用双盘结构，单台罐净重2800吨。油罐布置于现在库区西侧，与油库原有的两座10万立方米油罐组成一个罐组。16#油罐于2004年开始建设，2005年11月投入运行，至今处于试运行阶段。事发时油罐罐位为16.160米，油量为12.58x104立方米
8、。3.3 油罐在设计中遵照的相关标准规范 该油罐的设计严格遵照2003-01-10发布，2003-03-01实施的中华人民共和国国家标准GB50074-2002执行，防雷接地的设计满足规范的要求。其中防雷接地部分的设计主要体现在两处 ： （1）根据GB50074-2002中14.2.1:钢油罐必须做防雷接地，接地点不应少于2处。 14.2.2:钢油罐接地点沿油罐周长的间距，不宜大于30m,接地电阻不宜大于10欧。仪征项目的设计中，每个油罐均设有12个接地点与系统接地网相接，接地点均匀布置，接地点间距为26m。接地电阻不大于4欧。 （2）根据GB50074-2002中14.2.3（第2条）:浮顶
9、油罐或内浮顶油罐不应装设避雷针，但应将浮顶与罐体用两根导线做电气连接。浮顶油罐连接导线应选用横截面不小于25mm2的软铜复绞线。仪征项目的设计中，浮顶与罐壁之间采用两根截面25mm2软铜复绞线连接。3.4 雷击事故分析 首先，根据现场的实勘，专家们认为本次雷击起火是由感应雷所致，原因有两个：第一现场未发现直击雷落着点的痕迹；第二雷击发生后，罐顶的浮顶与罐壁间的二次密封部分共有5处起火点，应为感应雷引起多处电位差而发生闪络造成。 其具体的过程如下：积雨云形成过程中，在大气电场，温差起电效应，破碎起电效应的共同作用下，正负电荷在不同云团和云的不同部位积聚。经过运动，带上相同电荷质量较重的物质会达到
10、云层下部（一般为负电荷），带上相同电荷质量较轻的物质会达到云层上部（一般为正电荷），这种充电云层会形成高强度的静电场，在对地放电之前，云层底部的静电场可以从初始的10伏/米升至1030千伏/米。在如此强烈的静电场感应下，大地包括在其上面的金属油罐也被充电，其与它上方的云层位置对应但极性相反(云层底部为负极，大地表面为正极)。金属的油罐被感应为正电极性（包括浮顶罐的罐体，浮盘及储存介质），这个过程相对缓慢，因此不会有静电场引起的电弧。高强度静电场云层接近地面时，随着电场加强形成下行向导，地面上的凸出物体（本次雷击中为高达40米的金属摄像塔兼投光灯塔）形成向上闪流，二者相遇形成对地放电，即值班人员
11、发现的罐区1#电视监控探头遭雷击损坏。但由于电视监控探头远离油罐且并不处在爆炸危险环境区域内，故该次雷击并不能引起油罐燃烧起火。油罐起火的真正原因是，电视监控探头遭雷击后，油罐上方云层底部的负电荷与其下面大地及油罐上积聚的正电荷迅速“中和”，雷击的整个过程（包括先导放电，主放电，余光放电）只有几十毫秒，大地立即由正极性变为负极性，在这个极性转变的瞬间，所有与大地有良好接地的设备会同大地同步转换极性，而与大地接地不甚理想的设备部件如：浮顶油罐的浮盘（其仅通过两根25mm2的软铜复绞线作为浮盘与罐壁的可靠电气联接）会滞留束缚（正）电荷，其将通过“非接地回路”向已处于负极性的罐体罐壁中和放电，即二次
12、电弧。而这二次电弧发生的位置是浮盘与罐壁相接近的地方（即油罐一次密封和二次密封处），这里正是处于爆炸危险环境区域内，遇达到爆炸混合比的油气，而引发火灾。3.5 大型浮顶油罐的防雷设计（1）关于大型油罐设置避雷针的问题：本次仪征的两台15x104立方米钢质原油储罐均没有设避雷针，其根据是: GB50074-2002中14.2.3: 第2条 浮顶油罐或内浮顶油罐不应装设避雷针。 而根据GB 15599-1995中4.1.2：当贮存易燃，可燃油品的油罐，其顶板厚度大于等于4mm时，可不装设防直击雷设备。但在多雷区，当油罐顶板厚度大于等于4mm时，仍可装设防直击雷设备。 注：仪征输油站所处位置即为多雷
13、区 由以上两个规范对油罐是否需装设防直击雷设备的不同描述，我们可以看到规范制定者在避雷针防雷作用上的不同认识。在国内油罐的实际防雷措施中，也的确存在设置避雷针和不设的两种情况。笔者认为对于大型油罐避雷针是一把双刃剑，一方面避雷针可以消除雷击的破坏，另一方面避雷针尖端放电效应，客观上又起到了“引雷”的效果，实际上增加了油罐遭雷击的概率。因此，对于一般情况下罐壁厚度均大于4mm的大型油罐，以不设置避雷针为宜，油罐自身的钢质罐壁就是良好的接闪器，设计中只要做好油罐罐体与接地网的连接即可。（2）关于大型浮顶油罐二次密封静电导触片的问题： 在大型浮顶油罐的二次密封部分根据规范的要求，环绕整个罐壁，每隔三
14、米设一处静电导触片。其作用是将油罐浮盘上的积聚静电荷导向罐壁，再通过罐体导入大地。而正是这些静电导触片被许多专家认为是发生二次电弧的诱因。其观点如下：浮顶密封上的静电导触片，一侧与浮盘的连接是紧固的，但问题出在其同罐壁滑接的另一侧。由于浮顶罐的浮盘要随油罐储油量的变化上下浮动，因此浮盘要与环绕着它的罐壁之间有一个较大的余度间隙，这样就不可避免地造成浮盘静电导触片与某一侧的罐壁紧密压接，与其相对的另一侧则会松散甚至虚搭连接，而这正好为二次电弧放电提供了条件。笔者同意以上的观点，如果可以做好浮顶油罐浮盘与油罐罐体防雷接地的电气连接，则完全可以取消这些二次密封静电导触片。（3）关于大型浮顶油罐浮顶与
15、罐壁可靠电气连接的问题： 大型浮顶油罐浮顶与罐壁的电气连接主要有以下几种：A从罐顶沿浮梯下至浮盘的两根截面25mm2软铜复绞线。B 浮梯连接油罐的罐壁和浮盘。C 油罐二次密封静电导触片。 首先，浮梯在浮盘升降轮轴沿浮盘上的轨道滚动，接触电阻大且随浮盘表面的锈蚀会更大。其次，所有油罐罐体的罐壁内侧都有一层蜡，胶质及其他有机成分的混合物，将罐体的罐壁金属表面覆盖，金属静电导触片和罐体的罐壁金属表面被这层覆盖物绝缘，有较大的电阻，从而在相当程度上失去导电荷的作用。由此可以看出，只有两根截面25mm2软铜复绞线是真正意义的电气连接，其两端按照接地要求作连接。但它也有不足，其导线过长，数量太少。 浮顶油罐浮盘和罐壁之间的电气连接在遭遇雷击的情况时,雷电流变化梯度大，强大的电流产生交变电磁场，故不能仅考虑直流电阻，应按照冲击电阻来分析。在从高电位到“零”电位转变的瞬间，其冲击电阻要比直流电阻大得多。在雷电频率下，这两根截面25mm
