雷电具有很大的破坏性, 其电压可高达数百万伏, 电流可高达数十万安。据不完全统计, 近十多年来, 全国石油储罐遭雷击事故已有20多起, 近几年来就发生10多起, 1989年6—8月黄岛油库、秦皇岛油库和锦西油库的三座石油罐相继遭雷击爆炸起火。

石油库雷电事故造成的破坏性很大, 影响面广, 它不仅对人类的生命安全构成危害, 而且对石油企业的生产威胁很大, 造成重大损失。仅以山东黄岛油库事故为例, 大火共燃烧104h, 烧毁原油36万t, 烧毁油罐5座, 整个老罐区已无修复价值。事故造成直接经济损失3540万元, 其中油库损失940万元; 在救火过程中, 有19人牺牲、78人受伤。这样巨大的经济损失和人员伤亡, 新中国成立以来在石油系统尚属罕见, 而事故对人们心理上的打击和影响更是难以估量。

值得注意的是, 往往在某个单位刚发生的雷电事故, 不久又在另一个单位重演, 主要原因是石油雷电安全规范不够完善, 同时操作和管理不够科学, 甚至误操作。由此可见, 石油雷电灾害事故的预防和消除已是石油部门亚待解决的一个重要课题。

现行防雷措施的考察

据调查, 目前国内石油系统防雷电措施主要有以下四种:

1   避雷针

避雷针防雷装置主要由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器系指避雷针直接接雷电的金属件, 它是利用其高出被保护体的耸高处把雷电引向自身, 并通过引下线和接地装置将雷电流泄入大地, 以保护石油设施免受直接雷击。通常在石油设施上可设置单支、双支或多支避雷针保护。避雷针的顶端一般制成一个或几个尖端, 以利于放电, 一般采取镀锌钢筋或钢管制成。

引下线是从避雷针(接闪器)沿建筑物引下至接地装置的导线, 引下线的路径应尽可能的短而直。

接地装置应首先利用与大地有可靠连接的距避雷针较近的自然接地体, 如埋在地下的上、下水金属管道(石油或石油天然气管道严禁利用); 金属深井管道; 建筑物、构筑物与地下深埋或在水下的金属结构; 建筑物的钢筋混凝土基础。当上述自然接地体的电阻值大, 不能满足要求时, 可采用人工接地体。

2   消雷器

消雷器是在避雷针的基础上发展起来的新型消雷装置。消雷器主要由塔体、塔头(消雷装置)、连接导线和接地装置组成。

塔体采用热浸镀锌防腐铁塔, 在塔的适当高度设一工作平台, 在距塔顶1m处亦设有一工作平台, 供施工人员安装消雷器用, 另外, 为保证飞机安全, 需在塔顶安1~2只红色航标灯。

塔头(消雷装置)主要由底座13根(或19根)5m长的半导体针杆组成。它以辐射形结构在0°、30°、60°空间位置各有4根(或6根)针, 在90°空间位置有1根针。针杆用高强度玻璃钢管制成, 其表面涂有多层电阻膜和保护层。在长针杆的顶端装有4根约300 mm长的铜质分叉尖端。

连接导线用来连接消雷装置和接地装置。导线上流过的电流不大, 主要由其机械强度来决定, 一般用20×1.0mm²截面的恺装橡皮铜芯电缆作为连接线。接地装置一般可利用塔基的自然接地。为防万一, 当接地电阻超过10Ω时, 可采用专用防雷接地装置来减小接地电阻。

3   避雷针加屏蔽网

据调查, 一些单位对非金属石油罐采用了装设独立避雷针加屏蔽网的防雷措施, 装设屏蔽网主要用于防感应雷。屏蔽网应用直径不小于ϕ8的圆钢或截面不小于24mm× 4mm的扁钢做成, 网格不应大于6m×6m, 屏蔽网高出罐顶不应小于0.3m, 在油罐的呼吸阀、量油孔等金属附件处, 应局部高出上述附件0.5m以上, 屏蔽网的所有交叉点必须保持电气连接, 其接触电阻不应大于0.03 Ω。

4   避雷针加屏蔽网再加报土层

据调查, 一些单位对非金属油罐采用了避雷针加屏蔽网再加覆土层的综合防雷措施, 如锦西石油库两个l万m³钢筋混凝土石油罐, 装有独立的避雷针, 并装有24mm×4 mm镀锌扁钢屏蔽网, 覆盖0.3m厚的土层。又如南京石油库8个钢筋混凝土石油罐(其中5个1.5万m³, 3个1万m³), 装有独立的避雷针, 罐顶装10m×10m的钢筋屏蔽网格, 还覆盖了0.5m的土层。

防雷措施效果的分析

1   避雷针

自1749年富兰克林提出避雷针以来, 至今已有200多年的历史, 避雷针防雷的机理是利用自身的高度使雷击下的电场发生畸变, 从而将雷电吸引于自身, 代替被保护对象受雷击。应该说, 安装完全符合规程要求的避雷针, 对防直击雷是有一定作用的, 但多年的使用实践证明, 避雷针也存在以下几方面的问题:

(1) 当避雷针遭雷击时, 首先会在其周围导体上形成感应过电压, 感应过电压有两种, 即静电感应过电压和磁感应过电压, 这两种感应过电压都容易造成雷击二次效应的危害; 其次是有很大的雷电流流过, 在其接地装置及引下线上感应产生10万伏乃至数百万伏的电压, 这时避雷针及其引下线的电位很高, 可能由它们向附近被保护物发生反击, 造成严重事故; 另外接触电压和跨步电压会给人、畜带来危险。

(2) 避雷针的保护范围是不可靠的, 因为雷电可能绕过避雷针而击中被保护对象。

(3) 避雷针不宜用来保护易燃、易爆物品及弱电设备, 这是由于用避雷针保护易燃、易爆物品时, 可能会因它引来很大电流的雷击, 从而在接地引下线焊接不牢的搭接处产生火花, 也会对其相距1~2m以外的导体产生空气击穿放电火花, 雷击大电流还会在其附近的金属开口环处产生火花, 这三种火花均会造成火灾爆炸事故, 例如: 1976年5月31日茂名石油工业公司111^#原油罐、116^#原油罐(均为1.5万m³)同时遭雷击起火; 1989年8月26日锦西炼油化工总厂001^#原油罐(1万m³)遭受雷击引起爆炸; 1976年3月31日南京炼油厂318^#原油罐(1.5万m³)遭受雷击引起爆炸。应该指出的是上述事故单位的油罐均按有关规定装有独立的避雷针。

2   消雷器

消雷器是在避雷针的基础上发展起来的新型消雷装置, 全称为少长针半导体消雷器。1982年5月荆门炼油厂应用这种消雷器来保护两个1万m³钢筋混凝土原油罐, 当时该厂对两个原油罐没有采用任何防雷措施, 甚至连接地线都没有。荆门炼油厂采用消雷器之前, 作了安装避雷针或屏蔽网的方案比较, 并在全国作过系统防雷调研, 他们通过调研认识到安装避雷针防止了直击雷, 又担心感应雷的危害, 因此决定采用少长针半导体消雷器。继荆门炼油厂之后, 黄岛油库、秦皇岛油库、东营油库、长岭炼油厂、广州石油化工总厂, 燕山石油化工公司等单位亦采用少长针半导体消雷器。经过十多年的运行, 业已证明少长针半导体消雷器具有以下特性:

(1) 能完全彻底消去由地面向上发展的雷电;

(2) 在雷雨云下能产生3~15mA的电晕电流, 在天空有强雷雨云时, 可发出长达1~2m的电晕火花, 中和电流达1A以上, 从而抑制了下行雷的发展, 以上两种作用可使对地雷击率减少75%左右;

(3) 能将剩余25%的雷击电流降低几十安甚至上百安, 即可将雷电流限制到原值的千分之一左右, 从而避免了雷击二次效应的危害;

(4) 保护范围大, 其保护角达80。(普通避雷针只有45°)。

实践证明, 少长针半导体消雷器对防止直击雷和感应雷有独到之处, 这也是避雷针无法做到的。

3   避雷针加屏蔽网

在储油罐上加装金属屏蔽网格的目的是防止产生电磁感应过电压。电磁感应是避雷针遭雷击时产生的, 一般一次雷暴都有千安级的雷电流产生。感应过电压是由雷电流周围的磁场感应而产生的, 它与雷电流的大小和变化速度成正比, 与雷击处的距离成反比, 要想屏蔽这一感应过电压是很难做到的, 要做到有效的屏蔽还需做进一步深入的研究工作。

据调查装有避雷针和屏蔽网的储油罐仍时有雷击火灾爆炸事故发生, 如1989年7月17日秦皇岛油库1^#原油罐(2万m³)尽管装设了避雷针和屏蔽网, 但仍未避免雷击事故的发生。

4   避雷针加屏蔽网再加班土层

覆盖土层的目的是加强抑制感应过电压。根据计算, 当覆土层为0.5m时, 电磁场的衰减率仅为7%, 其屏蔽和消散作用是很有限的, 不能保证储油罐的防雷安全, 例如黄岛油库雷击火灾事故就是在采取了避雷针加屏蔽网再加覆土层的条件下发生的。

建议

少长针半导体消雷器是在避雷针的基础上发展起来的新技术, 它利用了少长针的独特结构, 在雷云电场下发生强烈的电晕放电, 借布满在空中的空间电荷产生屏蔽效应, 并中和雷云电荷; 同时利用半导体材料的非线性改变雷电发展过程, 延长雷电放电时间以减小雷电流的峰值和陡度, 从而达到保护物体及其内部的电设备。

近十多年来, 少长针半导其体消雷器经中国石油天然气总公司、中国石油化工总公司、电力工业部等产业部门的使用, 确认其防雷效果显著。国家科委(91)国科成办字065号文推荐采用少长针半导体消雷器, 中国石油天然气总公司、公安部、建设部等中央主管部门亦通知采用少长针半导体消雷器。