一、概述
在全國石油化工儲運罐區測量控制與安全管理技術(shù)交流大會(huì )上，探討解決了石油化工儲運罐區部分自動(dòng)化技術(shù)和安全管理中的問(wèn)題。本次大會(huì )在上次會(huì )議的基礎上，明確要求槽罐運輸及罐區儲存在智能化控制系統應用的新技術(shù)、新方案更先進(jìn)、更智能、更實(shí)際的解決石油化工儲運罐區的雷電災害等具體問(wèn)題，我們經(jīng)試驗開(kāi)發(fā)了新的預警與智能化管理系統，實(shí)現了雷電防護在線(xiàn)監測的強大功能。
二、罐區的雷電形成機理與現狀
雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀(guān)而又有點(diǎn)令人生畏的放電現象。雷電一般產(chǎn)生于對流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風(fēng)和暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過(guò)程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個(gè)電位差。當電位差達到一定程度后，就會(huì )產(chǎn)生放電，這就是我們常見(jiàn)的閃電現象。
閃電的的平均電流是 3 萬(wàn)安培，最大電流可達 30 萬(wàn)安培。閃電的電壓很高，約為1 億至 10 億伏特。帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時(shí)，它們之間就發(fā)生激烈的放電。放電過(guò)程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導致強烈的雷鳴。在雷電放電地點(diǎn)會(huì )出現強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。而在罐頂則會(huì )因雷云形成大量的正電荷依附在罐體四周。如因接地系統出現故障則會(huì )出現接閃，發(fā)生雷擊事件。發(fā)生接閃后我們的防雷裝置工作是否正常，如何監測罐區的雷電場(chǎng)強的變化和進(jìn)行預警是我們的當務(wù)之急。
然而目前儲罐區所采用的監測管理手段相對落后，維護管理的智能化程度低，沒(méi)有一個(gè)系統性的監測和報警系統，設備狀態(tài)無(wú)法做到實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，不能實(shí)現將接地故障、接地極阻值變大、銹蝕斷裂、SPD 出現異常狀態(tài)時(shí)不能及時(shí)發(fā)現，無(wú)法將故障自動(dòng)報警反饋給值班人員，給罐區帶來(lái)重大安全隱患，存在遭受感應雷，雷電波侵入和雷電電磁脈沖（LEMP）侵害的雷擊災害風(fēng)險。
三、在線(xiàn)智能預警監測系統3.1 在線(xiàn)智能預警監測系統主要構成如下
（1） 大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監測系統（市電或太陽(yáng)能供電系統）；（2） 雷電攔截器（接閃器）實(shí)時(shí)監測系統；（3） 雷電防護裝置（SPD、SCB）在線(xiàn)監測系統；（4） 接地電阻值實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測系統；（5） 自動(dòng)報警及監視系統；（6） 數據傳輸綜合處理系統六部分組成。在線(xiàn)智能預警系統結構框圖如下：
實(shí)現智能預警系統的架構圖如下：
3.2大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監測系統
3.2.1 大氣電場(chǎng)儀的功能特點(diǎn)如下：
(1) 對大氣電場(chǎng)強度的大小和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并將監測數據即時(shí)傳送到數據綜合處理系統。
(2) 系統對大氣電場(chǎng)數據進(jìn)行處理，能有效的對罐區周邊的雷云情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并設置三級雷電報警閾值，提供我們應急預案的實(shí)施：a) 第一級閾值：大氣電場(chǎng)不小于 2kV/m 且不大于 5kV/m,預示著(zhù)大氣電場(chǎng)正在增強；b) 第二級閾值:大氣電場(chǎng)不小于 5kV/m 且不大于 8KV/m,預示大氣電場(chǎng)正在快速增強，雷閃概率急速增加；c) 第三級閾值:大氣電場(chǎng)不小于 8kV/m,預警未來(lái) 5 min～30 min 內雷電發(fā)生。
3.2.2 大氣電場(chǎng)測試儀供電方式可采用市電或太陽(yáng)能供電方式
▲設置在罐區周?chē)聘唿c(diǎn)的大氣電場(chǎng)儀實(shí)物
3.3雷電攔截器（接閃器）實(shí)時(shí)監測系統；
3.3.1 雷電峰值記錄儀
在雷電攔截器內安裝的雷電峰值記錄儀，當安裝在罐區周邊制高點(diǎn)時(shí)，能攔截減少直擊雷的發(fā)生，是在主放電回路上作為雷電流監測裝置之一。能用于記錄雷擊次數、雷電流極性、雷電流波形、雷電流幅值和發(fā)生時(shí)間等，并能將監測數據即時(shí)傳送到數據綜合處理平臺，可設置雷電流的強度報警。
▲雷電攔截器示意圖
3.3.2 雷電攔截器
在線(xiàn)監測系統能檢測到附近存在的或正在靠近的、有潛在危險的閃電活動(dòng)，并且提供風(fēng)暴來(lái)臨的距離估計。嵌入式的閃電算法能檢查傳入的信號模式，來(lái)排除可能是人為造成的干擾因素通過(guò)監測雷電活動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量，來(lái)計算雷電距本地的距離。
由于該數據記錄了大量雷擊方向、強度、極性，為我們如何做好罐區的直擊雷防護提供了可靠的大數據分析依據。
▲雷電監測原理圖
▲可以組網(wǎng)進(jìn)行區域大面積監測
3.4雷電防護裝置在線(xiàn)監測系統
3.4.1 系統組成
雷電防護裝置在線(xiàn)監測系統，主要由采集我們安裝在罐區的供電系統、信號控制系統、 視頻監控系統、消防控制系統中的各種浪涌保護裝置、SPD 后備保護器、隔離安全柵、集中控制器、雷電攔截器及所安裝的雷電峰值記錄儀、智能防雷 PDU 等設備組成，真正實(shí)現了對雷電臨近的主動(dòng)防護、雷電流信息記錄、浪涌保護器的安全可靠運行及對雷擊多發(fā)位置能做到動(dòng)態(tài)提醒與在線(xiàn)實(shí)時(shí)監控。
3.4.2 通信方式
可通過(guò)有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)（GPRS）將數據傳輸到罐區控制中心，通過(guò)服務(wù)器及軟件在電腦終端或大屏系統顯示。
3.4.3 該系統的主要特點(diǎn)
⑴ 能夠在計算機上查看系統全貌，系統采用嵌入式分層方式進(jìn)行查詢(xún)，可以快速檢查每個(gè)防雷裝置的工作狀態(tài)；⑵ 能夠保證防雷裝置始終處于有效的工作狀態(tài)，保證防雷裝置失效或漏流時(shí)不起火、不爆炸；⑶能夠使管理者（領(lǐng)導）無(wú)論在任何地方，只要在身邊有網(wǎng)絡(luò )的地方，便可隨時(shí)隨地查看和管理系統的數據。
3.4.4 系統優(yōu)勢
⑴安全：使用SPD、隔離安全柵、后備保護裝置，可有效防止防雷器因失效、漏流造成的火災事故；⑵可靠：使用智能化的防雷產(chǎn)品，可實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測和控制每一級防雷裝置的工作狀態(tài)；⑶技術(shù)領(lǐng)先：可通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)實(shí)現遠程，自動(dòng)控制各類(lèi)防雷器， 實(shí)現集中化管理；⑷可知：可預知即將發(fā)生的雷電，可實(shí)時(shí)監測 SPD 漏電流、溫度狀態(tài)，提前查出劣化的防雷裝置；⑸可測：可在線(xiàn)測量每根接閃器的雷電流峰值大小、極性、時(shí)間，以及 SPD 電網(wǎng)電壓和后備保護器狀態(tài)；⑹可控：后備保護器異常脫扣后，迅速切換到內部 UPS 供電系統，確保自動(dòng)控制系統設備的安全可靠運行。⑺公司部分產(chǎn)品
▲隔離式安全柵
▲石油化工罐區現場(chǎng)變送器專(zhuān)用管式防雷器
▲石油化工罐區電源、視頻系統防雷器(SPD)3.5罐區接地電阻值實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測系統
罐區的接地阻值數據采集相當重要，該系統能實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測系統具備接地電阻值實(shí)時(shí)監測功能，并能將監測數據即時(shí)傳送到數據綜合處理平臺，確保接地系統良好、設備安全運行，同時(shí)可以設置阻值超高時(shí)報警功能。在線(xiàn)防爆式接地電阻自動(dòng)監測儀，配有 GPRS 通訊及RS485 接口，可在罐區組建網(wǎng)絡(luò )系統對每根接地系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和遠程監視，具有 ExiaⅡBT3Ga 防爆認證，可在罐區任意地區安裝使用。
3.5.1產(chǎn)品的優(yōu)勢
⑴測量精度高 0.01--200Ω；⑵該產(chǎn)品采用非接觸是測量技術(shù)，穩定性好，抗干擾能力強；⑶安裝方便，將油罐的接地扁鐵或引下線(xiàn)直接穿過(guò)該測試儀就可以，不影響接地系統和其他設備的正常運行。⑷本接地電阻測試儀帶有LED顯示功能，可在現場(chǎng)隨時(shí)對每個(gè)罐的接地情況進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢查看接地阻值。⑸使用方便可靠，可在現場(chǎng)通過(guò)儀表按鍵設置臨界報警參數，并具有聲光報警功能，便于現場(chǎng)人員檢查。⑹防爆設計，結構嚴謹、具有防塵、防雨功能，符合 IP16 標準。
▲多組接地在線(xiàn)監測安裝示意圖
3.6自動(dòng)報警及監視系統
該系統根據大氣電場(chǎng)儀監測的電場(chǎng)數據、雷電攔截器探測到的數據、電源系統、控制系統信號浪涌保護器（SPD、SCB）、接地電阻監測的各種數據以及設定的報警閾值進(jìn)行雷電災害的報警，同時(shí)能提供直觀(guān)的可視的各種數據在大屏上進(jìn)行顯示的畫(huà)面并能進(jìn)行任意切換。
3.7數據傳輸綜合處理系統
在對石油化工儲運罐區測量控制與安全管理系統中，安裝的大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監測系統、雷電攔截器在線(xiàn)監測系統、自動(dòng)報警及監視系統、接地電阻值實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測系統等各系統實(shí)時(shí)監測的數據信號進(jìn)行綜合運算和處理，同時(shí)根據計算結果給出預警和監控的邏輯及指令信號，以實(shí)現智能預警的最終目的。
3.7.1組成
數據綜合處理系統由雷電預警與防護裝置智能監測報警數據綜合處理硬件、軟件和計算機顯示終端等組成。其中：硬件部分主要包含集中控制器、TD490 總線(xiàn)、RS485 總線(xiàn)、GPRS 網(wǎng)絡(luò )模組、監控交換機、服務(wù)器等；軟件部分主要包含網(wǎng)絡(luò )管理軟件、云計算軟件、綜合控制軟件以及網(wǎng)絡(luò )通信軟件等。
▲各種數據實(shí)時(shí)顯示
3.7.2 綜合處理功能
——狀態(tài)查詢(xún)：可選擇設備可查看設備狀態(tài)以及設備技術(shù)參數等詳細信息；
——歷史查詢(xún)：查詢(xún)相關(guān)設備的名稱(chēng)、位置、地址及型號，歷史操作情況；
——實(shí)時(shí)預警：可實(shí)時(shí)監控罐區每個(gè)設備運行情況，對故障設備進(jìn)行提醒和預警。
——實(shí)時(shí)接收監測裝置傳輸的監測數據;
——具有信息采集、分析、處理、判斷功能，并將信息反饋給用戶(hù)；
——對區域內發(fā)生的雷電進(jìn)行15 min～60 min 預警，并根據報警等級采取相應等級的預防措施；
——實(shí)時(shí)記錄接閃器接閃(避雷針、雷電攔截器)的雷電流強度和接地質(zhì)量，并根據報警等級采取相應等級的預防措施；
——實(shí)時(shí)檢測 SPD 運行狀態(tài)，判定其劣化程度，并根據報警等級采取相應等級的預防措施和執行相應的應急預案；
——實(shí)時(shí)評估判定接地系統質(zhì)量，并根據報警等級采取相應等級的預防措施；
——實(shí)時(shí)評估判定電源質(zhì)量，并根據報警等級采取相應等級的預防措施。
3.7.3 數據處理
(1) 實(shí)時(shí)接收雷電監測預警裝置、雷電流監測裝置、功能型電涌保護器監測裝置、電能質(zhì)量監測裝置和接地電阻監測裝置發(fā)送的數據；(2) 監測、分析雷電監測預警裝置、雷電流監測裝置、功能型電涌保護器監測裝置、電能質(zhì)量監測裝置和接地電阻監測裝置的工作狀態(tài)和參數，顯示檢測結果，提供工作狀態(tài)和參數的查詢(xún)顯示功能；(3) 保存監測數據，保證原始數據能夠及時(shí)存盤(pán)。對監測數據進(jìn)行歸檔和建庫，形成區域雷電預警與防護資料數據庫;(4) 數據的輸出與傳送：將監測結果實(shí)時(shí)輸出顯示，帶有地理位置信息和時(shí)間信息，生成對應的特征參量統計的多種圖形和圖像信息，供管理人員查閱;(5) 數據的優(yōu)化處理:雷電監測預警結果、接閃器接閃的雷電流監測結果、SPD 監測結果、電源質(zhì)量監測結果和接地系統監測結果應經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理，但應能傳輸和貯存原始監測數據。同時(shí)，根據安裝地點(diǎn)分布的地理環(huán)境，應提供預警精度和預警效率的仿真模擬分布結果，為系統預警性能分析提供統計的依據;(6) 歷史數據的處理功能:存檔數據按不同時(shí)段能夠進(jìn)行數據回放，再現雷電預警狀況和各監測裝置的狀態(tài)信息，能夠調用和下載存儲的歷史數據;(7) 故障自檢及健康管理功能。
3.7.4 數據輸出
(1) 監測數據、各裝置監測數據、雷電預警結果以及系統采取的方案代碼輸出至雷電資料數據庫;(2) 歷史雷電預警信息查詢(xún); (3)雷電預警;(4) 接閃器接閃的雷電流大小、波形、時(shí)間;(5) SPD 的脫離器信息、溫度信息、漏電流信息、雷擊計數； (6)電源的電壓、電流、平衡性、波動(dòng)性等數據信息;(7) 接地系統的阻值信息;(8) 雷電特征參量統計，SPD、電源質(zhì)量、接地系統的運行狀態(tài)信息統計;(9) 多種數據、圖形和圖像信息的網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)，各種監測信息遠程傳輸和輸出打印。
四、結論
隨著(zhù)電子信息以及人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展好，5G 移動(dòng)通信基站已遍布城鄉各地，北斗導航系統組網(wǎng)成功，我國的通信技術(shù)，人工智能已經(jīng)飛速發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在引領(lǐng)防雷技術(shù)從傳統模式向智能化的主動(dòng)防雷模式轉變。石油化工罐區發(fā)生閃爆、泄漏、火災爆炸的隱患始終存在，重大事故的隱患依然居高不下，為了社會(huì )安定與人民生命財產(chǎn)免遭雷擊災害的損失，為了適應智能技術(shù)的快速發(fā)展，解決傳統防雷防靜電模式在石油化工儲運行業(yè)存在的弊端，智能化預警控制系統已成為防雷防靜電的必然選擇。
本文轉載自咸陽(yáng)坤寧微電子研究所在2021石油化工數字化罐區高峰論壇暨第三屆全國石油化工儲運罐區測量控制與安全管理技術(shù)交流大會(huì )上發(fā)表的大會(huì )報告所整理
