一、概述
在全國石油化工儲運罐區(qū)測量控制與安全管理技術交流大會上，探討解決了石油化工儲運罐區(qū)部分自動化技術和安全管理中的問題。本次大會在上次會議的基礎上，明確要求槽罐運輸及罐區(qū)儲存在智能化控制系統(tǒng)應用的新技術、新方案更先進、更智能、更實際的解決石油化工儲運罐區(qū)的雷電災害等具體問題，我們經(jīng)試驗開發(fā)了新的預警與智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了雷電防護在線監(jiān)測的強大功能。
二、罐區(qū)的雷電形成機理與現(xiàn)狀
雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現(xiàn)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和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷，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、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。
閃電的的平均電流是 3 萬安培，最大電流可達 30 萬安培。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，它們之間就發(fā)生激烈的放電。放電過程中，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。在雷電放電地點會出現(xiàn)強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。而在罐頂則會因雷云形成大量的正電荷依附在罐體四周。如因接地系統(tǒng)出現(xiàn)故障則會出現(xiàn)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(jiān)測罐區(qū)的雷電場強的變化和進行預警是我們的當務之急。
然而目前儲罐區(qū)所采用的監(jiān)測管理手段相對落后，維護管理的智能化程度低，沒有一個系統(tǒng)性的監(jiān)測和報警系統(tǒng)，設備狀態(tài)無法做到實時在線監(jiān)測，不能實現(xiàn)將接地故障、接地極阻值變大、銹蝕斷裂、SPD 出現(xiàn)異常狀態(tài)時不能及時發(fā)現(xiàn)，無法將故障自動報警反饋給值班人員，給罐區(qū)帶來重大安全隱患，存在遭受感應雷，雷電波侵入和雷電電磁脈沖（LEMP）侵害的雷擊災害風險。
三、在線智能預警監(jiān)測系統(tǒng)3.1 在線智能預警監(jiān)測系統(tǒng)主要構成如下
（1） 大氣電場儀實時監(jiān)測系統(tǒng)（市電或太陽能供電系統(tǒng)）；（2） 雷電攔截器（接閃器）實時監(jiān)測系統(tǒng)；（3） 雷電防護裝置（SPD、SCB）在線監(jiān)測系統(tǒng)；（4） 接地電阻值實時在線監(jiān)測系統(tǒng)；（5） 自動報警及監(jiān)視系統(tǒng)；（6） 數(shù)據(jù)傳輸綜合處理系統(tǒng)六部分組成。在線智能預警系統(tǒng)結構框圖如下：
實現(xiàn)智能預警系統(tǒng)的架構圖如下：
3.2大氣電場儀實時監(jiān)測系統(tǒng)
3.2.1 大氣電場儀的功能特點如下：
(1) 對大氣電場強度的大小和方向進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)即時傳送到數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)。
(2) 系統(tǒng)對大氣電場數(shù)據(jù)進行處理，能有效的對罐區(qū)周邊的雷云情況進行實時監(jiān)測，并設置三級雷電報警閾值，提供我們應急預案的實施：a) 第一級閾值：大氣電場不小于 2kV/m 且不大于 5kV/m,預示著大氣電場正在增強；b) 第二級閾值:大氣電場不小于 5kV/m 且不大于 8KV/m,預示大氣電場正在快速增強，雷閃概率急速增加；c) 第三級閾值:大氣電場不小于 8kV/m,預警未來 5 min～30 min 內(nèi)雷電發(fā)生。
3.2.2 大氣電場測試儀供電方式可采用市電或太陽能供電方式
▲設置在罐區(qū)周圍制高點的大氣電場儀實物
3.3雷電攔截器（接閃器）實時監(jiān)測系統(tǒng)；
3.3.1 雷電峰值記錄儀
在雷電攔截器內(nèi)安裝的雷電峰值記錄儀，當安裝在罐區(qū)周邊制高點時，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(jiān)測裝置之一。能用于記錄雷擊次數(shù)、雷電流極性、雷電流波形、雷電流幅值和發(fā)生時間等，并能將監(jiān)測數(shù)據(jù)即時傳送到數(shù)據(jù)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
在線監(jiān)測系統(tǒng)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，并且提供風暴來臨的距離估計。嵌入式的閃電算法能檢查傳入的信號模式，來排除可能是人為造成的干擾因素通過監(jiān)測雷電活動產(chǎn)生的電磁場能量，來計算雷電距本地的距離。
由于該數(shù)據(jù)記錄了大量雷擊方向、強度、極性，為我們?nèi)绾巫龊霉迏^(qū)的直擊雷防護提供了可靠的大數(shù)據(jù)分析依據(jù)。
▲雷電監(jiān)測原理圖
▲可以組網(wǎng)進行區(qū)域大面積監(jiān)測
3.4雷電防護裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)
3.4.1 系統(tǒng)組成
雷電防護裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要由采集我們安裝在罐區(qū)的供電系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)、 視頻監(jiān)控系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)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，真正實現(xiàn)了對雷電臨近的主動防護、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)位置能做到動態(tài)提醒與在線實時監(jiān)控。
3.4.2 通信方式
可通過有線、無線（GPRS）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦迏^(qū)控制中心，通過服務器及軟件在電腦終端或大屏系統(tǒng)顯示。
3.4.3 該系統(tǒng)的主要特點
⑴ 能夠在計算機上查看系統(tǒng)全貌，系統(tǒng)采用嵌入式分層方式進行查詢，可以快速檢查每個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不起火、不爆炸；⑶能夠使管理者（領導）無論在任何地方，只要在身邊有網(wǎng)絡的地方，便可隨時隨地查看和管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
3.4.4 系統(tǒng)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，可實時在線監(jiān)測和控制每一級防雷裝置的工作狀態(tài)；⑶技術領先：可通過有線或無線實現(xiàn)遠程，自動控制各類防雷器， 實現(xiàn)集中化管理；⑷可知：可預知即將發(fā)生的雷電，可實時監(jiān)測 SPD 漏電流、溫度狀態(tài)，提前查出劣化的防雷裝置；⑸可測：可在線測量每根接閃器的雷電流峰值大小、極性、時間，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(nèi)部 UPS 供電系統(tǒng)，確保自動控制系統(tǒng)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(qū)現(xiàn)場變送器專用管式防雷器
▲石油化工罐區(qū)電源、視頻系統(tǒng)防雷器(SPD)3.5罐區(qū)接地電阻值實時在線監(jiān)測系統(tǒng)
罐區(qū)的接地阻值數(shù)據(jù)采集相當重要，該系統(tǒng)能實時在線監(jiān)測系統(tǒng)具備接地電阻值實時監(jiān)測功能，并能將監(jiān)測數(shù)據(jù)即時傳送到數(shù)據(jù)綜合處理平臺，確保接地系統(tǒng)良好、設備安全運行，同時可以設置阻值超高時報警功能。在線防爆式接地電阻自動監(jiān)測儀，配有 GPRS 通訊及RS485 接口，可在罐區(qū)組建網(wǎng)絡系統(tǒng)對每根接地系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和遠程監(jiān)視，具有 ExiaⅡBT3Ga 防爆認證，可在罐區(qū)任意地區(qū)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，穩(wěn)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直接穿過該測試儀就可以，不影響接地系統(tǒng)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(xiàn)場隨時對每個罐的接地情況進行實時巡檢查看接地阻值。⑸使用方便可靠，可在現(xiàn)場通過儀表按鍵設置臨界報警參數(shù)，并具有聲光報警功能，便于現(xiàn)場人員檢查。⑹防爆設計，結構嚴謹、具有防塵、防雨功能，符合 IP16 標準。
▲多組接地在線監(jiān)測安裝示意圖
3.6自動報警及監(jiān)視系統(tǒng)
該系統(tǒng)根據(jù)大氣電場儀監(jiān)測的電場數(shù)據(jù)、雷電攔截器探測到的數(shù)據(jù)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)信號浪涌保護器（SPD、SCB）、接地電阻監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)以及設定的報警閾值進行雷電災害的報警，同時能提供直觀的可視的各種數(shù)據(jù)在大屏上進行顯示的畫面并能進行任意切換。
3.7數(shù)據(jù)傳輸綜合處理系統(tǒng)
在對石油化工儲運罐區(qū)測量控制與安全管理系統(tǒng)中，安裝的大氣電場儀實時監(jiān)測系統(tǒng)、雷電攔截器在線監(jiān)測系統(tǒng)、自動報警及監(jiān)視系統(tǒng)、接地電阻值實時在線監(jiān)測系統(tǒng)等各系統(tǒng)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號進行綜合運算和處理，同時根據(jù)計算結果給出預警和監(jiān)控的邏輯及指令信號，以實現(xiàn)智能預警的最終目的。
3.7.1組成
數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)由雷電預警與防護裝置智能監(jiān)測報警數(shù)據(jù)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、RS485 總線、GPRS 網(wǎng)絡模組、監(jiān)控交換機、服務器等；軟件部分主要包含網(wǎng)絡管理軟件、云計算軟件、綜合控制軟件以及網(wǎng)絡通信軟件等。
▲各種數(shù)據(jù)實時顯示
3.7.2 綜合處理功能
——狀態(tài)查詢：可選擇設備可查看設備狀態(tài)以及設備技術參數(shù)等詳細信息；
——歷史查詢：查詢相關設備的名稱、位置、地址及型號，歷史操作情況；
——實時預警：可實時監(jiān)控罐區(qū)每個設備運行情況，對故障設備進行提醒和預警。
——實時接收監(jiān)測裝置傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù);
——具有信息采集、分析、處理、判斷功能，并將信息反饋給用戶；
——對區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷電進行15 min～60 min 預警，并根據(jù)報警等級采取相應等級的預防措施；
——實時記錄接閃器接閃(避雷針、雷電攔截器)的雷電流強度和接地質(zhì)量，并根據(jù)報警等級采取相應等級的預防措施；
——實時檢測 SPD 運行狀態(tài)，判定其劣化程度，并根據(jù)報警等級采取相應等級的預防措施和執(zhí)行相應的應急預案；
——實時評估判定接地系統(tǒng)質(zhì)量，并根據(jù)報警等級采取相應等級的預防措施；
——實時評估判定電源質(zhì)量，并根據(jù)報警等級采取相應等級的預防措施。
3.7.3 數(shù)據(jù)處理
(1) 實時接收雷電監(jiān)測預警裝置、雷電流監(jiān)測裝置、功能型電涌保護器監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置和接地電阻監(jiān)測裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)；(2) 監(jiān)測、分析雷電監(jiān)測預警裝置、雷電流監(jiān)測裝置、功能型電涌保護器監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置和接地電阻監(jiān)測裝置的工作狀態(tài)和參數(shù)，顯示檢測結果，提供工作狀態(tài)和參數(shù)的查詢顯示功能；(3) 保存監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證原始數(shù)據(jù)能夠及時存盤。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸檔和建庫，形成區(qū)域雷電預警與防護資料數(shù)據(jù)庫;(4) 數(shù)據(jù)的輸出與傳送：將監(jiān)測結果實時輸出顯示，帶有地理位置信息和時間信息，生成對應的特征參量統(tǒng)計的多種圖形和圖像信息，供管理人員查閱;(5) 數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理:雷電監(jiān)測預警結果、接閃器接閃的雷電流監(jiān)測結果、SPD 監(jiān)測結果、電源質(zhì)量監(jiān)測結果和接地系統(tǒng)監(jiān)測結果應經(jīng)過優(yōu)化處理，但應能傳輸和貯存原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)安裝地點分布的地理環(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(tǒng)預警性能分析提供統(tǒng)計的依據(jù);(6) 歷史數(shù)據(jù)的處理功能:存檔數(shù)據(jù)按不同時段能夠進行數(shù)據(jù)回放，再現(xiàn)雷電預警狀況和各監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息，能夠調(diào)用和下載存儲的歷史數(shù)據(jù);(7) 故障自檢及健康管理功能。
3.7.4 數(shù)據(jù)輸出
(1) 監(jiān)測數(shù)據(jù)、各裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)、雷電預警結果以及系統(tǒng)采取的方案代碼輸出至雷電資料數(shù)據(jù)庫;(2) 歷史雷電預警信息查詢; (3)雷電預警;(4) 接閃器接閃的雷電流大小、波形、時間;(5) SPD 的脫離器信息、溫度信息、漏電流信息、雷擊計數(shù)； (6)電源的電壓、電流、平衡性、波動性等數(shù)據(jù)信息;(7) 接地系統(tǒng)的阻值信息;(8) 雷電特征參量統(tǒng)計，SPD、電源質(zhì)量、接地系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息統(tǒng)計;(9) 多種數(shù)據(jù)、圖形和圖像信息的網(wǎng)絡查詢，各種監(jiān)測信息遠程傳輸和輸出打印。
四、結論
隨著電子信息以及人工智能技術的飛速發(fā)展好，5G 移動通信基站已遍布城鄉(xiāng)各地，北斗導航系統(tǒng)組網(wǎng)成功，我國的通信技術，人工智能已經(jīng)飛速發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)技術正在引領防雷技術從傳統(tǒng)模式向智能化的主動防雷模式轉變。石油化工罐區(qū)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，為了適應智能技術的快速發(fā)展，解決傳統(tǒng)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(tǒng)已成為防雷防靜電的必然選擇。
本文轉載自咸陽坤寧微電子研究所在2021石油化工數(shù)字化罐區(qū)高峰論壇暨第三屆全國石油化工儲運罐區(qū)測量控制與安全管理技術交流大會上發(fā)表的大會報告所整理
