一、概述
在全國(guó)石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)測(cè)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(chǔ)運(yùn)罐區(qū)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(chǔ)上，明確要求槽罐運(yùn)輸及罐區(qū)儲(chǔ)存在智能化控制系統(tǒng)應(yīng)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(chǔ)運(yùn)罐區(qū)的雷電災(zāi)害等具體問(wèn)題，我們經(jīng)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)了新的預(yù)警與智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雷電防護(hù)在線監(jiān)測(cè)的強(qiáng)大功能。
二、罐區(qū)的雷電形成機(jī)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(diǎn)令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)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(duì)流等過(guò)程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個(gè)電位差。當(dāng)電位差達(dá)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(xiàn)象。
閃電的的平均電流是 3 萬(wàn)安培，最大電流可達(dá) 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(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。在雷電放電地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)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(tǒng)出現(xiàn)故障則會(huì)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(cè)罐區(qū)的雷電場(chǎng)強(qiáng)的變化和進(jìn)行預(yù)警是我們的當(dāng)務(wù)之急。
然而目前儲(chǔ)罐區(qū)所采用的監(jiān)測(cè)管理手段相對(duì)落后，維護(hù)管理的智能化程度低，沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)備狀態(tài)無(wú)法做到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，不能實(shí)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(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)法將故障自動(dòng)報(bào)警反饋給值班人員，給罐區(qū)帶來(lái)重大安全隱患，存在遭受感應(yīng)雷，雷電波侵入和雷電電磁脈沖（LEMP）侵害的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。
三、在線智能預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3.1 在線智能預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要構(gòu)成如下
（1） 大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（市電或太陽(yáng)能供電系統(tǒng)）；（2） 雷電攔截器（接閃器）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；（3） 雷電防護(hù)裝置（SPD、SCB）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；（4） 接地電阻值實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；（5） 自動(dòng)報(bào)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(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：
實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)圖如下：
3.2大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
3.2.1 大氣電場(chǎng)儀的功能特點(diǎn)如下：
(1) 對(duì)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)。
(2) 系統(tǒng)對(duì)大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能有效的對(duì)罐區(qū)周邊的雷云情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并設(shè)置三級(jí)雷電報(bào)警閾值，提供我們應(yīng)急預(yù)案的實(shí)施：a) 第一級(jí)閾值：大氣電場(chǎng)不小于 2kV/m 且不大于 5kV/m,預(yù)示著大氣電場(chǎng)正在增強(qiáng)；b) 第二級(jí)閾值:大氣電場(chǎng)不小于 5kV/m 且不大于 8KV/m,預(yù)示大氣電場(chǎng)正在快速增強(qiáng)，雷閃概率急速增加；c) 第三級(jí)閾值:大氣電場(chǎng)不小于 8kV/m,預(yù)警未來(lái) 5 min～30 min 內(nèi)雷電發(fā)生。
3.2.2 大氣電場(chǎng)測(cè)試儀供電方式可采用市電或太陽(yáng)能供電方式
▲設(shè)置在罐區(qū)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(jiān)測(cè)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(dāng)安裝在罐區(qū)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(jiān)測(cè)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(shí)間等，并能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到數(shù)據(jù)綜合處理平臺(tái)，可設(shè)置雷電流的強(qiáng)度報(bào)警。
▲雷電攔截器示意圖
3.3.2 雷電攔截器
在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到附近存在的或正在靠近的、有潛在危險(xiǎn)的閃電活動(dòng)，并且提供風(fēng)暴來(lái)臨的距離估計(jì)。嵌入式的閃電算法能檢查傳入的信號(hào)模式，來(lái)排除可能是人為造成的干擾因素通過(guò)監(jiān)測(cè)雷電活動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量，來(lái)計(jì)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(qiáng)度、極性，為我們?nèi)绾巫龊霉迏^(qū)的直擊雷防護(hù)提供了可靠的大數(shù)據(jù)分析依據(jù)。
▲雷電監(jiān)測(cè)原理圖
▲可以組網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域大面積監(jiān)測(cè)
3.4雷電防護(hù)裝置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
3.4.1 系統(tǒng)組成
雷電防護(hù)裝置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由采集我們安裝在罐區(qū)的供電系統(tǒng)、信號(hào)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(hù)裝置、SPD 后備保護(hù)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(shè)備組成，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷電臨近的主動(dòng)防護(hù)、雷電流信息記錄、浪涌保護(hù)器的安全可靠運(yùn)行及對(duì)雷擊多發(fā)位置能做到動(dòng)態(tài)提醒與在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3.4.2 通信方式
可通過(guò)有線、無(wú)線（GPRS）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦迏^(qū)控制中心，通過(guò)服務(wù)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(diǎn)
⑴ 能夠在計(jì)算機(jī)上查看系統(tǒng)全貌，系統(tǒng)采用嵌入式分層方式進(jìn)行查詢，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(dǎo)）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(tǒng)的數(shù)據(jù)。
3.4.4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
⑴安全：使用SPD、隔離安全柵、后備保護(hù)裝置，可有效防止防雷器因失效、漏流造成的火災(zāi)事故；⑵可靠：使用智能化的防雷產(chǎn)品，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和控制每一級(jí)防雷裝置的工作狀態(tài)；⑶技術(shù)領(lǐng)先：可通過(guò)有線或無(wú)線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程，自動(dòng)控制各類防雷器， 實(shí)現(xiàn)集中化管理；⑷可知：可預(yù)知即將發(fā)生的雷電，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) SPD 漏電流、溫度狀態(tài)，提前查出劣化的防雷裝置；⑸可測(cè)：可在線測(cè)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(hù)器狀態(tài)；⑹可控：后備保護(hù)器異常脫扣后，迅速切換到內(nèi)部 UPS 供電系統(tǒng)，確保自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)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(chǎng)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
罐區(qū)的接地阻值數(shù)據(jù)采集相當(dāng)重要，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備接地電阻值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，并能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到數(shù)據(jù)綜合處理平臺(tái)，確保接地系統(tǒng)良好、設(shè)備安全運(yùn)行，同時(shí)可以設(shè)置阻值超高時(shí)報(bào)警功能。在線防爆式接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，配有 GPRS 通訊及RS485 接口，可在罐區(qū)組建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)每根接地系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)視，具有 ExiaⅡBT3Ga 防爆認(rèn)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(shì)
⑴測(cè)量精度高 0.01--200Ω；⑵該產(chǎn)品采用非接觸是測(cè)量技術(shù)，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)；⑶安裝方便，將油罐的接地扁鐵或引下線直接穿過(guò)該測(cè)試儀就可以，不影響接地系統(tǒng)和其他設(shè)備的正常運(yùn)行。⑷本接地電阻測(cè)試儀帶有LED顯示功能，可在現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)對(duì)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(xiàn)場(chǎng)通過(guò)儀表按鍵設(shè)置臨界報(bào)警參數(shù)，并具有聲光報(bào)警功能，便于現(xiàn)場(chǎng)人員檢查。⑹防爆設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、具有防塵、防雨功能，符合 IP16 標(biāo)準(zhǔn)。
▲多組接地在線監(jiān)測(cè)安裝示意圖
3.6自動(dòng)報(bào)警及監(jiān)視系統(tǒng)
該系統(tǒng)根據(jù)大氣電場(chǎng)儀監(jiān)測(cè)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)、雷電攔截器探測(cè)到的數(shù)據(jù)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)信號(hào)浪涌保護(hù)器（SPD、SCB）、接地電阻監(jiān)測(cè)的各種數(shù)據(jù)以及設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行雷電災(zāi)害的報(bào)警，同時(shí)能提供直觀的可視的各種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸綜合處理系統(tǒng)
在對(duì)石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)測(cè)量控制與安全管理系統(tǒng)中，安裝的大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雷電攔截器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警及監(jiān)視系統(tǒng)、接地電阻值實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等各系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行綜合運(yùn)算和處理，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出預(yù)警和監(jiān)控的邏輯及指令信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)智能預(yù)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(yù)警與防護(hù)裝置智能監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)綜合處理硬件、軟件和計(jì)算機(jī)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(luò)模組、監(jiān)控交換機(jī)、服務(wù)器等；軟件部分主要包含網(wǎng)絡(luò)管理軟件、云計(jì)算軟件、綜合控制軟件以及網(wǎng)絡(luò)通信軟件等。
▲各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示
3.7.2 綜合處理功能
——狀態(tài)查詢：可選擇設(shè)備可查看設(shè)備狀態(tài)以及設(shè)備技術(shù)參數(shù)等詳細(xì)信息；
——?dú)v史查詢：查詢相關(guān)設(shè)備的名稱、位置、地址及型號(hào)，歷史操作情況；
——實(shí)時(shí)預(yù)警：可實(shí)時(shí)監(jiān)控罐區(qū)每個(gè)設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行提醒和預(yù)警。
——實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)裝置傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)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(duì)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷電進(jìn)行15 min～60 min 預(yù)警，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)采取相應(yīng)等級(jí)的預(yù)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(qiáng)度和接地質(zhì)量，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)采取相應(yīng)等級(jí)的預(yù)防措施；
——實(shí)時(shí)檢測(cè) SPD 運(yùn)行狀態(tài)，判定其劣化程度，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)采取相應(yīng)等級(jí)的預(yù)防措施和執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；
——實(shí)時(shí)評(píng)估判定接地系統(tǒng)質(zhì)量，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)采取相應(yīng)等級(jí)的預(yù)防措施；
——實(shí)時(shí)評(píng)估判定電源質(zhì)量，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)采取相應(yīng)等級(jí)的預(yù)防措施。
3.7.3 數(shù)據(jù)處理
(1) 實(shí)時(shí)接收雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置、雷電流監(jiān)測(cè)裝置、功能型電涌保護(hù)器監(jiān)測(cè)裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和接地電阻監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)；(2) 監(jiān)測(cè)、分析雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置、雷電流監(jiān)測(cè)裝置、功能型電涌保護(hù)器監(jiān)測(cè)裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和接地電阻監(jiān)測(cè)裝置的工作狀態(tài)和參數(shù)，顯示檢測(cè)結(jié)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(cè)數(shù)據(jù)，保證原始數(shù)據(jù)能夠及時(shí)存盤(pán)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和建庫(kù)，形成區(qū)域雷電預(yù)警與防護(hù)資料數(shù)據(jù)庫(kù);(4) 數(shù)據(jù)的輸出與傳送：將監(jiān)測(cè)結(jié)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(duì)應(yīng)的特征參量統(tǒng)計(jì)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(cè)預(yù)警結(jié)果、接閃器接閃的雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果、SPD 監(jiān)測(cè)結(jié)果、電源質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果和接地系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理，但應(yīng)能傳輸和貯存原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，根據(jù)安裝地點(diǎn)分布的地理環(huán)境，應(yīng)提供預(yù)警精度和預(yù)警效率的仿真模擬分布結(jié)果，為系統(tǒng)預(yù)警性能分析提供統(tǒng)計(jì)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(shí)段能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，再現(xiàn)雷電預(yù)警狀況和各監(jiān)測(cè)裝置的狀態(tài)信息，能夠調(diào)用和下載存儲(chǔ)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(cè)數(shù)據(jù)、各裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、雷電預(yù)警結(jié)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(kù);(2) 歷史雷電預(yù)警信息查詢; (3)雷電預(yù)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(jì)數(shù)； (6)電源的電壓、電流、平衡性、波動(dòng)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(jì)，SPD、電源質(zhì)量、接地系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息統(tǒng)計(jì);(9) 多種數(shù)據(jù)、圖形和圖像信息的網(wǎng)絡(luò)查詢，各種監(jiān)測(cè)信息遠(yuǎn)程傳輸和輸出打印。
四、結(jié)論
隨著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(xiāng)各地，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)成功，我國(guó)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(tǒng)模式向智能化的主動(dòng)防雷模式轉(zhuǎn)變。石油化工罐區(qū)發(fā)生閃爆、泄漏、火災(zāi)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(cái)產(chǎn)免遭雷擊災(zāi)害的損失，為了適應(yīng)智能技術(shù)的快速發(fā)展，解決傳統(tǒng)防雷防靜電模式在石油化工儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)存在的弊端，智能化預(yù)警控制系統(tǒng)已成為防雷防靜電的必然選擇。
本文轉(zhuǎn)載自咸陽(yáng)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(guó)石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)測(cè)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(bào)告所整理
