一、概述

在全国石油化工储运罐区测量控制与安全管理技术交流大会上，探讨解决了石油化工储运罐区部分自动化技术和安全管理中的问题。本次大会在上次会议的基础上，明确要求槽罐运输及罐区储存在智能化控制系统应用的新技术、新方案更先进、更智能、更实际的解决石油化工储运罐区的雷电灾害等具体问题，我们经试验开发了新的预警与智能化管理系统，实现了雷电防护在线监测的强大功能。

二、罐区的雷电形成机理与现状

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。

闪电的的平均电流是 3 万安培，最大电流可达 30 万安培。闪电的电压很高，约为1 亿至 10 亿伏特。带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。而在罐顶则会因雷云形成大量的正电荷依附在罐体四周。如因接地系统出现故障则会出现接闪，发生雷击事件。发生接闪后我们的防雷装置工作是否正常，如何监测罐区的雷电场强的变化和进行预警是我们的当务之急。

然而目前储罐区所采用的监测管理手段相对落后，维护管理的智能化程度低，没有一个系统性的监测和报警系统，设备状态无法做到实时在线监测，不能实现将接地故障、接地极阻值变大、锈蚀断裂、SPD 出现异常状态时不能及时发现，无法将故障自动报警反馈给值班人员，给罐区带来重大安全隐患，存在遭受感应雷，雷电波侵入和雷电电磁脉冲（LEMP）侵害的雷击灾害风险。

三、在线智能预警监测系统3.1 在线智能预警监测系统主要构成如下

（1） 大气电场仪实时监测系统（市电或太阳能供电系统）；（2） 雷电拦截器（接闪器）实时监测系统；（3） 雷电防护装置（SPD、SCB）在线监测系统；（4） 接地电阻值实时在线监测系统；（5） 自动报警及监视系统；（6） 数据传输综合处理系统六部分组成。在线智能预警系统结构框图如下：

实现智能预警系统的架构图如下：

3.2大气电场仪实时监测系统

3.2.1 大气电场仪的功能特点如下：

(1) 对大气电场强度的大小和方向进行实时监测，并将监测数据即时传送到数据综合处理系统。

(2) 系统对大气电场数据进行处理，能有效的对罐区周边的雷云情况进行实时监测，并设置三级雷电报警阈值，提供我们应急预案的实施：a) 第一级阈值：大气电场不小于 2kV/m 且不大于 5kV/m,预示着大气电场正在增强；b) 第二级阈值:大气电场不小于 5kV/m 且不大于 8KV/m,预示大气电场正在快速增强，雷闪概率急速增加；c) 第三级阈值:大气电场不小于 8kV/m,预警未来 5 min～30 min 内雷电发生。

3.2.2 大气电场测试仪供电方式可采用市电或太阳能供电方式

▲设置在罐区周围制高点的大气电场仪实物

3.3雷电拦截器（接闪器）实时监测系统；

3.3.1 雷电峰值记录仪

在雷电拦截器内安装的雷电峰值记录仪，当安装在罐区周边制高点时，能拦截减少直击雷的发生，是在主放电回路上作为雷电流监测装置之一。能用于记录雷击次数、雷电流极性、雷电流波形、雷电流幅值和发生时间等，并能将监测数据即时传送到数据综合处理平台，可设置雷电流的强度报警。

▲雷电拦截器示意图

3.3.2 雷电拦截器

在线监测系统能检测到附近存在的或正在靠近的、有潜在危险的闪电活动，并且提供风暴来临的距离估计。嵌入式的闪电算法能检查传入的信号模式，来排除可能是人为造成的干扰因素通过监测雷电活动产生的电磁场能量，来计算雷电距本地的距离。

由于该数据记录了大量雷击方向、强度、极性，为我们如何做好罐区的直击雷防护提供了可靠的大数据分析依据。

▲雷电监测原理图

▲可以组网进行区域大面积监测

3.4雷电防护装置在线监测系统

3.4.1 系统组成

雷电防护装置在线监测系统，主要由采集我们安装在罐区的供电系统、信号控制系统、 视频监控系统、消防控制系统中的各种浪涌保护装置、SPD 后备保护器、隔离安全栅、集中控制器、雷电拦截器及所安装的雷电峰值记录仪、智能防雷 PDU 等设备组成，真正实现了对雷电临近的主动防护、雷电流信息记录、浪涌保护器的安全可靠运行及对雷击多发位置能做到动态提醒与在线实时监控。

3.4.2 通信方式

可通过有线、无线（GPRS）将数据传输到罐区控制中心，通过服务器及软件在电脑终端或大屏系统显示。

3.4.3 该系统的主要特点

⑴ 能够在计算机上查看系统全貌，系统采用嵌入式分层方式进行查询，可以快速检查每个防雷装置的工作状态；⑵ 能够保证防雷装置始终处于有效的工作状态，保证防雷装置失效或漏流时不起火、不爆炸；⑶能够使管理者（领导）无论在任何地方，只要在身边有网络的地方，便可随时随地查看和管理系统的数据。

3.4.4 系统优势

⑴安全：使用SPD、隔离安全栅、后备保护装置，可有效防止防雷器因失效、漏流造成的火灾事故；⑵可靠：使用智能化的防雷产品，可实时在线监测和控制每一级防雷装置的工作状态；⑶技术领先：可通过有线或无线实现远程，自动控制各类防雷器， 实现集中化管理；⑷可知：可预知即将发生的雷电，可实时监测 SPD 漏电流、温度状态，提前查出劣化的防雷装置；⑸可测：可在线测量每根接闪器的雷电流峰值大小、极性、时间，以及 SPD 电网电压和后备保护器状态；⑹可控：后备保护器异常脱扣后，迅速切换到内部 UPS 供电系统，确保自动控制系统设备的安全可靠运行。⑺公司部分产品

▲隔离式安全栅

▲石油化工罐区现场变送器专用管式防雷器

▲石油化工罐区电源、视频系统防雷器(SPD)3.5罐区接地电阻值实时在线监测系统

罐区的接地阻值数据采集相当重要，该系统能实时在线监测系统具备接地电阻值实时监测功能，并能将监测数据即时传送到数据综合处理平台，确保接地系统良好、设备安全运行，同时可以设置阻值超高时报警功能。在线防爆式接地电阻自动监测仪，配有 GPRS 通讯及RS485 接口，可在罐区组建网络系统对每根接地系统进行实时监测和远程监视，具有 ExiaⅡBT3Ga 防爆认证，可在罐区任意地区安装使用。

3.5.1产品的优势

⑴测量精度高 0.01--200Ω；⑵该产品采用非接触是测量技术，稳定性好，抗干扰能力强；⑶安装方便，将油罐的接地扁铁或引下线直接穿过该测试仪就可以，不影响接地系统和其他设备的正常运行。⑷本接地电阻测试仪带有LED显示功能，可在现场随时对每个罐的接地情况进行实时巡检查看接地阻值。⑸使用方便可靠，可在现场通过仪表按键设置临界报警参数，并具有声光报警功能，便于现场人员检查。⑹防爆设计，结构严谨、具有防尘、防雨功能，符合 IP16 标准。

▲多组接地在线监测安装示意图

3.6自动报警及监视系统

该系统根据大气电场仪监测的电场数据、雷电拦截器探测到的数据、电源系统、控制系统信号浪涌保护器（SPD、SCB）、接地电阻监测的各种数据以及设定的报警阈值进行雷电灾害的报警，同时能提供直观的可视的各种数据在大屏上进行显示的画面并能进行任意切换。

3.7数据传输综合处理系统

在对石油化工储运罐区测量控制与安全管理系统中，安装的大气电场仪实时监测系统、雷电拦截器在线监测系统、自动报警及监视系统、接地电阻值实时在线监测系统等各系统实时监测的数据信号进行综合运算和处理，同时根据计算结果给出预警和监控的逻辑及指令信号，以实现智能预警的最终目的。

3.7.1组成

数据综合处理系统由雷电预警与防护装置智能监测报警数据综合处理硬件、软件和计算机显示终端等组成。其中：硬件部分主要包含集中控制器、TD490 总线、RS485 总线、GPRS 网络模组、监控交换机、服务器等；软件部分主要包含网络管理软件、云计算软件、综合控制软件以及网络通信软件等。

▲各种数据实时显示

3.7.2 综合处理功能

——状态查询：可选择设备可查看设备状态以及设备技术参数等详细信息；

——历史查询：查询相关设备的名称、位置、地址及型号，历史操作情况；

——实时预警：可实时监控罐区每个设备运行情况，对故障设备进行提醒和预警。

——实时接收监测装置传输的监测数据;

——具有信息采集、分析、处理、判断功能，并将信息反馈给用户；

——对区域内发生的雷电进行15 min～60 min 预警，并根据报警等级采取相应等级的预防措施；

——实时记录接闪器接闪(避雷针、雷电拦截器)的雷电流强度和接地质量，并根据报警等级采取相应等级的预防措施；

——实时检测 SPD 运行状态，判定其劣化程度，并根据报警等级采取相应等级的预防措施和执行相应的应急预案；

——实时评估判定接地系统质量，并根据报警等级采取相应等级的预防措施；

——实时评估判定电源质量，并根据报警等级采取相应等级的预防措施。

3.7.3 数据处理

(1) 实时接收雷电监测预警装置、雷电流监测装置、功能型电涌保护器监测装置、电能质量监测装置和接地电阻监测装置发送的数据；(2) 监测、分析雷电监测预警装置、雷电流监测装置、功能型电涌保护器监测装置、电能质量监测装置和接地电阻监测装置的工作状态和参数，显示检测结果，提供工作状态和参数的查询显示功能；(3) 保存监测数据，保证原始数据能够及时存盘。对监测数据进行归档和建库，形成区域雷电预警与防护资料数据库;(4) 数据的输出与传送：将监测结果实时输出显示，带有地理位置信息和时间信息，生成对应的特征参量统计的多种图形和图像信息，供管理人员查阅;(5) 数据的优化处理:雷电监测预警结果、接闪器接闪的雷电流监测结果、SPD 监测结果、电源质量监测结果和接地系统监测结果应经过优化处理，但应能传输和贮存原始监测数据。同时，根据安装地点分布的地理环境，应提供预警精度和预警效率的仿真模拟分布结果，为系统预警性能分析提供统计的依据;(6) 历史数据的处理功能:存档数据按不同时段能够进行数据回放，再现雷电预警状况和各监测装置的状态信息，能够调用和下载存储的历史数据;(7) 故障自检及健康管理功能。

3.7.4 数据输出

(1) 监测数据、各装置监测数据、雷电预警结果以及系统采取的方案代码输出至雷电资料数据库;(2) 历史雷电预警信息查询; (3)雷电预警;(4) 接闪器接闪的雷电流大小、波形、时间;(5) SPD 的脱离器信息、温度信息、漏电流信息、雷击计数； (6)电源的电压、电流、平衡性、波动性等数据信息;(7) 接地系统的阻值信息;(8) 雷电特征参量统计，SPD、电源质量、接地系统的运行状态信息统计;(9) 多种数据、图形和图像信息的网络查询，各种监测信息远程传输和输出打印。

四、结论

随着电子信息以及人工智能技术的飞速发展好，5G 移动通信基站已遍布城乡各地，北斗导航系统组网成功，我国的通信技术，人工智能已经飞速发展，各种物联网技术正在引领防雷技术从传统模式向智能化的主动防雷模式转变。石油化工罐区发生闪爆、泄漏、火灾爆炸的隐患始终存在，重大事故的隐患依然居高不下，为了社会安定与人民生命财产免遭雷击灾害的损失，为了适应智能技术的快速发展，解决传统防雷防静电模式在石油化工储运行业存在的弊端，智能化预警控制系统已成为防雷防静电的必然选择。

本文转载自咸阳坤宁微电子研究所在2021石油化工数字化罐区高峰论坛暨第三届全国石油化工储运罐区测量控制与安全管理技术交流大会上发表的大会报告所整理