劉 波，丁 旻，吳安坤，朱曦嶸

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州貴陽(yáng) 5500022.黔西南州氣象局，貴州興義 562400)

儲(chǔ)油罐雷擊電磁環(huán)境模擬與安全分析

劉 波1，丁 旻1，吳安坤1，朱曦嶸2

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州貴陽(yáng)5500022.黔西南州氣象局，貴州興義562400)

以貴陽(yáng)市某油庫(kù)的儲(chǔ)油罐為例，采用CDEGS軟件，模擬油罐在雷擊狀態(tài)下的電磁場(chǎng)變化，并分析電磁變化帶來(lái)的安全影響。為減少或避免油庫(kù)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)油庫(kù)的防雷設(shè)計(jì)具有一定意義。

儲(chǔ)油罐 電磁環(huán)境 安全分析

中國(guó)石化貴州石油分公司貴陽(yáng)油庫(kù)原址建于1958年，主要儲(chǔ)存汽油、柴油和潤(rùn)滑油。本次擴(kuò)容改造在原有T2罐組北側(cè)，新建4座10 000 m3的內(nèi)浮頂罐，與原有T2罐組形成一個(gè)罐組，建成后油庫(kù)等級(jí)由二級(jí)上升為一級(jí)。本文通過(guò)建模分析儲(chǔ)油罐在雷擊狀態(tài)下的電磁場(chǎng)變化，并分析電磁變化對(duì)安全的影響。

1 模型參數(shù)

本研究所選儲(chǔ)油罐為10 000 m3內(nèi)浮頂鋼質(zhì)柴油罐，油罐直徑28 m，高度小于20 m。與原T2油罐區(qū)組成一個(gè)新的T2罐區(qū)，與原有油罐區(qū)之間采用防火隔堤，防火堤與消防道路之間，均嚴(yán)格按規(guī)范要求留出足夠的防火距離。

儲(chǔ)油罐采用鋼筋混凝土環(huán)墻式基礎(chǔ)地基，設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。鋼筋型號(hào)：HPB235、HRB335、HRB400，鋼板型號(hào)：Q235、Q345，焊條型號(hào)：E43、E50。

a)雷電相關(guān)參數(shù)。貴陽(yáng)市最大雷電流強(qiáng)度244.47 kA，平均閃電強(qiáng)度38.09 kA，本次模擬雷電流強(qiáng)度選取極值250 kA，雷電流上升時(shí)間為5 μs，在150 μs內(nèi)衰減為零，極性為負(fù)地閃，是地閃強(qiáng)度發(fā)生概率最為集中區(qū)段。

b)土壤參數(shù)。本研究利用SYSCAL Junior土壤電阻率測(cè)試儀對(duì)該罐區(qū)所處區(qū)域的土壤電阻率進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量方法為溫納四極法，測(cè)量電極的間距最大為29 m，測(cè)量得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。利用CDEGS軟件REASP模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演分析，得出圖1所示兩層水平土壤結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，該儲(chǔ)油罐所處區(qū)域土壤擬合模型為水平兩層結(jié)構(gòu)，第一層(0～3.48 m)，平均土壤電阻率值85.0 Ω·m；第二層(3.49～30.00 m)，平均土壤電阻率值930.9 Ω·m。分層擬合結(jié)果的均方根誤差為2.50%。

表1 溫納四極法測(cè)得建筑區(qū)域土壤電阻率值

圖1 儲(chǔ)油罐所處區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)分層模型

2 人員安全分析

雷擊時(shí)該周邊人員安全采用IEC/TR 60479-4-2011《電流對(duì)人和家畜的影響——第4部分：雷擊影響》判別人員是否安全。利用該標(biāo)準(zhǔn)中的具體顫動(dòng)激勵(lì)或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy method)進(jìn)行計(jì)算分析。雷擊狀態(tài)下的人員安全標(biāo)準(zhǔn)值為13.5 J。

基于前述相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用CDEGS軟件的HIFREQ和FFTSES模塊以及SESCAD建模工具，建立了該建筑的三維數(shù)值模型，分析該儲(chǔ)油罐遭受直擊雷時(shí)，處于油罐底層的人員，身體遭受的接觸電壓、跨步電壓隨時(shí)間的變化情況，評(píng)估此情況下人員是否安全見(jiàn)圖2、表2及表3。

圖2 遭受直擊雷時(shí)油庫(kù)周圍觀測(cè)面內(nèi)接觸電壓、跨步電壓最大值

表2 油庫(kù)遭受直擊雷時(shí)相關(guān)參數(shù)

結(jié)果表明，3種不同雷電流波形情況下，由接觸電壓和跨步電壓引起的通過(guò)人體的能量均大于雷擊狀態(tài)下人身安全標(biāo)準(zhǔn)值，即儲(chǔ)油罐最高點(diǎn)遭受直擊雷時(shí)，因接觸電壓和跨步電壓可造成周邊人員死傷。

表3 油庫(kù)遭受直擊雷時(shí)建筑物底部通過(guò)人體的能量

3 電磁安全分析

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣是一個(gè)很好的絕緣體，當(dāng)電荷積聚超過(guò)了電氣極限或空氣的介電強(qiáng)度時(shí)才會(huì)發(fā)生絕緣擊穿。在干燥空氣條件中，擊穿空氣的電場(chǎng)強(qiáng)度大約為E=3 000 V/mm；在潮濕的空氣中，擊穿空氣的電場(chǎng)強(qiáng)度大約為E=1 000 V/mm。此數(shù)值可評(píng)估雷擊狀態(tài)下發(fā)生電火花的可能性，或兩個(gè)接近導(dǎo)體間發(fā)生電弧或火花的最小距離。

土壤也可以產(chǎn)生介電擊穿，引起電弧或火花放電。土壤潮濕狀態(tài)下的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為300 V/mm，干燥狀態(tài)下為1 000 V/mm。

基于前述相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用CDEGS軟件的HIFREQ和FFTSES模塊以及SESCAD建模工具，建立了該建筑的三維數(shù)值模型，分析雷電擊中儲(chǔ)油罐時(shí)，油罐底部的合成電場(chǎng)、合成磁場(chǎng)最大值。結(jié)果見(jiàn)圖3。

結(jié)果表明，雷擊儲(chǔ)油罐最高點(diǎn)后，在不采取屏蔽措施的情況下，油庫(kù)最大地電位升可達(dá)330 kV以上，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25 V/mm，不會(huì)造成空氣擊穿。

圖3 遭受直擊雷油罐觀測(cè)面內(nèi)合成電場(chǎng)、合成磁場(chǎng)最大值

最大磁場(chǎng)約為4 000 A/m(無(wú)屏蔽措施)，大于800 A/m，可能會(huì)造成附近自動(dòng)控制設(shè)備的損壞。

4 結(jié)論

利用CDEGS軟件，建模分析儲(chǔ)油罐在雷擊狀態(tài)下的電磁環(huán)境變化，并分析這種變化對(duì)處于儲(chǔ)油罐周圍的人員和設(shè)備的影響。結(jié)果表明：

a)采用3種不同雷電流波形模擬雷擊儲(chǔ)油罐的情況下，由接觸電壓和跨步電壓引起的通過(guò)人體的能量均大于雷擊狀態(tài)下人身安全標(biāo)準(zhǔn)值，即儲(chǔ)油罐遭受直擊雷時(shí)，因接觸電壓和跨步電壓可造成周邊人員死傷。

b)雷擊儲(chǔ)油罐時(shí)，油庫(kù)最大地電位升可達(dá)330 kV以上，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為25 V/mm，不會(huì)造成儲(chǔ)油罐附近的空氣擊穿；但在不采取屏蔽措施的情況下，儲(chǔ)油罐附近的最大磁場(chǎng)約為4 000 A/m，大于800 A/m，可能會(huì)造成附近自動(dòng)控制設(shè)備的損壞，需采取相關(guān)屏蔽措施。

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OilTankLightningElectromagneticEnvironmentSimulationandSafetyAnalysis

Liu Bo1, Ding Min1, Wu Ankun1, Zhu Xirong2

(1.Guizhou Lightning Protection and Disaster Mitiga-tion Center, Guizhou, Guiyang，550002 2.Qianxi Nanzhou Meteorological Bureau, Guizhou, Xingyi，562400)

Taking a storage tank of oil depots in Guiyang city as an example, using CDEGS software to simulate changes in the lightning electromagnetic field tank status, this paper analyzes the impact the safety of the electromagnetic change. In order to reduce or avoid terminal lightning disaster risk, science and lightning protection design has a certain significance for guiding the oil depot.

oil tank; electromagnetic environment; safety analysis

2016-03-18

劉波，工程師，2009年畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)雷電防護(hù)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，研究方向?yàn)槔纂姺雷o(hù)技術(shù)與應(yīng)用。