石油化工企业应用防爆抗谐波防腐电缆的必要性

石油化工企业应用防爆抗谐波防腐电缆的必要性

巡检预警防爆电缆是石油、石油化工等企业必须使用的电缆，直接关系到企业的生死存亡和企业人员的生命财产安全。
在石油化工等企业对防爆要求是重中之重，稍有不慎，就会引发重大安全事故。石化企业在生产过程中，存在着多种引起火灾和爆炸的根源。
一、应用巡检预警防爆电缆刻不容缓
　　石油化工企业常见的引起火灾和爆炸的原因
　　1．电气设备及线路的短路或电火花或静电放电
　　2．电磁感应放电、粉尘自燃
　　3．化学反应、原料分解自燃、热辐射
　　4．明火、雷击和日光照射
　　5．高温表面磨擦和撞击、绝热压缩
　　以上5项常见的引起火灾和爆炸的原因就有2项是与电路有关的，可见电线电缆的巡检预警防爆处理在石油石油化工企业中地位是举足轻重的。
2008年8月26日6时45分，广西广维石油化工股份有限公司发生爆炸事故，爆炸引发的火灾导致车间内装有甲醇等易燃易爆物品的储罐发生爆炸。事故造成20人遇难，周围3公里范围内18个村屯和广维集团生活区的11500名群众紧急疏散。这起爆炸事故是一起近10年来全国范围内伤亡最严重的石油化工事故。
2010年7月28日上午10点左右，南京栖霞区一个废弃的塑料石油化工厂发生爆炸，事故造成了13人死亡和120人住院治疗。爆炸的原因是，有一条乙烯管道通过废弃的厂区，而厂区内电缆因年久失修造成局部过热放电，乙烯泄漏遇到电火花发生爆炸。
2012年2月28日上午9点20左右，位于河北石家庄赵县生物产业园的河北克尔石油化工有限公司一号车间1号反应釜底部放料阀（用导热油伴热）处导热油泄漏遇静电自燃着火，发生爆炸。该事故共造成25人死亡、4人失踪、46人受伤。
而进入2019年以来，世界各地石化企业更频繁发生严重的火灾及爆炸事故。
2019年3月21日14时48分许，江苏省盐城市响水县陈家港石油化工园区天嘉宜石油化工厂发生特别重大爆炸事故。爆炸事故已造成62人死亡，其中26人已确认身份，36人待确认身份。失踪28人
　　2019年5月13日，韩国忠清北道堤川市一家石油化工厂因电缆起火发生爆炸，造成至少1人死亡，3人重伤。
2019年5月6日，俄罗斯彼尔姆边疆区别列兹尼基市的某石油化工厂因电磁感应发生爆炸。根据当地警方公布的消息，爆炸造成3 人死亡，1人受伤。
　　2019年5月3日夜间，美国伊利诺伊州一个石油化工厂发生严重爆炸事故。此次事故的死亡人数至少在3人以上。一人失踪，官方认为其已经死亡。
2019年8月31日，印度马哈拉施特拉邦某石油化工厂发生爆炸。该事故造成至少13人死亡，60人受伤。
以上所有的火灾爆炸事故多的举不胜举，因此做好石油石油化工企业的巡检预警防爆工作，尤其是提高电缆材料的防爆防火等级，提前预警电缆可能发生的事故，降低爆炸系数，有效提高石油石油化工企业的安全级别，保障员工人身安全，是所有石化企业的必修课。
　　在这些严重的安全事故及教训中，巡检预警防爆电缆应运而生。
　　过去，我们常用的防爆电缆其实就是本质安全回路电缆。这种电缆除具有低电容、低电感的特点外，还具有较强的抗外界电磁场干扰、抗射频干扰以及抗电场耦合的性能，因而可作为化学和石油等爆炸性环境在额定电压为450/750V及以下的集散系统和自动检测控制系统等本质安全电路中作为控制信号的传输用线。
以上是用本质安全回路电缆来解决自动检测控制系统的防爆要求，而大于450/750V电缆的防爆要求一直没有很好的解决。大多数电缆在运行过程中出现安全隐患，很难及时发现。当电缆在运行过程中出现整条线路或局部温度过高，导致绝缘加速老化产生短路，很容易造成火花放电，引起爆炸或其他事故。
如果能实时解决在线监测电缆运行温度和输电过程中出现的老化短路等系列问题，是防止火灾及爆炸等安全事故，这是一项新的课题。
现在这项技术已经被中国工程院院士，中国著名光纤传感技术专家，现任武汉理工大学首席教授、博士生导师姜德生院士突破。
姜德生院士，一直从事光纤传感技术、光电子材料与器件等领域的研究和产业石油化工作。创建了我国光纤传感行业最大的科研基地……光纤传感技术国家工程实验室。兼任中国光纤传感技术及产业创新联盟主席，中国材料研究学会理事，湖北省光学学会名誉理事长，国际光学工程学会会员，美国光学学会会员。
姜德生院士研制的智能巡检预警防爆电缆的工作原理是：基于低传输损耗及较好光敏性能的光纤基础上，在光纤拉丝过程中制备新型光栅，并结合刻写193nm准分子激光，通过优化拉丝工艺及193nm激光脉冲能量密度，实现了反射率0.01%-1%@1550nm的拉丝塔新型光栅阵列制备。
目前国际上仅有德国IPHT、FBGS公司和武汉理工大学光纤传感技术国家实验室掌握拉丝塔在线制备光纤光栅陈列技术。
姜德生院士研制的智能巡检预警防爆电缆的技术优势：

传感技术——波分+时分是混合复用技术
能够克服电类传感器的不足
结合光纤光栅技术、光时域反射技术于一体
传感信号——比拉曼、布里渊散射光高几个数量级
无需通过累加平均就可以获得高信噪比的传感信号
温度测量速度快、能够反映温度瞬时变化
温度测量精度高、定位准确
测量规模大、测量距离远，满足电缆运营监测的需要。

　　姜德生院士研制的智能巡视检测防爆电缆是将新型光栅阵列型传感光纤植入常规电缆中，通过传感光纤对温度的敏感性，实时监测电缆运行中导体本身的温度，通过温度变化掌握电缆的整体运行状况，及时而准确的判断出整体或局部异常，提前预警电缆可能存在的问题。把可能出现的火灾或爆炸事故扼杀在萌芽状态，从而达到精准的预警防爆效果。并且还能为线路维护管理需要采取的措施提供真实准确的依据，将经验管理变为科学管理，提高管理效率，减少电缆线路的维护量，避免发生重大线路火灾或爆炸等安全事故。

　　二、谐波对电缆的影响及治理
　　石化企业的电缆极其容易受到谐波电流的侵害，导致导体的交流电阻增大，使得电缆允许通过的电流减小，在一定数值的电感与电容下发生谐振。从而使中线过热，带来火灾隐患。
　　随着现代工业的发展，非线性电力负荷的广泛应用致使大量的谐波电流注入电网，谐波的增加使电网损耗增加，降低电网效率，且易导致继电保护设备拒动或者误动，干扰工业生产设备的正常运行。
　　谐波的产生：石油化工企业在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不成线性关系的负荷时，就形成非正弦波电流，电流和负荷端电压的突变都会导致谐波的产生。
通俗地说：当电能流过非线性设备，就会产生谐波。好比河水和河床，河水就是电能，河床就是用电设备，如果河床是绝对光滑的，那么，水面是不会有涟漪产生的；如果河床不平整，就会有涟漪产生，这个涟漪，就是谐波。
　　谐波的危害具体表现为以下几个方面：
　　1.被谐波污染的电网，导致输配电线、电动机、变压器损耗相对增加，温升升高，进而增加了能源的消耗；
　　2.电线、电缆的趋肤效应变大，加速绝缘层老化，给输配电系统造成巨大的安全隐患，降低了线缆的利用率；
　　3.机器的铁芯磁感应环流增加，增加了设备功耗，设备的寿命相对缩短；严重情况下机械发生谐振，电机转速不稳定，电机烧毁；
　　4.电力系统继电保护误启动，误动作跳闸，拒动作和损坏，通常引起事故或扩大停电事故，威胁电力系统的安全可靠运行；
　　5.计算机、数据传送和自动控制系统数据丢失，显示画面畸变，误动作，元件损坏，系统文件处理准确性降低。
在石油化工企业的配电系统中，由于生产等需要不断地加大对整个电路的负载，尤其是近年来变频器因为其驱动电动机系统节能明显调节方便等特点得以越来越多的应用、再加上UPS等非线性负载的使用、机泵的变频调速装置，不间断电源装置、电动机软启动设备、新型照明灯具（节能灯、采用电子镇流器的日光灯）等不断加入，这些设备在运行使用过程中会产生大量的谐波电流，注入电网，使电网中的谐波过大，产生一系列的严重问题，如：增加电力设施负荷，降低系统功率，降低发电输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费电缆线路过热和电能损失；引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和趋肤效应，使电机变压器输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速电缆绝缘老化；使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差，干扰邻近的电力电子设备工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行，产生电压畸变、电力电缆、母线过热、变压器温升升高、电机和电容器过热等系列问题，导致继电保护和自动装置发生误操作，进而对整个系统的通信、测量仪表产生影响，直致对整个企业的正常生产运营带来重大安全隐患。所以，石油化工企业配电系统的谐波治理显得尤其重要。
　　谐波电流可导致电缆过热：这里重点讲谐波对电缆的危害。谐波电流流过电缆时，会导致电缆过热。造成这种现象的原因是交流电流的趋肤效应。趋肤效应是当导线通以交流电时，导线中会产生交变磁场，并由磁场感生出反向电动势，其方向与原有的电流方向相反，阻碍电流通过。意味着有更大的电阻，会产生更大的热量。而各种电缆在安装时，都并列在桥架上，当不同载流量通过电缆时，又形成一定的电位差，产生电磁干扰，作用于电流上，形成二次谐波电流。当频率较高的谐波电流流过导体时，导体呈现的电阻比基波电流要大，因此同样幅度的谐波电流比基波电流产生更大的热量。谐波对电力电缆的危害由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因素用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下发生谐振。导致中线过热，带来火灾隐患。
　　谐波的治理：
　　常见的方法有三条：
　　屏蔽、接地和滤波。
　　屏蔽，就是把谐波源用金属外罩套起来，相当于给谐波源加上外套吧。
　　接地，就是把谐波源进行牢固、可靠符合标准的接地，接线短而粗，接地电阻小于4Ω，这对于抑制共模干扰，是非常有好处的。
　　滤波，可以采用磁环、滤波器、电抗器、共模扼流圈、零相电抗器、平波电抗器、隔离变压器等对谐波进行抑制。
　　抗谐波电缆的设计
　　由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在系统负荷低谷时，系统电压上升，谐波电压也相应升高。
依据阻抗电容及对称性绝缘多线芯结构的方法，对电缆进行结构设计，采用圆形导体对称结构(3+3)，以达到均化电场和各相均衡。绝缘采用低介质常数和耐电晕强度较高的XLPE材料，以减少电容和共模过电压对电缆绝缘性能的影响；采用铜丝编织或铜带绕包屏蔽，减少电磁干扰。
抗谐波电缆的应用，将会使电缆的介质及输电损耗减小，泄露电流下降，温升降低及局部放电减小，引发单项接地故障的可能性降低，消除因电缆发热引起电缆的短路或爆炸事故，从而增加电缆安全性能。
综上所述，石化企业的电缆设计成抗谐波结构，大大提高了输配电系统的安全，充分保障了电缆运行的稳定。所以，石化企业的电缆设计成抗谐波结构，非常有必要。
　　三、纳米防腐电缆的应用
　　电缆的防腐是石油化工企业需要特别认真对待的事情，每年电缆由于腐蚀的破坏,导致老化开裂短路，造成停电或过早报废的事故时有发生，严重的甚至引起火灾爆炸、中毒事故,给企业带来不可估量的经济损失。
石油化工工业是国民经济的重要支柱产业之一, 石油化工生产中的腐蚀危害居所有行业之首, 其腐蚀损失是巨大的, 据资料介绍,在工业发达国家,腐蚀造成的损失约占工业总产值的4%左右。
　　石油化工企业对电缆的腐蚀介质主要有：
　　1.大气腐蚀：石化产区70%的电缆都是暴露在大气中，生产厂区大气中含有大量的SO2.SO3.CO2.及大量的氮氧化合物。
　　2.污水：石化厂区在生产过程中产生大量的含盐及酸性和碱性污水。
　　3.石油酸：卤代烃有机液体等。
　　由于上述腐蚀介质的危害，做好电缆防腐势在必行。
腐蚀虽然是不可避免的, 但腐蚀是可以控制和尽可能减缓的。据统计,如果充分利用现有的耐腐蚀材料进行开发、做好材料表面防腐蚀技术的处理，应用缓蚀剂、电化学保护等方面的防腐蚀技术, 腐蚀损失至少可以减少20%乃至25%。更重要的是减少了维护费用，降低了生产成本，提高了企业的经济效益。
据权威机构测算，电缆防腐材料在石油石油化工企业的应用，每年至少可以降低电缆30%以上的因为腐蚀造成的开裂老化报废损失，消除了电缆运行过程中的安全隐患至少70%以上。
　　过去我们常用氟塑料和硅橡胶作为防腐电缆的首选材料，它的确具有一定的化学稳定性和防腐蚀性能, 殊不知它最主要的特点是耐火、耐高温、阻燃等,并且价格偏高，因此在石油石油化工企业推广不是很理想。
　　纳米技术的应用是电缆防腐材料应用的里程碑。
　　纳米是长度计量的最小单位，I纳米的长度为I毫米的百万分之一，纳米技术是在Inm-1OOnm的长度范围内，直接用构成各种元素及物质的原子、原子团、分子、分子团组装具有特定功能的材料或具有特别性能产品的高精尖技术。成功的纳米技术可应用在电子、石油化工、军事等各个领域，世界各国均在研究开发。
纳米技术(纳米原料)应用在电缆材料上，主要是利用荷叶双蔬机理，提高电缆材料的密度增加材料的防腐性耐水性及抗霉性能。由多种化学成分经科学配制，独特的理化反应而成的，极大的提高了电缆材料的防腐性能和品质。
本公司生产的用于提高电缆防腐性能的纳米环保型防腐材料，由丙烯酸树脂、三聚磷酸铝、硫酸钡、纳米二氧化钛、新戊二醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、醋酸丁酯及丙烯酸丁酯等纳米材料按一定比例精制而成，由于丙烯酸树脂与上述其它原料配制，使材料的微细颗粒渗透到基层中形成一个整体，形成一层坚韧的极强的抗氧化性保护层。从而极大的提高了电缆表面的致密性，可使电缆表面达到长久的防腐保护作用。
该种新型纳米材料具有极强的防腐性、耐水性、耐候性、坚韧性、耐磨性；还具有环保无污染成本低等优点。是电缆护套防腐材料的首选。

　　结束语
　　电线电缆涉及到各个行业，以前，作为电缆研究人员，较多的重视于研究电缆共性技术。随着各行业的发展，各行业的应用特性和区别更加明显，一些基本的电缆共性技术要求已较难满足各行业的特殊性能要求。为此，电缆制造企业更重视各行业的特点，针对其应用的特性，开发出合适的电缆产品。
石化企业由于其特殊的使用场合和性能要求，对电线电缆提出了更高的要求，已引起人们的注意，随着我国石化企业近几年的快速发展，国内相关电缆企业已开始专门生产适合于石化企业用的电线电缆，如安徽华星电缆集团有限公司作为一家综合性的电缆制造企业，在石化企业建筑领域的电缆应用积累了大量的经验，并开发了相应的产品，取得了理想的效果。其中代表的产品有：专门为石化企业特殊环境量身定做的专用电缆。其常用代表型号为：XJB-ZRWDYJE,XJBFC-YGE。该系列电缆具有良好的智能巡视检测电缆实时工作温度，精准发现电缆使用过程中出现的系列问题，将火灾爆炸等安全事故控制在萌芽状态，与之匹配的防腐阻燃外护套及抗谐波结构的设计，保证了电缆在运行过程中的绝对安全，将石化企业的电缆安全提高到了一个新的高度，可以说是石化企业电缆产品的里程碑。

参考文献:
2008年2月《电力学报》第23卷第1期
2010年3月《经济技术协作信息》第28期
2014年《科技与企业》第13期
2015年《石油石油化工与设计》第14期
2015年《中国科技博览》第16期
2018年《石油化工设计通讯》第6期

背景资料：
　　姜德生院士简介
　　姜德生院士，现任武汉理工大学首席教授、博士生导师，中国工程院院士，中国著名光纤传感技术专家。一直从事光纤传感技术、光电子材料与器件等领域的研究和产业石油化工作。创建了我国光纤传感行业最大的科研基地……光纤传感技术国家工程实验室。兼任中国光纤传感技术及产业创新联盟主席，中国材料研究学会理事，湖北省光学学会名誉理事长，国际光学工程学会会员，美国光学学会会员。
研究方向

光纤传感新原理和新理论
光纤传感工程应用理论与技术
光纤传感关键技术与器件
光纤传感信息处理与传感网络技术
光纤传感材料与特种光纤
传感器件与系统的工程模拟与仿真验证技术

　　获奖成果
1、1998年“高精度光纤液位类传感器技术在易烧爆场所的应用开发”成果获国家建材局科技进步二等奖，排名第一。
2、1999年“高精度光纤液位类传感器在危险和恶劣等场所的应用和开发”成果获国家科技进步三等奖，排名第一。
3、2003年“光纤传感技术工业性试验研究与应用”成果获教育部提名国家科技进步一等奖，排名第一。
4、2002年“五类纤纤传感敏感材料制备与加工规模化生产技术及其应用”成果获国家科技进步二等奖，排名第一。
5、2003年“光纤光栅传感系统工业化生产关键技术研究与应用”成果获湖北省科技进步一等奖，排名第一。
6、2004年“光纤高温传感测量技术与应用”成果获中国建筑材料工业协会中国硅酸盐学会技术发明二等奖，排名第一。
7、2004年“光纤光栅传感系统工业化生产关键技术研究与应用”成果获国家科技进步二等奖，排名第一。
8、2011年湖北省政府授予姜德生院士省最高科技奖项—湖北省科学技术突出贡献奖。

　　姜德生院士创建的武汉理工大学“光纤传感技术国家工程实验室”是我国唯一专门从事光纤传感技术研究的国家级研究基地，拥有教授、研究员19人；副教授、副研究员27人，固定研究人员57名，由信息、材料、机电工程、计算机、交通工程、土木工程等多个学科的教师构成；博士学位获得者35人，具有国外学习、工作经历的人员14人。拥有近10000平方米的科研用房，用于研发的试验设备与测试仪器510台套，价值超过7000万元，承担了一大批国家、地方重大科技项目，取得了一大批重要创新成果，获得四项国家科技奖励，是目前国内拥有系列光纤光栅传感技术全套自主知识产权的单位，这些成果大部分实现了产业化，并在国内数十项大型工程和近十个行业中得到应用，产生了显著的经济效益和社会效益。
姜德生院士创建的武汉理工大学“光纤传感技术国家工程实验室”主要成果有：