天然氣廠站內(nèi)建(構(gòu))筑物、管道及其他暴露在室外的設(shè)施，容易遭受雷電侵害，造成非常嚴(yán)重的后果。目前，世界上各種建(構(gòu))筑、設(shè)施大多數(shù)仍在使用傳統(tǒng)的避雷針防雷，實踐證明用避雷針防范直擊雷是經(jīng)濟(jì)和有效的。但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大量精密電子設(shè)備的使用和聯(lián)網(wǎng)，避雷針對這些電子設(shè)備的保護(hù)卻顯得無能為力。直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)而發(fā)生高電壓以及發(fā)生閃擊現(xiàn)象，主要危害建(構(gòu))筑物內(nèi)的電子設(shè)備。
現(xiàn)代化廠站中大型電子計算機網(wǎng)絡(luò)、程控交換機組、電子儀器儀表等設(shè)備由于信號來源路徑增多，比以前更容易遭受雷電的侵入，致使雷電災(zāi)害頻頻發(fā)生，電子設(shè)備防雷已成為一項迫切要求[1]。
①直擊雷經(jīng)過接閃器(如避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等)和引下線而泄放入地，導(dǎo)致地網(wǎng)地電位上升，產(chǎn)生的感應(yīng)電流由設(shè)備接地線引入電子設(shè)備，造成地電位反擊。
②雷電流沿引下線入地時，在引下線周圍產(chǎn)生磁場，引下線周圍的各種金屬管線上經(jīng)感應(yīng)而產(chǎn)生過電壓，對電子設(shè)備造成干擾和損害。
當(dāng)廠站發(fā)生雷擊時，如果信號電纜屏蔽層在控制室機柜處不作接地處理，就會有較強的雷擊電磁脈沖侵入信號線，雷擊電磁脈沖無法衰減，就會引起氣體體積流量修正儀受電磁脈沖的干擾，造成計量數(shù)據(jù)出錯、設(shè)備損壞及直流電源保險熔斷。
當(dāng)廠站發(fā)生雷擊時，雷電流可能經(jīng)變送器信號線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流的強度超過電涌保護(hù)器(Surge Protective Devices，SPD)的承受能力，致使信號SPD損壞，信號模塊不能受到保護(hù)。
③燃?xì)庑孤﹫缶?/div>
當(dāng)廠站發(fā)生雷擊時，雷電流可能經(jīng)燃?xì)庑孤﹫缶魈筋^信號線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流超過燃?xì)庑孤﹫缶魈筋^承受電流能力，致使燃?xì)庑孤﹫缶魈筋^損壞。
4 天然氣廠站雷電防護(hù)案例分析
深圳市大工業(yè)區(qū)LNG氣化站在投入運行后，部分電子設(shè)備受到了雷電的影響。下面根據(jù)已有防雷系統(tǒng)的實際情況和出現(xiàn)的問題，進(jìn)行隱患分析，提出防護(hù)措施和改進(jìn)方法。
4．1 現(xiàn)場概況
①地理位置
大工業(yè)區(qū)LNG站位于深圳市龍崗大工業(yè)區(qū)錦繡中路與蘭景北路交界處，廠站周圍地勢比較開闊，附近也沒有高大的建筑。根據(jù)氣象部門的資料，此地年平均雷暴日數(shù)為73.9d／a，屬于強雷區(qū)。
②廠站設(shè)施情況
大工業(yè)區(qū)LNG站主要包括工藝裝置區(qū)(4臺100m3低溫儲罐、12臺5000m3／h高效空溫式氣化器、BOG加熱器、EGA加熱器、儲罐自增壓器、汽車裝卸區(qū)、鋼瓶充裝區(qū)、調(diào)壓橇區(qū))、綜合區(qū)(包括綜合樓和消防水池，綜合樓內(nèi)含變配電及柴油發(fā)電間、壓縮空氣及氮氣間、控制室、消防泵房等)，工藝裝置區(qū)和綜合區(qū)用圍墻隔開。工藝裝置區(qū)設(shè)有高30m的避雷針?biāo)蛔C合區(qū)沒有避雷帶，直擊雷防護(hù)措施比較完善，廠站取得了防雷檢測所的防雷合格證。
③雷擊記錄
在2008年6、7月，該站共發(fā)生4次雷擊電子設(shè)備事故：2號儲罐液位變送器防雷模塊被雷擊壞，氣化器出口壓力變送器浪涌保護(hù)器被雷擊壞，中壓燃?xì)夤艿莱稣咎幱嬃坑脡毫ψ兯推鞅焕讚魤模?號氣化器燃?xì)庑孤﹫缶筋^被雷擊壞。
④防雷設(shè)計分類
按照GB 50057—20106建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，廠站建筑物按二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計。
4．2 隱患分析
從現(xiàn)場情況看，該站在防雷、防靜電方面存在隱患，上述4次雷擊電子設(shè)備事故均屬于電涌保護(hù)不到位造成的?，F(xiàn)將具體隱患?xì)w納如下：
①監(jiān)控設(shè)備：室外攝像頭無任何直擊雷防護(hù)措施。
②供電系統(tǒng)：已安裝的電源SPD接地線過長(規(guī)范要求不超過0.5m，盡量做到短、平、直)，造成接地線感抗增加，雷擊時會導(dǎo)致電源SPD接地端與匯流排間電位差增大，引入雷擊電磁脈沖。
③電源SPD的技術(shù)參數(shù)及匹配：現(xiàn)場勘察B、C級組合電源SPD最大放電電流Imax為50kA，小于規(guī)范要求(規(guī)范要求Imax≥80kA)；現(xiàn)場使用OBO、DEHN、PHOENIX三種不同品牌電源SPD的響應(yīng)時間和殘壓等參數(shù)的匹配存在問題[2]。
④直流電源系統(tǒng)：控制室控制機柜內(nèi)的直流24V電源輸出端未安裝相應(yīng)的直流電源SPD，當(dāng)雷電流或雷擊電磁脈沖侵入低壓電源系統(tǒng)后，由于電源SPD必然還有殘壓，此殘壓經(jīng)直流電源后仍然會有一個脈沖傳入后級，該脈沖傳入連接信號模塊的信號線路后，可以使信號模塊所連接的信號SPD損壞。
⑤信號線路：工藝裝置區(qū)溫度、壓力、液位變送器、氣體體積修正儀和室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的信號線路未加裝相應(yīng)信號SPD，易引入雷擊電磁脈沖。
⑥綜合布線：電源電纜與信號電纜敷設(shè)在同一金屬線槽內(nèi)，產(chǎn)生多條雷擊電磁脈沖和雷電感應(yīng)引入途徑。
⑦接地系統(tǒng)：廠站內(nèi)避雷針采取獨立地網(wǎng)，與工藝裝置區(qū)的地網(wǎng)距離比較近。當(dāng)任何一處發(fā)生雷擊經(jīng)其地網(wǎng)放流時地電位抬升，可能造成該地網(wǎng)與其他地網(wǎng)之間的高電位差。例如：當(dāng)雷擊30m高的避雷針并通過引下線放流時，由于接地電阻不等于0，在此就會產(chǎn)生地電位抬升，而其他地網(wǎng)電位仍然是0，若某信號模塊正好與二者都有聯(lián)系，該模塊上就會產(chǎn)生很高的電位差，信號SPD就會被燒毀，嚴(yán)重時會損壞信號模塊。
⑧等電位連接：該氣化站控制室內(nèi)有等電位均壓環(huán)，但機柜內(nèi)的接地線未直接與均壓環(huán)相連，UPS外殼、監(jiān)控系統(tǒng)外殼未接地，未構(gòu)成等電位連接。雷擊時，控制室內(nèi)各設(shè)備之間可能出現(xiàn)電位差，危及設(shè)備安全。
⑨屏蔽措施：當(dāng)工藝裝置區(qū)附近發(fā)生雷擊時，會在信號線路上感應(yīng)較強的雷擊電磁脈沖，現(xiàn)有信號線屏蔽層在控制室機柜處未作接地處理，雷擊電磁脈沖可以沿信號線無衰減地傳入控制室內(nèi)設(shè)備。
4．3 整改措施
①利用SPD將設(shè)備各端口的對地電位限制在設(shè)備能承受的范圍內(nèi)，同時將各端口的感應(yīng)過電壓、過電流泄放到地，實現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)。安裝在室外的設(shè)備在各進(jìn)出線端安裝SPD，SPD需安裝于防水防爆屏蔽箱內(nèi)。該措施解決了上述隱患①～⑥。具體各設(shè)備安裝的SPD見表1。
②工藝裝置區(qū)的設(shè)備由于距離避雷針很近(最近距離小于8m)，從現(xiàn)場調(diào)查情況可知，受雷擊損壞的設(shè)備都是安裝位置靠近避雷針的?？梢姡?dāng)雷擊避雷針時產(chǎn)生的巨大瞬變電磁場及地電位的反擊會損壞設(shè)備。減小地電位反擊的主要措施是增大地網(wǎng)面積，減小避雷針的接地電阻。大工業(yè)區(qū)LNG氣化站的避雷針高度為30m，是整個站區(qū)的最高點，也是經(jīng)常受雷擊的點，但其地網(wǎng)面積很小，又是獨立地網(wǎng)，這些不利條件使避雷針在接閃時難于以最快的速度放流，從而產(chǎn)生巨大的地電位反擊。解決辦法就是在原矩形避雷針地網(wǎng)的靠近工藝裝置區(qū)兩邊增加水平接地體和垂直接地體，水平接地體用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼(埋深0.8m)，垂直接地體用耐腐蝕的石墨電極，采用三面焊接并做防腐處理；在避雷針地網(wǎng)的另兩邊用兩根40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼(埋深0.8m)與工藝裝置區(qū)地網(wǎng)相連(中間增加垂直接地體)，構(gòu)成一個完整的地網(wǎng)。該措施解決了上述隱患⑦、⑧。
③對室外所有設(shè)備外殼、管道、線路屏蔽層等需要接地的設(shè)施作一次全面的檢查，對接地不良、接地線腐蝕、接地線過長、接地線截面積過小等不符合要求的部分進(jìn)行整改，消除隱患。對所有設(shè)備的進(jìn)出線處補加屏蔽，屏蔽層可靠接地。該措施解決了上述隱患⑨。
④為了加強對直擊雷和雷電產(chǎn)生的電磁脈沖的防護(hù)，控制室所在建筑物(綜合樓)需建立法拉第籠屏蔽，用以解決上述隱患⑦、⑧、⑨。具體做法如下：
a．法拉第籠由樓頂避雷網(wǎng)、避雷帶、引下線、環(huán)形地網(wǎng)構(gòu)成。
b．避雷網(wǎng)由3m×3m的方形網(wǎng)格構(gòu)成，橫縱向每隔3m與避雷帶焊接連通。網(wǎng)格由40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼交叉焊接構(gòu)成。熱鍍鋅扁鋼的鍍層厚度為20～60mm。環(huán)形地網(wǎng)由水平接地體和垂直接地體組成，環(huán)繞建筑物外墻閉合成環(huán)，水平接地體采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼，距建筑物外墻間距不小于1m，埋深不小于0.7m，垂直接地體采用石墨電極，環(huán)形地網(wǎng)與建筑物四角的主鋼筋焊接，引下線與地網(wǎng)連接處設(shè)置垂直接地體。
c．引下線是樓頂避雷網(wǎng)、避雷帶與接地裝置的連接線，沿建筑物外墻均勻垂直敷沒4根，安裝平直，與其他電氣線路距離大于1m，引下線采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼或不小于8 mm熱鍍鋅圓鋼，上端與避雷帶和避雷網(wǎng)焊接連通，下端與地網(wǎng)焊接，焊接處彎角不小于90°。
5 建議
①對于設(shè)備儀器的防護(hù)問題，著重在于屏蔽、接地、等電位連接三種技術(shù)手段；施工方面要求必須嚴(yán)格按照設(shè)計方案落實到位。
a．接地網(wǎng)應(yīng)按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的要求進(jìn)行設(shè)計，隱蔽工程施工應(yīng)有照片和跟蹤記錄。
b．廠站內(nèi)所有的設(shè)備、儀器、管道等金屬設(shè)施應(yīng)完善等電位連接措施，連接點應(yīng)牢固可靠、防腐。
c．SPD接地線宜就近接到設(shè)備金屬外殼，保持最短距離；另外，建議在低壓電源總配電柜安裝電涌保護(hù)器。
d．廠站內(nèi)的各種線路應(yīng)采取嚴(yán)格的屏蔽措施，特別是針對設(shè)備儀器端裸露部分的線路應(yīng)有具體的屏蔽實施方案。
②天然氣廠站的防雷類別屬于第二類。建議避雷針的地網(wǎng)與廠站地網(wǎng)采用共用接地方案。
③防雷設(shè)備的選型，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)可靠的配套產(chǎn)品。工程完成后采用防雷管理軟件進(jìn)行后續(xù)管理。
④新建廠站建設(shè)應(yīng)做到與防雷建設(shè)同時設(shè)計、同時施工、同時驗收。特別要確保建設(shè)初期的線路屏蔽及預(yù)留等電位連接點，設(shè)計方案可以委托市級以上的防雷管理機構(gòu)審核。
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