天然氣場站內(nèi)建筑、管道及其他暴露在外的設(shè)施，容易遭受雷電侵害，造成非常嚴(yán)重的后果。目前，世界上各種建筑、設(shè)施大多數(shù)仍在使用傳統(tǒng)的避雷針防雷，用避雷針防止直接雷擊實(shí)踐證明是經(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。避雷針不能阻止電磁脈沖擊過電壓、操作過電壓及雷電波入侵過電壓，而這類過電壓卻是破壞大量電子設(shè)備的罪魁禍?zhǔn)住?/div>
一方面大型電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、程控交換機(jī)組、儀器儀表等系統(tǒng)設(shè)備耐過電流，耐雷電壓的水平越來越低，另一方面由于信號(hào)來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波的侵入，致使雷電災(zāi)害頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷電對電子設(shè)備的損壞占電子設(shè)備損壞因素的比例高達(dá)26％，電子設(shè)備防雷過電壓已成為具有時(shí)代特點(diǎn)的一項(xiàng)迫切要求。
1 雷電對電子設(shè)備損害
雷電具有極大的破壞性，其電壓高達(dá)數(shù)百萬伏，瞬間電流可高達(dá)數(shù)十萬安培。雷擊所造成的破壞性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：設(shè)備損壞，人員傷亡；設(shè)備或元器件壽命降低；傳輸或存儲(chǔ)的信號(hào)、數(shù)據(jù)受到干擾或丟失，甚至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)或使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。
雷電損害主要有三個(gè)途徑：
①直擊雷經(jīng)過接閃器(如避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等)而直放入地，導(dǎo)致地網(wǎng)地電位上升。高電壓由設(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(shí)，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。
③進(jìn)出大樓或機(jī)房的電源線和通信線等，在大樓外受直擊雷或感應(yīng)雷而加載的雷電壓及過電流沿線竄入，入侵電子設(shè)備。
2 場站內(nèi)電子設(shè)備損壞的原因
目前天然氣場站內(nèi)容易損壞的電子設(shè)備的主要有以下幾種類型：
①氣體體積修正儀
當(dāng)場站發(fā)生雷擊時(shí)，由于存在有信號(hào)電纜屏蔽層在控制值班室機(jī)柜處未作接地處理，就有較強(qiáng)的雷擊電磁脈沖侵入信號(hào)線，雷擊電磁脈沖幾乎未受到衰減，引起體積修正儀受電磁脈沖的干擾造成計(jì)量數(shù)據(jù)出錯(cuò)甚至損壞及直流電源保險(xiǎn)熔斷。
②溫度變送器
當(dāng)場站發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流可能經(jīng)變送器信號(hào)線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流的強(qiáng)度超過SPD的承受能力一，致使信號(hào)SPD損壞，信號(hào)模塊未受到保護(hù)。
③壓力變送器
當(dāng)場站發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流可能經(jīng)變送器信號(hào)線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流的強(qiáng)度超過SPD的承受能力，致使信號(hào)SPD損壞，信號(hào)模塊未受到保護(hù)。
④泄漏報(bào)警器探頭
當(dāng)場站發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流可能經(jīng)泄漏報(bào)警探頭信號(hào)線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流的強(qiáng)度超過泄漏報(bào)警器探頭承受能力，致使泄漏報(bào)警器探頭損壞。
3 天然氣場站雷電防護(hù)案例分析
深圳市天然氣門站和氣化站在投入運(yùn)行后，部分電子設(shè)備受到了雷電的影響，特別是二次儀表的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)現(xiàn)有建筑防雷系統(tǒng)的實(shí)際情況和出現(xiàn)的問題分析隱患，采取了一系列的防護(hù)措施和改進(jìn)方法。
3．1 現(xiàn)場概況
A．地理位置：大工業(yè)區(qū)LNG站位于深圳市龍大工業(yè)區(qū)錦繡中路與蘭景北路交界處，場站周圍地勢比較開闊，附近也沒有高大的建筑，根據(jù)氣象部門的資料顯示，此地年平均雷暴日為73.9d／年，屬于強(qiáng)雷區(qū)。
B．場站設(shè)施情況：大工業(yè)區(qū)LNG站主要包括罐區(qū)、氣化區(qū)、卸車區(qū)、地稱、充瓶臺(tái)、綜合樓(含變配電及柴油發(fā)電間，壓縮空氣及氮?dú)忾g)、消防泵房、消防水池等設(shè)施，綜合樓設(shè)有避雷帶、工藝裝置區(qū)設(shè)有GFL2-9高30m的避雷針?biāo)蛔?，直擊雷防護(hù)措施比較完善。
C．是否取得防雷檢測所的防雷合格證：是。
D．雷擊記錄：
1)2號(hào)儲(chǔ)罐液位變送器防雷模塊被擊壞。
2)氣化器出口壓力變送器浪涌保護(hù)器被雷擊壞。
3)中壓出站壓力變送器被雷擊壞。
4)2號(hào)氣化器泄漏報(bào)警探頭被雷擊壞。
E．雷擊次數(shù)計(jì)算：
建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)按下式計(jì)算：N＝kNgAe：Ng＝0.024Tdl.3
式中N—建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次／a)；
K—雷擊次數(shù)校正系數(shù)，該建筑為孤立建筑，因此取2；
Ng—建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次／(km2·a)]：
Ae—與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2)：
Ae＝[LW+2(L+W)+pH(200-H)]·10-6，其中L＝144、W＝51、H=10分別為場站的長、寬、高估算值(m)。
Td—該地區(qū)的年平均雷電日數(shù)為73.9d／年。
依據(jù)以上計(jì)算得場站年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N＝0.39次／a，按照GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第2．0．3條的要求“具有1區(qū)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物，因電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者”，因此按二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。
3．2 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，四次電子信息事故，均屬于電涌保護(hù)不到位造成的，歸納如下：
A．直擊雷：室外攝像頭無任何直擊雷防護(hù)措施。
B．供電系統(tǒng)引入雷擊電磁脈沖：已安裝的電源浪涌保護(hù)器V25-B+C／3+NPE接地過長(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(shí)會(huì)導(dǎo)致電源SPD接地端與匯流排間電位差增大。
C．所選擇電源SPD技術(shù)參數(shù)問題：現(xiàn)場勘察B、C級(jí)組合電源浪涌保護(hù)器＼，25-B+C／3+NPE最大放電電流為50kA(8／20)，小于規(guī)范要求(規(guī)范要求Imax≥80kA)。
D．源SPD配合問題：OBO、DEHN、PHOENIX三種不同品牌電源SPD的響應(yīng)時(shí)間和殘壓等參數(shù)的相互配合存在不確定因素，有可能帶來防雷隱患。
E．直流電源系統(tǒng)引入的雷擊電磁脈沖：控制值班室控制機(jī)柜內(nèi)的SIEMENS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)直流電源處理后仍然會(huì)有一個(gè)脈沖傳入后級(jí)(視具體品牌而定)，該脈沖傳入連接信號(hào)模塊的信號(hào)線路后，可以使信號(hào)模塊所接信號(hào)SPD動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)可能燒壞信號(hào)SPD，甚至損壞信號(hào)模塊。UPS前端未安裝電源SPD。
F．信號(hào)線路引入雷擊電磁脈沖：工藝裝置區(qū)變送器、EK260體積修正儀的信號(hào)線路未加裝相應(yīng)信號(hào)SPD。室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)線未安裝相應(yīng)的SPD。
G．綜合布線帶來的隱患：電源電纜與信號(hào)電纜敷設(shè)在同一金屬線槽內(nèi)，這種處置方式導(dǎo)致多條雷擊電磁脈沖和雷電感應(yīng)引入途徑，形成很大的防雷隱患。
H．接地系統(tǒng)：場站內(nèi)避雷針采取獨(dú)立地網(wǎng)，與工藝裝置區(qū)的地網(wǎng)距離比較近。當(dāng)任何一部分發(fā)生雷擊經(jīng)其中一個(gè)地網(wǎng)散流時(shí)的地電位抬升，可能造成該地網(wǎng)與其它地網(wǎng)之間危險(xiǎn)的電位差，例如：當(dāng)雷擊30m高的避雷針并通過引下線泄流時(shí)，由于接地電阻不等于零，在此就會(huì)產(chǎn)生地電位抬升，而其它地網(wǎng)仍然是零電位，如某信號(hào)模塊正好是與二者都有聯(lián)系，模塊上就會(huì)產(chǎn)生很高的電位差，信號(hào)SPD就會(huì)動(dòng)作甚至燒毀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞信號(hào)模塊。
I．等電位連接：該氣站控制值班室內(nèi)有等電位均壓環(huán)，但機(jī)柜內(nèi)的接地排未直接與均壓環(huán)相連，UPS#b殼、監(jiān)控系統(tǒng)外殼未接地，未構(gòu)成等電位連接。雷擊時(shí)，控制值班室內(nèi)各設(shè)備之間可能出現(xiàn)電位差，危及設(shè)備安全。
J．屏蔽措施：當(dāng)工藝裝置區(qū)附近發(fā)生雷擊時(shí)，會(huì)在信號(hào)線路上感應(yīng)較強(qiáng)的雷擊電磁脈沖，由于存在有信號(hào)線屏蔽層在值班室機(jī)柜處未作接地處理，該脈沖可以沿信號(hào)線幾乎無衰減地傳入控制值班室設(shè)備。
3．3 整改措施：
A．安裝在室外的設(shè)備由于距離避雷針很近(小于8米)，當(dāng)雷擊避雷針時(shí)產(chǎn)生的巨大瞬變電磁場及地電位的反擊會(huì)損壞設(shè)備，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，因此，采取有效措施盡量減小雷擊避雷針時(shí)產(chǎn)生的危害是非常必要的。減小地電位反擊的主要措施是增大地網(wǎng)面積，降低避雷針的接地電阻。大工業(yè)區(qū)LNG站的避雷針有30米高，是整個(gè)站場的最高點(diǎn)，也是經(jīng)常受雷擊的點(diǎn)，但其地網(wǎng)面積很小，又是獨(dú)立地網(wǎng)，這些不利條件便避雷針在接閃雷電時(shí)難于以最快的速度散流，從而產(chǎn)生巨大的地電位反擊。解決辦法就是在原避雷針地網(wǎng)的北面兩邊增加水平接地體和垂直接地體，水平接地體用4*40的熱鍍鋅扁鋼(埋深0.8米)，垂直接地體用耐腐蝕的石墨地極，連接處三面焊接，并做防腐處理；在避雷針地網(wǎng)的南面兩邊用兩根4*40的扁鋼(埋深0.8米)與站場原地網(wǎng)相連(中間增加垂直接地體)，構(gòu)成一個(gè)完整的地網(wǎng)。
B．防護(hù)地電位反擊最有效的方法是等電位連接，利用防雷器將設(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(shí)將各端口的感應(yīng)過電壓、過電流泄放到地，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)。下列安裝在室外的設(shè)備須在進(jìn)出線端安裝防雷器：表l
C．為了進(jìn)一部減小感應(yīng)過電壓、過電流，對所有設(shè)備的進(jìn)出線處補(bǔ)加屏蔽，屏蔽層用4m2線可靠接地。
D．對室外所有設(shè)備外殼、管道、線路屏蔽層等須接地的設(shè)施作一次全面的檢查，對接地不良、接地線生銹、腐蝕、接地線過長、部分接地線截面積過小等不合要求的部分進(jìn)行整改，消除隱患。
E．為了加強(qiáng)對直擊雷和電磁脈沖的防護(hù)，控制室建筑物需建立法拉第籠屏蔽。具體如下：
a)法拉第籠由樓頂避雷網(wǎng)、避雷帶和引下線、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，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。熱鍍鋅鋼材的鍍層厚度為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)引下線是避雷帶與接地裝置的連接線，沿建筑物外墻均勻垂直敷設(shè)4根，安裝平直，與其它電氣線路距離大于1m。引下線的固定卡釘布置均勻牢固，間距小于2m。引下線采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼或不小于F8mm熱鍍鋅圓鋼，上端與避雷帶焊接連通，焊接處彎角不小于R90°，下端與地網(wǎng)焊接。
4 結(jié)論
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路為核心的網(wǎng)絡(luò)通信以及各種測控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在天然氣場站中，遭受雷擊的電子設(shè)備受損的事故經(jīng)常發(fā)生，本文認(rèn)為對于減弱天然氣場站內(nèi)電子設(shè)備雷電損害應(yīng)注重一下幾個(gè)方面。
4．1 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(jì)方案落實(shí)到位。
①接地網(wǎng)應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他手段如石墨地極等只作為輔助、補(bǔ)充措施。隱蔽工程應(yīng)有照片和跟蹤記錄作依據(jù)。
②場站內(nèi)所有的設(shè)備儀器、管道等金屬設(shè)施及控制室內(nèi)應(yīng)完善等電位連接措施，連接點(diǎn)應(yīng)有牢固可靠、防腐防銹的具體工藝措施。
③SPD接地線宜就近接到設(shè)備金屬外殼，保持最短距離；另，建議在低壓電源總配電柜安裝電涌保護(hù)器。
④場站內(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(shí)施方案；屏蔽體應(yīng)保持密封性與電氣連續(xù)性，雙端應(yīng)保證可靠接地，中間的跨接點(diǎn)與雙端的接地點(diǎn)應(yīng)有牢固可靠、防腐防銹的具體工藝措施。
4．2 天然氣場站的防雷類別屬于第二類。建議避雷針的地網(wǎng)與場站地網(wǎng)采用共用接地。
4．3 防雷設(shè)備的選型，建議選用質(zhì)量較好的配套產(chǎn)品。工程完成后建議采用技通公司的防雷管理軟件進(jìn)行后續(xù)管理。
4．4 新建場站的防雷建議
新建站場建設(shè)應(yīng)做到與防雷建設(shè)同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)驗(yàn)收。特別要確保建設(shè)初期的線路屏蔽及預(yù)留等電位接地點(diǎn)措施的完善，設(shè)計(jì)方案可委托防雷中心進(jìn)行審核。
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