摘　要：在有傳統(tǒng)避雷針或者建筑物接地良好的情況下，天然氣廠站電子設(shè)備雷擊事故仍時(shí)有發(fā)生。分析雷電對(duì)天然氣廠站內(nèi)電子設(shè)備損害的后果、途徑、類型、原因，以深圳市某LNG氣化站防雷工程為例，分析防雷隱患，提出整改措施?？偨Y(jié)了天然氣廠站電子設(shè)備防雷應(yīng)關(guān)注的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：防雷；  電子設(shè)備；  天然氣廠站；  電涌保護(hù)器

Abstract：Lightning stroke accidents of electronic equipment at natural gas stations still sometimesoccur in the presence of conventional lightning rod or in the case of good building grounding．The consequences，routes，types and causes of lightning damage to electronic equipment in the stations are analyzed．Taking the lightning protection project of a LNG gasification station in Shenzhen City as an example，the hidden dangers for lightning protection are analyzed，and cmTective measures are put forward．The key points needing attention in lightning protection of electronic equipment at natural gas stations are summarized．

Keywords：1ightning protection；electronic equipment；natural gas station；surge protector

 

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(shí)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(duì)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(qiáng)大的脈沖電流對(duì)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、程控交換機(jī)組、電子儀器儀表等設(shè)備由于信號(hào)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(xiàng)迫切要求^[1]。

雷電具有極大的破壞性，雷電流是短時(shí)間內(nèi)以脈沖的形式通過的強(qiáng)大的電流，瞬間電流可高達(dá)10×10⁴kA。雷擊所造成的破壞性主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：設(shè)備損壞，人員傷亡；設(shè)備或元器件壽命降低；傳輸或儲(chǔ)存的信號(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。

雷電損害電子設(shè)備主要有3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)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(shí)，在引下線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(duì)電子設(shè)備造成干擾和損害。

③進(jìn)出建筑物或機(jī)房的電源線和通信線等，在建筑物外受直擊雷或感應(yīng)雷而加載的雷電壓及過電流沿線竄入，入侵電子設(shè)備。

①氣體體積流量修正儀

當(dāng)廠站發(fā)生雷擊時(shí)，如果信號(hào)電纜屏蔽層在控制室機(jī)柜處不作接地處理，就會(huì)有較強(qiáng)的雷擊電磁脈沖侵入信號(hào)線，雷擊電磁脈沖無法衰減，就會(huì)引起氣體體積流量修正儀受電磁脈沖的干擾，造成計(jì)量數(shù)據(jù)出錯(cuò)、設(shè)備損壞及直流電源保險(xiǎn)熔斷。

②溫度變送器和壓力變送器

當(dāng)廠站發(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)度超過電涌保護(hù)器(Surge Protective Devices，SPD)的承受能力，致使信號(hào)SPD損壞，信號(hào)模塊不能受到保護(hù)。

③燃?xì)庑孤﹫?bào)警器

當(dāng)廠站發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流可能經(jīng)燃?xì)庑孤﹫?bào)警器探頭信號(hào)線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流超過燃?xì)庑孤﹫?bào)警器探頭承受電流能力，致使燃?xì)庑孤﹫?bào)警器探頭損壞。

深圳市大工業(yè)區(qū)LNG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。下面根據(jù)已有防雷系統(tǒng)的實(shí)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。

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(shì)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(qiáng)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(tái)100m³低溫儲(chǔ)罐、12臺(tái)5000m³／h高效空溫式氣化器、BOG加熱器、EGA加熱器、儲(chǔ)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?dú)忾g、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?，綜合區(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(cè)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(hào)儲(chǔ)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?jì)量用壓力變送器被雷擊壞，2號(hào)氣化器燃?xì)庑孤﹫?bào)警探頭被雷擊壞。

④防雷設(shè)計(jì)分類

按照GB 50057—20106建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，廠站建筑物按二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

從現(xiàn)場(chǎng)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。現(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(zhǎng)(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，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(chǎng)勘察B、C級(jí)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(chǎng)使用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)的匹配存在問題^[2]。

④直流電源系統(tǒng)：控制室控制機(jī)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(huì)有一個(gè)脈沖傳入后級(jí)，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)模塊所連接的信號(hào)SPD損壞。

⑤信號(hào)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(hào)線路未加裝相應(yīng)信號(hào)SPD，易引入雷擊電磁脈沖。

⑥綜合布線：電源電纜與信號(hào)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(dú)立地網(wǎng)，與工藝裝置區(qū)的地網(wǎng)距離比較近。當(dāng)任何一處發(fā)生雷擊經(jīng)其地網(wǎng)放流時(shí)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(shí)，由于接地電阻不等于0，在此就會(huì)產(chǎn)生地電位抬升，而其他地網(wǎng)電位仍然是0，若某信號(hào)模塊正好與二者都有聯(lián)系，該模塊上就會(huì)產(chǎn)生很高的電位差，信號(hào)SPD就會(huì)被燒毀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞信號(hào)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(jī)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(shí)，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(shí)，會(huì)在信號(hào)線路上感應(yīng)較強(qiáng)的雷擊電磁脈沖，現(xiàn)有信號(hào)線屏蔽層在控制室機(jī)柜處未作接地處理，雷擊電磁脈沖可以沿信號(hào)線無衰減地傳入控制室內(nèi)設(shè)備。

①利用SPD將設(shè)備各端口的對(duì)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(duì)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(chǎng)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(shí)產(chǎn)生的巨大瞬變電磁場(chǎng)及地電位的反擊會(huì)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(gè)站區(qū)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)，這些不利條件使避雷針在接閃時(shí)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(gè)完整的地網(wǎng)。該措施解決了上述隱患⑦、⑧。

③對(duì)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(duì)接地不良、接地線腐蝕、接地線過長(zhǎng)、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(duì)所有設(shè)備的進(jìn)出線處補(bǔ)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(qiáng)對(duì)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°。

①對(duì)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。

a．接地網(wǎng)應(yīng)按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(duì)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。

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(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)留等電位連接點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案可以委托市級(jí)以上的防雷管理機(jī)構(gòu)審核。

 

[1]王旭秋．燃?xì)鈨?chǔ)配站的防雷改造[J]．煤氣與熱力，2005，25(3)：13-15．

[2]劉蘭慧．天然氣廠站控制系統(tǒng)電涌保護(hù)器的選取[J]．煤氣與熱力，2013，33(7)：A17-A19．