摘　要：天然氣場站電子設備損失的事故多有發(fā)生，但這些事故一般都在有傳統(tǒng)避雷針或者是建筑接地良好的情況下發(fā)生，本文針對雷電對電子設備的損害，對場站電子設備及儀表系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的雷擊問題進行了分析，對不同設備受到雷電損害的原因分類總結(jié)，提出了相應的改進措施和建議。

關鍵詞：防雷  電子設備　天然氣場站

天然氣場站內(nèi)建筑、管道及其他暴露在外的設施，容易遭受雷電侵害，造成非常嚴重的后果。目前，世界上各種建筑、設施大多數(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踐證明是經(jīng)濟和有效的。但是隨著現(xiàn)代電子技術的不斷發(fā)展，大量精密電子設備的使用和聯(lián)網(wǎng)，避雷針對這些電子設備的保護卻顯得無能為力。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備的罪魁禍首。

一方面大型電子計算機網(wǎng)絡、程控交換機組、儀器儀表等系統(tǒng)設備耐過電流，耐雷電壓的水平越來越低，另一方面由于信號來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波的侵入，致使雷電災害頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，雷電對電子設備的損壞占電子設備損壞因素的比例高達26％，電子設備防雷過電壓已成為具有時代特點的一項迫切要求。

雷電具有極大的破壞性，其電壓高達數(shù)百萬伏，瞬間電流可高達數(shù)十萬安培。雷擊所造成的破壞性主要表現(xiàn)在三個方面：設備損壞，人員傷亡；設備或元器件壽命降低；傳輸或存儲的信號、數(shù)據(jù)受到干擾或丟失，甚至使電子設備產(chǎn)生誤動或使整個系統(tǒng)癱瘓。

雷電損害主要有三個途徑：

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，導致地網(wǎng)地電位上升。高電壓由設備接地線引入電子設備造成地電位反擊。

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)感應而產(chǎn)生過電壓。

③進出大樓或機房的電源線和通信線等，在大樓外受直擊雷或感應雷而加載的雷電壓及過電流沿線竄入，入侵電子設備。

目前天然氣場站內(nèi)容易損壞的電子設備的主要有以下幾種類型：

①氣體體積修正儀

當場站發(fā)生雷擊時，由于存在有信號電纜屏蔽層在控制值班室機柜處未作接地處理，就有較強的雷擊電磁脈沖侵入信號線，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量數(shù)據(jù)出錯甚至損壞及直流電源保險熔斷。

②溫度變送器

當場站發(fā)生雷擊時，雷電流可能經(jīng)變送器信號線耦合進入設備，雷電流的強度超過SPD的承受能力一，致使信號SPD損壞，信號模塊未受到保護。

③壓力變送器

當場站發(fā)生雷擊時，雷電流可能經(jīng)變送器信號線耦合進入設備，雷電流的強度超過SPD的承受能力，致使信號SPD損壞，信號模塊未受到保護。

④泄漏報警器探頭

當場站發(fā)生雷擊時，雷電流可能經(jīng)泄漏報警探頭信號線耦合進入設備，雷電流的強度超過泄漏報警器探頭承受能力，致使泄漏報警器探頭損壞。

深圳市天然氣門站和氣化站在投入運行后，部分電子設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)的實際情況和出現(xiàn)的問題分析隱患，采取了一系列的防護措施和改進方法。

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，屬于強雷區(qū)。

B．場站設施情況：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、綜合樓(含變配電及柴油發(fā)電間，壓縮空氣及氮氣間)、消防泵房、消防水池等設施，綜合樓設有避雷帶、工藝裝置區(qū)設有GFL2-9高30m的避雷針塔一座，直擊雷防護措施比較完善。

C．是否取得防雷檢測所的防雷合格證：是。

D．雷擊記錄：

1)2號儲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器被雷擊壞。

3)中壓出站壓力變送器被雷擊壞。

4)2號氣化器泄漏報警探頭被雷擊壞。

E．雷擊次數(shù)計算：

建筑物年預計雷擊次數(shù)按下式計算：N＝kNgAe：Ng＝0.024Tdl.3

式中N—建筑物年預計雷擊次數(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)以上計算得場站年預計雷擊次數(shù)N＝0.39次／a，按照GB 50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》第2．0．3條的要求“具有1區(qū)爆炸危險環(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行防雷設計。

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，雷擊時會導致電源SPD接地端與匯流排間電位差增大。

C．所選擇電源SPD技術參數(shù)問題：現(xiàn)場勘察B、C級組合電源浪涌保護器＼，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的響應時間和殘壓等參數(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：控制值班室控制機柜內(nèi)的SIEMENS直流24V電源輸出端未安裝相應的直流電源SPD，當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有一個脈沖傳入后級(視具體品牌而定)，該脈沖傳入連接信號模塊的信號線路后，可以使信號模塊所接信號SPD動作，嚴重時可能燒壞信號SPD，甚至損壞信號模塊。UPS前端未安裝電源SPD。

F．信號線路引入雷擊電磁脈沖：工藝裝置區(qū)變送器、EK260體積修正儀的信號線路未加裝相應信號SPD。室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)信號線未安裝相應的SPD。

G．綜合布線帶來的隱患：電源電纜與信號電纜敷設在同一金屬線槽內(nèi)，這種處置方式導致多條雷擊電磁脈沖和雷電感應引入途徑，形成很大的防雷隱患。

H．接地系統(tǒng)：場站內(nèi)避雷針采取獨立地網(wǎng)，與工藝裝置區(qū)的地網(wǎng)距離比較近。當任何一部分發(fā)生雷擊經(jīng)其中一個地網(wǎng)散流時的地電位抬升，可能造成該地網(wǎng)與其它地網(wǎng)之間危險的電位差，例如：當雷擊30m高的避雷針并通過引下線泄流時，由于接地電阻不等于零，在此就會產(chǎn)生地電位抬升，而其它地網(wǎng)仍然是零電位，如某信號模塊正好是與二者都有聯(lián)系，模塊上就會產(chǎn)生很高的電位差，信號SPD就會動作甚至燒毀，嚴重時會損壞信號模塊。

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，未構成等電位連接。雷擊時，控制值班室內(nèi)各設備之間可能出現(xiàn)電位差，危及設備安全。

J．屏蔽措施：當工藝裝置區(qū)附近發(fā)生雷擊時，會在信號線路上感應較強的雷擊電磁脈沖，由于存在有信號線屏蔽層在值班室機柜處未作接地處理，該脈沖可以沿信號線幾乎無衰減地傳入控制值班室設備。

A．安裝在室外的設備由于距離避雷針很近(小于8米)，當雷擊避雷針時產(chǎn)生的巨大瞬變電磁場及地電位的反擊會損壞設備，從現(xiàn)場調(diào)查情況可知，受雷擊損壞的設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，是整個站場的最高點，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)，這些不利條件便避雷針在接閃雷電時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)，構成一個完整的地網(wǎng)。

B．防護地電位反擊最有效的方法是等電位連接，利用防雷器將設備各端口的對地電位限制在設備能承受的范圍內(nèi)，同時將各端口的感應過電壓、過電流泄放到地，實現(xiàn)對設備的保護。下列安裝在室外的設備須在進出線端安裝防雷器：表l

 

C．為了進一部減小感應過電壓、過電流，對所有設備的進出線處補加屏蔽，屏蔽層用4m²線可靠接地。

D．對室外所有設備外殼、管道、線路屏蔽層等須接地的設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行整改，消除隱患。

E．為了加強對直擊雷和電磁脈沖的防護，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)構成。

b)避雷網(wǎng)由3m×3m的方形網(wǎng)格構成，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。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，集成電路為核心的網(wǎng)絡通信以及各種測控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用在天然氣場站中，遭受雷擊的電子設備受損的事故經(jīng)常發(fā)生，本文認為對于減弱天然氣場站內(nèi)電子設備雷電損害應注重一下幾個方面。

①接地網(wǎng)應按照《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057的要求進行設計，其他手段如石墨地極等只作為輔助、補充措施。隱蔽工程應有照片和跟蹤記錄作依據(jù)。

②場站內(nèi)所有的設備儀器、管道等金屬設施及控制室內(nèi)應完善等電位連接措施，連接點應有牢固可靠、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器。

④場站內(nèi)的各種線路應采取嚴格的屏蔽措施。特別是針對設備儀器端裸露部分的線路應有具體的屏蔽實施方案；屏蔽體應保持密封性與電氣連續(xù)性，雙端應保證可靠接地，中間的跨接點與雙端的接地點應有牢固可靠、防腐防銹的具體工藝措施。

新建站場建設應做到與防雷建設同時設計、同時施工、同時驗收。特別要確保建設初期的線路屏蔽及預留等電位接地點措施的完善，設計方案可委托防雷中心進行審核。

 

[1]城鎮(zhèn)燃氣防雷設計規(guī)范．QX／Tl09-2009

[2]建筑物防雷設計規(guī)范．GB50057-2010

[3]李業(yè)福．天然氣場站防雷防靜電系統(tǒng)設計．城市燃氣，2014，2：l6-20

[4]趙宇紅．《雷擊對電子設備的危害及防護》[J]．中國科技財富，2009