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，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，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有等電位均壓環(huán)，但機柜內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，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場站內所有的設備儀器、管道等金屬設施及控制室內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