汽車加油加氣站的雷電與電涌防護(hù)探討

歐京逵

(中國神華煤制化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

1 概述

隨著汽車加油加氣站的自動化管理水平的提高，如計算機(jī)計量、計價、油罐液位監(jiān)控、自動火災(zāi)報警等應(yīng)用越來越普遍，使加油加氣站的雷電事故有逐年遞增的趨勢，影響汽車加油加氣，消弱了加油加氣站作為城市能源樞紐的功能，也給不了解加油加氣站安全性能的人們，產(chǎn)生不安全感。因此，對汽車加油加氣站的雷電與電涌保護(hù)就顯得非常重要了。

2 加油加氣站的環(huán)境特點

(1)地理位置:加油加氣站通常應(yīng)納入城市建設(shè)總體規(guī)劃，設(shè)置在交通便利的城區(qū)開闊地帶或郊區(qū)、道路干線、主干線、高速公路旁邊等地帶。

(2)實施條件:加油加氣站的建筑一般都有高大的罩棚，較低一些的營業(yè)室、值班室等，一般占地面積不大，不便于多級(SPD)防雷的實施。

加油加氣站城區(qū)的油罐規(guī)范要求采用直接埋地式，只有遠(yuǎn)郊區(qū)的加油加氣站油罐可采用地上式，油罐上不低于4m的金屬通氣管上都要求安裝有阻火器(兼有防爆性能)，但不裝呼吸閥。

(3)電源系統(tǒng):一般加油站都用220/380V外接電源，加氣站、加油加氣合建站都用6～10kV外接電源供氣壓機(jī)用電。並獨立設(shè)置電能計量裝置。

汽車加油加氣站的電力線路一般都采用電纜直接埋地敷設(shè)，進(jìn)出建筑物及穿越行車道路部分都應(yīng)穿鋼管保護(hù)。

(4)電子系統(tǒng):加油加氣站的電子系統(tǒng)應(yīng)采用雙層屏蔽電纜或?qū)Ь€穿鋼管配線，配線電纜外皮金屬屏蔽層兩端，保護(hù)管兩端均應(yīng)作等電位接地處理。內(nèi)屏蔽層可在電源側(cè)單端接地。

(5)爆炸危險區(qū)域劃分:汽車加油加氣站的爆炸危險區(qū)域劃分詳見《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》GB50156—2002，附錄B。一般只有加油加氣機(jī)周圍，油罐內(nèi)部及通氣管周圍，閥井及油罐車卸車場地等存在爆炸危險環(huán)境。但一般是運營操作時存在，停止運營操作時消失(卸車場地、加油場地、加氣場地、油罐進(jìn)油時通氣管周圍等)。

(6)加油加氣站的運行安全規(guī)程規(guī)定:雷雨天加油加氣站不允許油罐作裝卸油操作。這樣卸車場地、油罐通氣管周圍這時一般沒有爆炸危險環(huán)境存在。

從以上幾個特點不難發(fā)現(xiàn)，從防雷擊事故來看，汽車加油加氣站并非在“高風(fēng)險”環(huán)境下運行，只要采取強(qiáng)有力的防護(hù)措施，根據(jù)國標(biāo)《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》GB50156—2002設(shè)防，汽車加油加氣站是可以安全平穩(wěn)的運行。

3 汽車加油加氣站的雷擊事故統(tǒng)計與分析

為了防止加油加氣站的雷擊事故，找出發(fā)生雷擊事故的原因，以便采取安全、可靠、經(jīng)濟(jì)適用的措施達(dá)到少投入、多產(chǎn)出，事半功倍的效果。對2001～2003年的全國加油加氣站雷電事作了初步統(tǒng)計見表1。

表1 全國加油加氣站雷擊事故統(tǒng)計表

①全國加油加氣站按85000座考慮?，F(xiàn)在全國加油加氣站數(shù)量遠(yuǎn)大于8500座。②加油加氣站雷擊事故分析:從上統(tǒng)計表中加油加氣站雷擊事故，2001、2002、2003年雷擊事故分別占全國雷擊事故的1.3%、1.6%、2%，均在2%以內(nèi)，主要是雷擊使電子系統(tǒng)設(shè)備損壞事故。其中電腦加油加氣機(jī)主控板的雷擊事故最多，占加油加氣站雷擊事故的80%以上，其次是報警系統(tǒng)，空調(diào)、電視機(jī)等。根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)研分析加油加氣站的雷擊事故原因大都是雷電侵入與雷電高電位反擊所至，因此汽車加油加氣站必須采取系統(tǒng)的綜合防雷措施，特別應(yīng)加強(qiáng)對侵入雷與雷電高電位反擊的防護(hù)措施。

4 汽車加油加氣站的雷電與電涌防護(hù)

汽車加油加氣站的防雷必須采取系統(tǒng)的防護(hù)措施:即接閃、分流、接地、均壓、電磁封鎖、合理布線，安裝電涌保護(hù)器(SPD)等綜合措施，才能有效的防止雷電事故，確保汽車加油加氣站平穩(wěn)安全的運行。

加油加氣站的建筑物主要包括:埋地油罐、埋地液化氣罐、石油液化氣泵房、天然氣壓縮機(jī)房、站房(營業(yè)室、值班室、罩棚)，地上液化石油氣罐、儲氣瓶房、汽車加油機(jī)、加氣機(jī)等，爆炸危險區(qū)I區(qū)的范圍較小，絕大部分是Ⅱ區(qū)。根據(jù)國標(biāo)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，應(yīng)定為第二類防雷建筑物，它的系統(tǒng)防雷包括以下措施。

4.1 接閃

根據(jù)汽車加油加氣站所處的氣象、地形、地貌、周圍環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析。當(dāng)汽車加油加氣站位于高速公路、城市主干道、支干道路旁等的開闊地段、河流、湖泊、海邊等邊沿地段，建造在多雷地區(qū)(年雷暴日≥40d/a)，該加油加氣站有可能遭受直接雷擊。當(dāng)罩棚為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)在其屋面上裝設(shè)接閃帶(網(wǎng))進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)罩棚為彩鋼板，鋼板厚大于0.5mm，鋼板之間是非易燃物時，可以用罩棚屋面作接閃器，用鋼柱作引下線進(jìn)行保護(hù)就可以了。

4.2 分流

加油加氣站在其屋面上安裝有接閃帶(網(wǎng))保護(hù)時，應(yīng)利用柱鋼筋或敷設(shè)扁鋼作引下線，為使雷電流分多路引導(dǎo)泄入大地，降低雷電在附近導(dǎo)體或電線、電纜上的感應(yīng)電勢或電流，應(yīng)盡可能多的布置引下線，並均勻布置在加油加氣站四周，地下部分與接地網(wǎng)焊接。

4.3 接地

加油加氣站的防雷接地、防靜電接地、電氣設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地、電子系統(tǒng)的接地(邏輯地、參考地)，SPD接地等，應(yīng)共用接地裝置，其接地電阻值不應(yīng)大于4Ω。

接地應(yīng)圍繞建筑物作環(huán)形閉合接地裝置，在每根引下線處，布置2～3根垂直接地極。垂直接地極長2.5m，埋深0.7m及以下，作用是降低沖擊接地電阻及固定環(huán)形閉合裝置，接地網(wǎng)應(yīng)在油罐卸車場地，加油機(jī)安裝處，加氣機(jī)安裝處，配電盤進(jìn)線處，埋地油罐通氣管處等焊接出接地支線，為上述設(shè)備作接地用。

4.4 電磁封鎖

加油加氣站的供電電源線路，應(yīng)全長采用鎧裝電纜或?qū)Ь€穿鋼管埋地引入。電纜或配線鋼管長度不應(yīng)小于2m，(ρ為當(dāng)?shù)赝寥离娮杪?，且不應(yīng)小于15m，電纜鎧裝及保護(hù)管兩端均應(yīng)可靠接地。加油加氣站的電子系統(tǒng)也應(yīng)采用雙層屏蔽電纜或?qū)Ь€穿鋼管配線，配線電纜金屬外皮兩端，保護(hù)管兩端均應(yīng)可靠接地。

4.5 均壓

加油加氣站圍繞建筑物作環(huán)形閉合接地裝置后，所有進(jìn)出環(huán)形接地裝置的金屬管道。電纜金屬外皮，導(dǎo)線保護(hù)管，均應(yīng)在與環(huán)形接地裝置交叉處相連。加油站內(nèi)的所有需接地設(shè)備與構(gòu)件，如油罐、加油機(jī)、通氣管、配電盤、電子系統(tǒng)用配電盤、開關(guān)、燈具等都要與接地網(wǎng)相連接，為使相鄰的金屬導(dǎo)體及設(shè)備上的電勢(電壓)相等，防止雷電反擊火花及對維護(hù)操作人員產(chǎn)生電擊，保護(hù)設(shè)備及人身安全，相鄰的金屬導(dǎo)體及設(shè)備應(yīng)用導(dǎo)電體跨接。

4.6 合理布線

當(dāng)汽車加油加氣站的屋面上裝有接閃帶(網(wǎng))保護(hù)時，動力配線與電子系統(tǒng)配線，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離接閃帶(網(wǎng))的引下線。當(dāng)兩者平行敷設(shè)時，兩者相距應(yīng)大于3m，交叉敷設(shè)應(yīng)大于2m，否則電力、電子配線應(yīng)穿兩端接地的鋼管加強(qiáng)屏蔽。

4.7 安裝SPD

我們采取以上六項措施，由于雷電的電效應(yīng)所至仍會在供電線路及電子系統(tǒng)傳輸線上，產(chǎn)生對其設(shè)備有破壞性的電涌。為對供電設(shè)備及電子系統(tǒng)設(shè)備實施有效保護(hù)，需在適當(dāng)部位安裝電涌保護(hù)器SPD。

(1)供配電系統(tǒng)的電源端

根據(jù)規(guī)范要求，加油加氣站的220/380U電源宜采TN－S系統(tǒng)，其SPD接線如圖1。

圖1 電源為TN－S系統(tǒng)時，總配電箱處的接線圖

(2)SPD選型要求

①最大沖擊放電電流(Iimp):應(yīng)根據(jù)建筑物的防雷類別(加油加氣站屬第二類防雷建筑物)，再根據(jù)進(jìn)出建筑物的導(dǎo)電物(金屬管線、電力線、通信線)進(jìn)行分流。每一導(dǎo)電物電流為i1=Is/2/n(kA)，(n為導(dǎo)電物根數(shù))，供電電纜每一芯線電流為i1=i1/m(kA)(m為電纜芯線數(shù))。對TN—S系統(tǒng)m=5。當(dāng)計算不可靠或有困難時，按Iimp≥12.5kA選取。

②流波形確定加油加氣站的電源進(jìn)線，大都采用鎧裝電纜進(jìn)線。少數(shù)采用架空線再換接電纜段進(jìn)線時，在電纜與架空線T接處的電纜頭應(yīng)裝電涌保護(hù)器，此時電纜鎧裝外皮與避雷器接地端并聯(lián)再接地，加油加氣站的配電端電纜頭再接地。因此電纜可以起到屏蔽與分流作用。此種情況的SPD(配電柜側(cè))，應(yīng)采用10/350μs試驗波。當(dāng)電源線路全部采用電纜進(jìn)線時SPD應(yīng)采用8/20μs的試驗波。

③大持續(xù)運行電壓Uc的確定:最大持續(xù)運行電壓Uc，要求SPD在此電壓下長期運行不會損壞。雷擊產(chǎn)生的過電壓，此電壓一般都是瞬態(tài)過電壓，其電壓幅值可以很高，但持續(xù)時間很短(μs)。通過SPD的能量有限，一般不會使SPD損壞，但電網(wǎng)運行等因素產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，其幅值比雷過電壓低，但持續(xù)時間很長，通過限壓型(MOV)SPD時能量會較大，輕則加速SPD老化，重則使SPD過熱而損壞或短路爆炸。對開關(guān)型SPD雖然沒有老化問題，但動作后有續(xù)流，當(dāng)電網(wǎng)的暫態(tài)過電壓幅值較高時，動作后的續(xù)流較大而不能自行熄滅，也會使SPD爆炸，所以選擇Uc要結(jié)合電網(wǎng)接地系統(tǒng)確定，對加油加氣站而言，根據(jù)規(guī)范規(guī)定采用的是TN—S系統(tǒng)，此時選取Uc≥1.15U0，(U0為供電系統(tǒng)相電壓)。

④PD的保護(hù)水平Up值得確定:供電系統(tǒng)安裝SPD的目的是保護(hù)電氣設(shè)備，如圖2所示。

圖2 SPD與被保護(hù)設(shè)備的關(guān)系

當(dāng)SPD動作時，雷電流流過SPD，SPD將過電壓降到Up值，而設(shè)備所承受的電壓是Up+△Up1+△Up2﹦U，由此可見，被保護(hù)設(shè)備所承受的電壓是SPD的保護(hù)水平加上兩端的引線電壓降。因此要求兩端引線越短越好，其總長度不應(yīng)超過0.5m為佳。

當(dāng)滿足以下條件時，可僅在電源進(jìn)戶安裝一套SPD:

①電源進(jìn)線處安裝的SPD其保護(hù)水平Up≦2.5kV。

②需保護(hù)設(shè)備距電源處SPD距離不小于10m，且SPD的保護(hù)水平Up加上兩端引線的感應(yīng)電壓，對限壓型SPD要求(Up+△Up1+△Up2)≤0.8Uw.對開關(guān)型SPD要求Up或(△Up1+△Up2)大者≤0.8Uw。對限壓開關(guān)混和型 SPD要求(Up+△Up1+△Up2)≤0.8Uw。(Uw被保護(hù)設(shè)備耐壓水平)若在進(jìn)線處安裝的一套SPD達(dá)不到所要求保護(hù)的設(shè)備耐壓水平時，應(yīng)在被保護(hù)設(shè)備處增加配合協(xié)調(diào)的SPD，以確保達(dá)到設(shè)備所要求的電壓保護(hù)水平。

汽車加油加氣站防雷接地平面圖見圖3。

圖3

例:上圖SPD的安裝與選擇

圖4

根據(jù)國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057—2010第2.2.3條的規(guī)定:加油加氣站屬第二類防雷建筑物，按其附表6.1和6.2，雷電流幅值分別為首次雷擊150kA，后續(xù)雷擊為37.5kA，波頭時間分別為10μs和0.25μs

按圖3有4個回路導(dǎo)體，每個回導(dǎo)體電流為:

首次雷擊ii1=150kA/2/4=18.75kA

后續(xù)雷擊ii2=37.5kA/2/4=4.69kA

電源電纜芯數(shù)m=5:每一芯線電流ii1=18.75kA/5=3.75kA

對I級分類試驗的SPD2每一回路SPD電流為:

對II級分類試驗的限壓型SPDImax=3.75×20=75kA(8/20μs)選80kA(8/20μs)的 SPD 就行。但電壓保護(hù)水平必須小于UPS設(shè)備的耐壓值(1.5kV)。否則在UPS前端應(yīng)設(shè)置SPD2，其保護(hù)水平

5 結(jié)束語

汽車加油加氣站環(huán)境不應(yīng)視為雷電高風(fēng)險地區(qū)，依據(jù)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，應(yīng)該按二類防雷建筑物考慮。其油罐采用直埋地下式，通氣口裝有阻火器(有阻爆功能)，對雷電自身有防護(hù)能力，不應(yīng)裝設(shè)避雷針保護(hù)，依據(jù)GB50156—2002《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》分三級安裝防雷器(SPD1、SPD2、SPD3)考慮，再加上其他六項措施，汽車加油加氣站的雷電事故可以降低或消除。

［1］ GB50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ GB50156—2002汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［3］ GB50074—2002石油庫設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ 許穎.電纜段的雷電流的試驗研究［J］.防雷世界，2004.

［5］ QX3—2000氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范［S］.

［6］ IEC61312雷電電磁脈沖的防護(hù)［S］.