曼型儲(chǔ)氣柜的防雷接地設(shè)計(jì)

中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司　侯　彪

曼型儲(chǔ)氣柜的防雷接地設(shè)計(jì)

中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司侯彪

明確了曼型儲(chǔ)氣柜屬于第二類防雷建筑物，介紹了相應(yīng)的雷電參數(shù)和防雷措施，并給出了曼型儲(chǔ)氣柜內(nèi)部活塞不會(huì)產(chǎn)生和積聚靜電的理由。

雷電流參數(shù)防雷措施聯(lián)合接地靜電

0　概述

曼型儲(chǔ)氣柜也叫稀油密封干式儲(chǔ)氣柜，具有儲(chǔ)氣壓力穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)勢，其在鋼鐵、焦炭、煤層氣開發(fā)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。曼型儲(chǔ)氣柜筒體是由鋼板焊接而成的全鋼結(jié)構(gòu)，筒體內(nèi)有隨儲(chǔ)氣柜內(nèi)部壓力變化上下移動(dòng)的活塞，從而實(shí)現(xiàn)對燃?xì)獾膬?nèi)存或外輸功能。

1　防雷設(shè)計(jì)

1.1防雷分類

曼型儲(chǔ)氣柜因其所儲(chǔ)存介質(zhì)的爆炸性氣體危險(xiǎn)屬性被確定為第二類防雷建筑物，該分類并非通過風(fēng)險(xiǎn)評估獲得，而是因可能的雷害會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果人為確定。

1.2　雷電流參數(shù)

依據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議(CJGRE)報(bào)告中的雷電流參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果：雷電流的峰值電流有99%不超出200 kA，有99%不小于3 kA。第二類防雷建筑物防護(hù)的雷電流最大峰值為150 kA，電荷量75 C，單位能量5.6 MJ/Ω；雷電流時(shí)間參數(shù)為10 us/350us；雷電流的峰值電流有98%不超出150 kA。這些參數(shù)被用來確定外部防雷系統(tǒng)材料截面積、有效厚度及其安裝固定方法，確定LPZ0B與LPZ1界面處等電位連接的雷電防護(hù)器件和確定模擬雷電流對這些器件影響的測試參數(shù)。第二類防雷建筑物防護(hù)的雷電流最小峰值為10 kA，由此確定滾球半徑為45 m；雷電流的峰值電流有91%不小于10 kA。

由于雷電防護(hù)系統(tǒng)外部防雷措施的效率等于雷電流參數(shù)在這個(gè)范圍內(nèi)的概率，因此第二類防雷建筑物外部防雷裝置攔截直擊雷的效率為0.89。

1.3防雷措施

誠如《雷電防護(hù) 第1部分：總則》(GB/T 21714.1—2008)所描述的，建筑物和服務(wù)設(shè)施的理想防雷措施應(yīng)該是把被保護(hù)對象置于接地良好的、有足夠厚度的、良好電氣貫通的屏蔽體內(nèi)，并在連接到建筑物的服務(wù)設(shè)施進(jìn)入屏蔽體的入口處做適當(dāng)?shù)牡入娢贿B接。很顯然，曼型儲(chǔ)氣柜要達(dá)到如此理想防雷效果是不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。為減少雷電活動(dòng)對儲(chǔ)氣柜及其附屬設(shè)施的直接或間接不利影響，雷電防護(hù)系統(tǒng)通常由外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩部分組成。

外部防雷系統(tǒng)通常由接閃器、引下線、接地裝置三部分組成。接閃器的功能是攔截直擊建筑物的雷電，同時(shí)利用雷電流最小參數(shù)和相應(yīng)的滾球半徑確定LPZ0B防御區(qū)域的幾何邊界，使需要保護(hù)的建筑物至少處在LPZ0B雷電防護(hù)區(qū)域內(nèi)部。需要明確指出的是接閃器不允許采用具有放射性的物質(zhì)。引下線的功能是安全引導(dǎo)雷電流流入接地裝置。接地裝置的功能是使雷電流入地流散。

內(nèi)部防雷系統(tǒng)是在建筑物內(nèi)利用等電位連接或經(jīng)SPD與等電位體連接，及使建筑物內(nèi)導(dǎo)電部件與外部防雷系統(tǒng)中的引下線隔開一段有效距離，使建筑物內(nèi)電氣電子系統(tǒng)處在與其額定絕緣耐受電壓水平要求的電磁環(huán)境相適應(yīng)的LPZ分區(qū)內(nèi)。

在假設(shè)雷電流的阻性發(fā)熱及電弧發(fā)熱全部用來加熱直徑8 cm圓形面積鋼質(zhì)金屬體前提下，遭首次正極性雷擊時(shí)雷擊點(diǎn)金屬熔化深度0.06 mm，且能達(dá)此最大值的概率低于10%。因此當(dāng)儲(chǔ)氣柜壁厚不小于4 mm時(shí)，按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057—2010)的有關(guān)規(guī)定利用其本體做外部接閃器，否則應(yīng)安裝外部接閃器。

鍍鋅鋼材具有較好的經(jīng)濟(jì)性、耐腐蝕性和廣泛的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)異特性，因此在需要安裝接閃器的場合常被用作外部接閃器材料。通過校核雷電流熱效應(yīng)作用效果，第二類防雷建筑物防雷裝置的鋼導(dǎo)體截面積為93 mm2，因此外部接閃器選用D12熱鍍鋅圓鋼。

對于服務(wù)于儲(chǔ)氣柜的電氣電子系統(tǒng)，除考慮外部防雷系統(tǒng)外，正常情況下非帶電導(dǎo)電部件及與之相連接的線路金屬保護(hù)管或金屬屏蔽層應(yīng)與儲(chǔ)氣柜作等電位連接。

2　接地設(shè)計(jì)

2.1接地裝置材料選型

一般接地裝置都有防護(hù)性和功能性兩大功能，但應(yīng)優(yōu)先滿足防護(hù)性要求。目前接地裝置所用材質(zhì)主要有銅材和鋼材，在土壤環(huán)境中銅材具有較好的耐腐蝕性和導(dǎo)電性，但由于銅的價(jià)格比較高、礦藏量比較小、在土壤環(huán)境中會(huì)加速附近鋼材的腐蝕等因素，以及相對銅材鐵礦礦藏量更加豐富、鋼材也更加經(jīng)濟(jì)、在土壤中具有更好的熱穩(wěn)定性、通過熱鍍鋅處理的鋼材抗土壤腐蝕性更強(qiáng)等因素，國內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的接地裝置大部分用的是鍍鋅鋼材。

選擇接地裝置首先應(yīng)滿足對其熱穩(wěn)定性要求。現(xiàn)階段除第一類防雷建筑物外的其他建筑物的接地裝置均是兼顧防護(hù)性和功能性的聯(lián)合接地，曼型儲(chǔ)氣柜的接地裝置一般采用聯(lián)合接地。在額定電壓230～400V供配電系統(tǒng)中，150 kA的雷電流遠(yuǎn)大于實(shí)際工程中的三相短路電流值，因此按滿足雷擊熱穩(wěn)定性要求的第二類防雷建筑物的接地裝置均滿足230～400 V供配電系統(tǒng)在短路條件下的熱穩(wěn)定性要求，亦即曼型儲(chǔ)氣柜接地裝置采用40×4熱鍍鋅扁鋼和50×5×2 500熱鍍鋅角鋼完全能夠滿足聯(lián)合接地裝置熱穩(wěn)定性要求。

其次接地裝置應(yīng)滿足對其預(yù)期壽命的要求。接地裝置的壽命應(yīng)綜合考慮其保護(hù)對象的壽命及其維護(hù)維修周期和本身維護(hù)維修周期及其在土壤中的受腐蝕程度。通常曼型儲(chǔ)氣柜經(jīng)濟(jì)壽命約50年，機(jī)電設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命約20年。曼型儲(chǔ)氣柜的檢修周期一般情況下為3～5年。按照2013年6月1日起施行的《防雷減災(zāi)管理辦法》(中國氣象局令第24號)第十九條規(guī)定曼型儲(chǔ)氣柜的接地裝置應(yīng)每半年檢測一次。

由于大多數(shù)情況下工程所在地的土壤電阻率都在50 Ω·m以上，鋼質(zhì)接地裝置的受腐蝕程度比較輕?，F(xiàn)取鋼質(zhì)接地裝置腐蝕速率為0.4 kg/(m2·a)，通過計(jì)算可知接地裝置在20年壽命期內(nèi)腐蝕深度為1.02 mm；在50年壽命期內(nèi)腐蝕深度為2.55 mm。綜合上述因素可以看出，在考慮適當(dāng)富裕量的前期下曼型儲(chǔ)氣柜接地裝置采用40×4熱鍍鋅扁鋼和50×5×2 500熱鍍鋅角鋼，其20年的使用壽命期是有保障的，并且20年的壽命期也是合理的。

2.2接地裝置施工

依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.10條規(guī)定，曼型儲(chǔ)氣柜“兩接地點(diǎn)間距離不宜大于30 m”。此款規(guī)定應(yīng)理解為“沿曼型儲(chǔ)氣柜周長計(jì)算兩接地點(diǎn)間距離不宜大于30 m”，理解成兩接地點(diǎn)間直線距離不宜大于30 m是不正確的。舉個(gè)極端的例子，如果曼型儲(chǔ)氣柜直徑是30 m，那么在任一直徑線上的兩點(diǎn)接地是不滿足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.10條的要求的，其正確性可以通過規(guī)范《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.4條2款、第4.3.3條、第4.4.3條及《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50074—2002)第14.2.2條的明確規(guī)定得到驗(yàn)證。

為確保接地裝置附近的人員安全，曼型儲(chǔ)氣柜接地電阻值一般不大于4 Ω，接地裝置埋設(shè)深度為1.0 m。在埋設(shè)接地裝置地表處鋪設(shè)植草磚，或者在埋設(shè)接地裝置之外適當(dāng)距離處設(shè)置圍欄都是增加接地裝置附近安全性的有效措施。工程實(shí)踐和工程計(jì)算都表明，接地裝置在滿足接地電阻值要求的前提下適當(dāng)深埋是最有效、最經(jīng)濟(jì)、又容易實(shí)施的降低跨步電壓的方法。

2.3活塞靜電接地

在保障曼型儲(chǔ)氣柜柜體完好接地的前提下，氣柜內(nèi)部活塞是否會(huì)產(chǎn)生和積聚靜電是活塞與柜體用導(dǎo)線連接的前提。首先，曼型儲(chǔ)氣柜的活塞因其結(jié)構(gòu)上存在諸如導(dǎo)輪、滑板、彈簧壓緊裝置、防回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的作用能夠保證在任何情況下活塞與儲(chǔ)氣柜筒體具有緊密接觸，因此活塞在沿儲(chǔ)氣柜筒體上下移動(dòng)的過程中不可能產(chǎn)生靜電。其次，曼型儲(chǔ)氣柜活塞處在封閉的全鋼金屬構(gòu)造的筒體內(nèi)部，不會(huì)因外界電磁場感應(yīng)使其表面產(chǎn)生不平衡電荷分布。第三，與儲(chǔ)氣柜連通的進(jìn)出氣管道均安裝有可靠的防雷防靜電接地裝置，儲(chǔ)氣柜內(nèi)氣體不可能將在生產(chǎn)加工、輸送過程中產(chǎn)生的靜電荷帶給活塞。其四，假設(shè)儲(chǔ)氣柜內(nèi)氣體與柜體側(cè)板、底板、活塞存在因相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定量的靜電電荷，如果將儲(chǔ)氣柜內(nèi)氣體所帶靜電電荷看作是一電壓源V，柜體側(cè)板及氣柜底板是與該電壓源相連接的電阻R1，活塞是與該電壓源并聯(lián)連接的電阻R2，很明顯曼型儲(chǔ)氣柜會(huì)因結(jié)構(gòu)上的緣故使R1遠(yuǎn)小于R2，電壓源V將通過低電阻R1放電，即儲(chǔ)氣柜內(nèi)氣體所帶靜電電荷通過柜體側(cè)板及氣柜底板泄放入地。既然儲(chǔ)氣柜內(nèi)氣體所帶靜電電荷可以通過柜體側(cè)板及氣柜底板的良好接地被泄放入地，活塞中就不可能存在所謂的靜電電荷。因此，不論是否考慮曼型儲(chǔ)氣柜密封油因素的影響，內(nèi)部活塞都不會(huì)產(chǎn)生和積聚靜電電荷，也就不需要使用導(dǎo)線與柜體進(jìn)行連接。

到目前為止，曼型儲(chǔ)氣柜密封油對活塞是否產(chǎn)生和積聚靜電的影響一直沒有明確結(jié)論。曼型儲(chǔ)氣柜密封油標(biāo)準(zhǔn)只對“運(yùn)動(dòng)粘度、粘度指數(shù)、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)、酸值、水分、機(jī)械雜質(zhì)、腐蝕試驗(yàn)、抗乳化性、液相銹蝕、密度、氧化安定性”等質(zhì)量指標(biāo)及試驗(yàn)方法進(jìn)行了明確，對于反映“電連續(xù)性”或者“靜電導(dǎo)通性”指標(biāo)的電阻率(或者電導(dǎo)率)沒有涉及。由于歷年的工程實(shí)踐沒有報(bào)告顯示曼型儲(chǔ)氣柜密封油會(huì)對活塞是否產(chǎn)生和積聚靜電造成一定影響，因此曼型儲(chǔ)氣柜活塞不會(huì)產(chǎn)生和積聚靜電電荷，不需要使用導(dǎo)線與柜體進(jìn)行連接。

3　結(jié)語

綜上所述，曼型儲(chǔ)氣柜防雷接地設(shè)計(jì)在按照滿足150 kA雷電流熱效應(yīng)選擇的外部防雷系統(tǒng)前提下，結(jié)合內(nèi)部防雷系統(tǒng)的等電位連接措施就可以對儲(chǔ)氣柜實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)，并滿足對儲(chǔ)氣柜和外部防雷系統(tǒng)預(yù)期壽命值的要求。同時(shí)，曼型儲(chǔ)氣柜活塞不需要使用導(dǎo)線與柜體進(jìn)行連接。

Lightning Protection & grounding Design of M.A.N Gasholder

North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd.Hou Biao

That the M.A.N gasholder belongs to the second lightning protection building was clarified, lightning protection parameters and countermeasures introduced, and the reason that the internal piston does not produce and accumulate static electricity has been given as well.

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