城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)安全防雷措施探究

摘要：隨著科技的高速發(fā)展以及城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)（包括場站現(xiàn)場儀表系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)及安防系統(tǒng)）設(shè)備的數(shù)字化、精密化程度越來越高，對防雷技術(shù)的要求也越來越嚴(yán)格。現(xiàn)闡述了雷電對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)的危害形式，分析了自控系統(tǒng)容易遭受雷擊破壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出了幾點(diǎn)防雷電破壞的安全措施。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃?xì)?雷擊;自控系統(tǒng);防雷措施

0 引言

雷電是一種常見的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，在春夏季節(jié)頻頻發(fā)生，其在極短的放電瞬間產(chǎn)生極高的電壓與瞬間極大電流，伴隨產(chǎn)生的高磁場和高輻射對各類建筑物、通信系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等均有極大的破壞作用，甚至?xí)＜叭藗兊纳拓敭a(chǎn)安全。城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)（包括場站現(xiàn)場儀表系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)及安防系統(tǒng)）是保障城市安全可靠供氣的重要設(shè)施，其分布點(diǎn)多面廣，涉及千家萬戶的用氣安全，而這些系統(tǒng)設(shè)備大部分安裝在野外場站的露天環(huán)境下，容易遭受雷擊破壞，不僅會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，還會給城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行帶來重大的安全隱患，嚴(yán)重時甚至?xí)斐苫馂?zāi)或爆炸事故。因此，城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)必須高度重視雷電的影響，對易遭受雷擊的設(shè)備采取相關(guān)防雷措施，避免或減小雷擊的破壞，保障城鎮(zhèn)燃?xì)獾陌踩\(yùn)行。

1 雷電對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)的危害形式

雷電從形式上可分為直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩種[1]，對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)可能產(chǎn)生的危害分為下列三種：

（1）直接雷擊。雷電直接擊中城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站、調(diào)壓站或閥室等現(xiàn)場露天安裝的儀表設(shè)備，主要損壞電動閥門、流量計、變送器、燃?xì)庑孤┨綔y儀、監(jiān)控攝像儀等儀器儀表的傳感器部件和控制主板。

（2）感應(yīng)雷擊。城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站、調(diào)壓站或閥室等均設(shè)置有避雷針（塔）或避雷線，因防雷設(shè)計或安裝不合理，當(dāng)接雷閃時，在引下線及接地地網(wǎng)內(nèi)會通過強(qiáng)大的瞬間電流，對周圍一定范圍內(nèi)電纜產(chǎn)生電磁感應(yīng);或者雷電流在其通道周圍的空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，向外輻射電磁波，耦合到附近各類電子儀表設(shè)備以及各類金屬導(dǎo)體上，感應(yīng)出很高的瞬間過電壓，通過金屬管道、電纜就可能將高電位引入自控系統(tǒng)，造成各類設(shè)備故障或損壞，甚至使自控系統(tǒng)癱瘓失靈。

直接雷擊或感應(yīng)雷擊都可能使城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站、調(diào)壓站或閥室等現(xiàn)場的金屬導(dǎo)線或金屬管道產(chǎn)生過電壓，過電壓沿各種金屬管道、電纜線路將高電位引入調(diào)度中心的自控系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成干擾甚至使設(shè)備損壞。

（3）雷電反擊[2]。避雷針（塔）或避雷線等避雷裝置接雷閃時，引導(dǎo)強(qiáng)大的雷電流流入大地。在此過程中，雷電流在它的引下線、接地體、接地網(wǎng)以及與它們相連接的金屬導(dǎo)體上會瞬間產(chǎn)生非常高的電壓，如果周圍自控系統(tǒng)設(shè)備及其接地體與這些避雷裝置沒有足夠的安全距離，兩者之間就會出現(xiàn)很高的電壓并發(fā)生放電現(xiàn)象，可直接擊穿自控系統(tǒng)儀器儀表及連接電纜的絕緣部分，對自控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至使系統(tǒng)設(shè)備損壞。

2 城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)遭受雷擊的缺陷分析

城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)各儀器儀表設(shè)備大部分安裝在室外露天環(huán)境，如果沒有嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計、安裝和驗(yàn)收，非常容易遭受雷擊的破壞。針對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)頻頻遭受雷擊破壞的現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些系統(tǒng)容易遭受雷擊的缺陷主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）避雷裝置安裝不合格。城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站、調(diào)壓站、閥室設(shè)置的獨(dú)立避雷針（塔）或架空避雷線的支柱及其接地裝置與被保護(hù)建筑物、管道、電纜等金屬物之間的距離過小，不符合防雷規(guī)范的要求，使避雷裝置變成“引雷裝置”，危害裝置周圍的建筑物和相關(guān)設(shè)備設(shè)施。

（2）防雷接地不合格。儀器儀表、連接電纜的屏蔽層或金屬套管未安裝接地裝置，或者接地裝置的接地電阻過大，遠(yuǎn)大于相關(guān)規(guī)范中接地電阻小于4 Ω的要求。

（3）自控系統(tǒng)沒有安裝電涌保護(hù)裝置（SPD）。給自控系統(tǒng)供電的配電房、配電柜沒有安裝電涌保護(hù)裝置，各儀器儀表設(shè)備的電源端和信號端也沒有安裝電涌保護(hù)裝置，無法將強(qiáng)大的雷電流泄流入地，使自控系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施遭受雷擊而損壞。

（4）自控系統(tǒng)中的設(shè)備設(shè)施不符合等電位連接要求。部分設(shè)備設(shè)施未進(jìn)行等電位連接，無法將雷電造成的高電位差迅速消除，使設(shè)備受到損壞。

（5）防感應(yīng)雷擊的屏蔽設(shè)施不完善。自控系統(tǒng)的設(shè)備非常精密，對雷電極為敏感，即使幾千米以外的高空雷閃或?qū)Φ乩组W，都有可能導(dǎo)致這些自控系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)（如計算機(jī)CPU）受到損壞或誤動作。根據(jù)國外資料介紹，3×10-6 T（0.03 Gs）的磁感應(yīng)強(qiáng)度可造成計算機(jī)誤動，2.4×10-4 T（2.4 Gs）的磁感應(yīng)強(qiáng)度即可使元件擊穿，造成永久損壞。另外，無屏蔽保護(hù)的電纜也有可能傳導(dǎo)雷電感應(yīng)電波。

3 城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)防雷電破壞的安全措施

通過對雷電危害形式和城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)防雷缺陷的分析，可以認(rèn)識到造成城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)遭受雷電破壞的原因是多方面的。所以，要保護(hù)自控系統(tǒng)免受雷擊破壞，必須針對雷電危害入侵途徑，將各種可能產(chǎn)生雷擊的因素排除，采用綜合防治措施，才能將雷害減小到最低限度。下面結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)的安全防雷措施展開具體探討。

3.1 ? ?按照規(guī)范要求完善防雷接閃裝置

接閃就是讓在一定程度范圍內(nèi)出現(xiàn)的閃電按照防雷系統(tǒng)的規(guī)定通道，一般是避雷針（塔）或避雷線，將雷電能量泄放到大地中去，城鎮(zhèn)燃?xì)飧鏖T站、調(diào)壓站及閥室安裝的避雷針（塔）或避雷線，必須嚴(yán)格按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）[3]的要求進(jìn)行設(shè)計安裝，避雷針（塔）或避雷線的支柱及其接地裝置與被保護(hù)建筑物、設(shè)備設(shè)施、管道、電纜等金屬物之間必須保證有足夠的間隔距離，最小安全凈距不得小于3 m，避雷針（塔）或避雷線應(yīng)設(shè)立獨(dú)立的接地裝置，接地電阻應(yīng)小于10 Ω。另外，城鎮(zhèn)燃?xì)飧鏖T站、調(diào)壓站及閥室的集中放空管在雷擊時也可能起到“引雷”的作用，應(yīng)設(shè)置一個阻值不大于10 Ω的接地網(wǎng)與其相連接，確保安全防雷無盲區(qū)。

3.2 ? ?做好設(shè)備設(shè)施接地及等電位連接

做好設(shè)備設(shè)施接地及等電位連接，可以減少自控系統(tǒng)受到雷電反擊的危害。城鎮(zhèn)燃?xì)飧鏖T站、調(diào)壓站及閥室生產(chǎn)現(xiàn)場所有金屬（包括金屬圍欄、風(fēng)向標(biāo)、滅火器柜等）必須全部接地，所有儀器儀表全部接地，防雷、防靜電、接地保護(hù)共用一套接地裝置，采用聯(lián)合接地形式。接地電阻必須小于4 Ω，接地地網(wǎng)可采用增加地網(wǎng)面積、使用降阻劑、打深井的方式降低接地電阻。對于等電位連接，所有少于5顆連接螺栓的法蘭用銅片進(jìn)行跨接;平行安裝（敷設(shè)）的間距小于100 mm的金屬管道，每間隔不大于25 m應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接，交叉間距小于100 m的金屬管道應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接;將場站生產(chǎn)現(xiàn)場所有儀表外殼和生產(chǎn)裝置的金屬設(shè)施用金屬導(dǎo)線連接在一起，并與防雷接地系統(tǒng)相連接;將自控系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)的設(shè)備及組件、元件的金屬外殼和金屬設(shè)施用金屬導(dǎo)線連接在一起，并與機(jī)房的等電位排和防雷接地系統(tǒng)相連接，形成完善的等電位連接。

3.3 ? ?完善屏蔽設(shè)施

利用屏蔽體防止雷電強(qiáng)電磁場影響電子設(shè)備是一種有效的防護(hù)措施。城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)度中心機(jī)房是自控系統(tǒng)的“心臟”，在整個系統(tǒng)中有著重要地位。機(jī)房四周墻壁可以用鍍鋅鋼板鋪設(shè)，機(jī)房地面設(shè)主接地匯流排，接地匯流排的材料采用合適的銅片并良好接地，所有機(jī)柜內(nèi)接地均接入接地匯流排內(nèi);機(jī)房內(nèi)設(shè)備柜為金屬柜，應(yīng)做好等電位接地處理，機(jī)房內(nèi)所有的金屬屏蔽套、殼等均需要接地。

采用上述手段處理后，雷電對機(jī)房的影響就主要體現(xiàn)在進(jìn)出電屏柜的電源和信號線路，包括機(jī)房與場站現(xiàn)場儀表設(shè)備連接的電源和信號線路，需要對線路進(jìn)行屏蔽，一般的屏蔽方式是采用帶金屬屏蔽層的鎧裝線路電纜，套管采用金屬套管，禁止采用PVC套管和塑料軟管。將鎧裝層和屏蔽層接地，線路屏蔽層應(yīng)全程導(dǎo)通，防止出現(xiàn)中間中斷，應(yīng)將屏蔽層沿線路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線路的首、末兩端接地，金屬套管也必須接地;現(xiàn)場未接地處理的儀表外殼可采用金屬儀表箱實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表的信號線和電源線的套管也必須采用金屬套管，儀表箱和金屬套管要與其他現(xiàn)場的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位連接，并接入防雷接地系統(tǒng)。

3.4 ? ?設(shè)置電涌保護(hù)器（SPD）

首先，對系統(tǒng)的電源線路設(shè)置電源電涌保護(hù)器，一個完善的系統(tǒng)配電線路防雷擊方案應(yīng)從總配電、分配電、重要設(shè)備配電等方面全面考慮。第一級電源電涌保護(hù)器的標(biāo)稱沖擊電流不小于12.5 kA/線（10/350 μs），電壓保護(hù)水平Up不能大于2.5 kV，要求具有相線對地線、中線對地線的保護(hù)功能;設(shè)備前端電涌保護(hù)器的標(biāo)稱沖擊電流≥5 kA/線（8/20 μs），殘壓≤1.25 kV，要求具有相線對地線、中線對地線的保護(hù)功能。這樣能保證將電涌隔離在系統(tǒng)之外。

其次，對自控系統(tǒng)的信號線路設(shè)置信號電涌保護(hù)器，用以限制瞬間過電壓和浪涌電流，對無法實(shí)現(xiàn)屏蔽的信號線加以保護(hù)。信號電涌保護(hù)器的泄放電流不小于5 kA/線（8/20 μs），殘壓、頻率、阻抗、接口應(yīng)滿足信號傳輸要求。

4 結(jié)語

本文提出了防雷電破壞的幾點(diǎn)安全措施，其在實(shí)際運(yùn)用中被證明是可行的，減少了雷擊對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)的破壞，具有很好的推廣價值。

鑒于雷擊對城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)的破壞較大，會影響燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行，因此，在燃?xì)夤こ探ㄔO(shè)中必須高度重視防雷設(shè)計和防雷設(shè)施的安裝，要做到合理可靠，符合規(guī)范，避免出現(xiàn)防雷缺陷;同時，在日常工作中，對防雷設(shè)備設(shè)施的維護(hù)保養(yǎng)、定期檢查也是非常重要的，只有這樣才能避免城鎮(zhèn)燃?xì)庾钥叵到y(tǒng)遭受雷擊破壞，保證燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行，保障人民群眾的生命、財產(chǎn)安全。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王琳，張彥生，宋紅蓉.淺談電力系統(tǒng)的安全防雷[J].山西科技，2011，26（5）：128-129.

[2] 吳建欣，燕榮江，吳宏.雷電反擊的分析與探討[J].現(xiàn)代科技：現(xiàn)代物業(yè)，2010，9（5）：27-29.

[3] 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范：GB 50057—2010[S].

收稿日期：2021-04-06

作者簡介：李振悅（1971—），男，廣東梅州人，工程師，從事天然氣管道的規(guī)劃、施工及運(yùn)營管理工作。