長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防雷設(shè)計(jì)與分析

趙 微

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)的雷電表現(xiàn)形式主要分為兩種：直擊雷和感應(yīng)雷，如圖1 所示。直擊雷是指雷云與建筑物、設(shè)備、大地與防雷裝置之間發(fā)生的迅猛放電現(xiàn)象，并由此伴隨產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力等一系列的破壞作用。感應(yīng)雷，即雷電感應(yīng)，主要表現(xiàn)為電磁感應(yīng)、雷電感應(yīng)和靜電感應(yīng)，是指雷電在放電的時(shí)候，強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)附近金屬物產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，主要侵害建筑物內(nèi)的電子設(shè)備及弱電系統(tǒng)[1]。

Figure 1. Schematic diagram of lighting manifestation in long distance pipline station圖1. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)雷電表現(xiàn)形式示意圖

通過(guò)雷擊表現(xiàn)形式，在長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防雷設(shè)計(jì)時(shí)，主要從防直擊雷和感應(yīng)雷兩方面進(jìn)行考慮，對(duì)兩種防雷措施進(jìn)行分析和總結(jié)，以達(dá)到削弱雷電危害的目的。

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)一旦發(fā)生雷害事故，將對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)施及儀表、自動(dòng)化系統(tǒng)帶來(lái)巨大的危害，嚴(yán)重時(shí)，造成管道停輸。所以，為了使長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)電氣設(shè)備和建筑物免受直擊雷的破壞，要采取必要的防雷措施。

2. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防直擊雷措施

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)直擊雷的危害對(duì)象為站場(chǎng)內(nèi)建筑物或構(gòu)筑物，即綜合值班室，綜合設(shè)備間及工藝設(shè)備區(qū)等。根據(jù)當(dāng)?shù)乩妆┤蘸徒?gòu)筑物、生產(chǎn)裝置的重要程度劃分類別，工藝設(shè)備區(qū)按照第二類構(gòu)筑物考慮；綜合設(shè)備間、綜合值班室等輔助建筑物按第三類建筑物考慮；對(duì)于較大的油氣管道站場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)防直擊雷措施主要是裝設(shè)獨(dú)立的接閃桿。

2.1. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)建構(gòu)筑物防直擊雷措施

工藝設(shè)備區(qū)屬于爆炸危險(xiǎn)區(qū)，當(dāng)露天布置的鋼質(zhì)密閉設(shè)備、容器壁厚大于4 mm 時(shí)，不必裝設(shè)接閃器，但必須接地，且接地點(diǎn)不應(yīng)少于兩處[2]；兩接地點(diǎn)間距離不宜大于30 m，沖擊接地電阻不應(yīng)大于30 Ω；當(dāng)設(shè)備、容器壁厚小于4 mm 時(shí)，應(yīng)設(shè)接閃桿(線)避免直擊雷的危害。地上管道應(yīng)做防雷接地，管道防雷接地引下點(diǎn)與閥門、撬座接地相配合使引下點(diǎn)間距不大于18 m，管道接地利用管托引下并就近與接地干線連接。長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)管道防雷典型圖如圖2 所示。

Figure 2. Typical drawing of pipeline lighting protection in long distance pipline station圖2. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)管道防雷典型圖

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)里的單體，如綜合設(shè)備間、綜合值班室等按第三類防雷建筑物的要求進(jìn)行防直擊雷的設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)的通用做法是，在屋面用圓鋼做接閃帶，同時(shí)，利用單體鋼柱作為引下線，其上部與圓鋼接閃帶可靠焊接，下部與原場(chǎng)區(qū)接地網(wǎng)可靠連接。

對(duì)于長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)的輸油泵房、壓縮機(jī)等工藝裝置單體，按二類防雷建筑物單體進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，其防直接雷的做法主要為，首先利用金屬屋面做接閃器，同時(shí)采用裝設(shè)在建筑物上的接閃帶做接閃器。接閃帶沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)，并在整個(gè)屋面組成不大于10 m × 10 m 或12 m× 8 m 的網(wǎng)格。屋頂風(fēng)機(jī)的金屬風(fēng)帽等采用兩點(diǎn)和屋頂接閃器連接。建筑物利用鋼柱作為引下線，引下線不少于2 根，并沿建筑物四周均勻?qū)ΨQ布置，其間距沿周長(zhǎng)計(jì)算不應(yīng)大于18 m。當(dāng)建筑物的跨度較大，無(wú)法在跨距中間設(shè)引下線時(shí)，在跨距兩端設(shè)引下線并減小其它引下線的間距，引下線的平均間距不應(yīng)大于18 m。

2.2. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)場(chǎng)區(qū)防直擊雷措施

對(duì)于較大的長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)防直擊雷措施主要是裝設(shè)獨(dú)立的接閃桿。根據(jù)長(zhǎng)輸管道的特殊性，獨(dú)立接閃桿距與其有聯(lián)系的管道等金屬物之間的距離應(yīng)符合接閃桿的保護(hù)范圍[2]，一般采取滾球法來(lái)計(jì)算接閃桿保護(hù)半徑，見(jiàn)式1 所示。

式中r0表示所求的接閃桿保護(hù)半徑，h表示接閃桿的高度，hr為滾球半徑，hr通常取45 米。裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或接閃線，其作用是被保護(hù)的建筑物及放散管等突出屋面的物體均處于接閃裝置的保護(hù)范圍內(nèi)，有效地提高了防直擊雷的效果。由式(1)對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行避雷針保護(hù)半徑進(jìn)行計(jì)算，得出保護(hù)范圍，如表1 所示。

Table 1. Protection range of lightning rod表1. 避雷針保護(hù)范圍

3. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防感應(yīng)雷電措施

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防雷特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，站場(chǎng)內(nèi)防感應(yīng)雷實(shí)質(zhì)上是防止雷電對(duì)儀表、通信等弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾。

3.1. 感應(yīng)雷電入侵弱電系統(tǒng)的原因

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)的綜合設(shè)備間、綜合值班室通常包含儀表、通信等弱電設(shè)備，如果接地裝置和儀表、通信等設(shè)備的接地體絕緣距離不夠，就會(huì)對(duì)弱電設(shè)備產(chǎn)生破壞，在雷擊放電時(shí)，空間輻射的電磁場(chǎng)就會(huì)在連接至弱電設(shè)備時(shí)產(chǎn)生靜電感應(yīng)，使弱電系統(tǒng)發(fā)生感應(yīng)雷擊的破壞[3]。

3.2. 雷電保護(hù)區(qū)的劃分

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)按照雷電保護(hù)空間劃分為L(zhǎng)PZ0區(qū)及LPZ1區(qū)，通過(guò)分區(qū)劃分可以表現(xiàn)該區(qū)域的建筑單體遭受的防雷區(qū)，并通過(guò)屏蔽感應(yīng)過(guò)電壓和過(guò)電流，達(dá)到防雷電感應(yīng)的目的[4]。雷電保護(hù)區(qū)的劃分如圖3 所示。

Figure 3. Division of lightning protection area圖3. 雷電保護(hù)區(qū)劃分圖

3.3. 防感應(yīng)雷電的基本措施

長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防感應(yīng)雷電的基本措施，主要是儀表、通信設(shè)備的屏蔽與接地、設(shè)置浪涌保護(hù)器等。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)中，綜合設(shè)備間的儀表、通信機(jī)柜較多，通常采用分組連接的方法，與接地網(wǎng)連接在一起。儀表、通信設(shè)備應(yīng)做屏蔽措施，并與戶內(nèi)的接地系統(tǒng)進(jìn)行連接。同時(shí)，對(duì)于進(jìn)入具有儀表、通信設(shè)備建筑物的交流供電線路，在線路的總配電裝置處加設(shè)Ⅰ類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器，這樣可以有效避免感應(yīng)雷電的入侵。

在線路裝設(shè)浪涌保護(hù)器是防止感應(yīng)雷電的基本措施，目前在建筑物防雷系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。為了研究長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防感應(yīng)雷的基本效果，仿真分析浪涌保護(hù)器的工作狀態(tài)及應(yīng)用結(jié)果，浪涌保護(hù)器防護(hù)效果如圖4 所示[5]。

Figure 4. Protective effect of surge protector圖4. 浪涌保護(hù)器防護(hù)效果

由圖4 可知，在線路并聯(lián)浪涌保護(hù)器后，感應(yīng)雷電電壓明顯要低于雷電沖擊狀態(tài)值，降壓效果較為明顯，降低了雷電沖擊電流，進(jìn)而起到了防感應(yīng)雷擊的目的。

4. 長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)的接地系統(tǒng)

無(wú)論站場(chǎng)受到直擊雷，還是感應(yīng)雷的侵害，其最終結(jié)果都是將雷電流導(dǎo)入大地。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道接地系統(tǒng)總結(jié)，站內(nèi)通常做聯(lián)合接地，接地型式采用TN-S 系統(tǒng)[6]，站內(nèi)電氣接地、自控、通信的保護(hù)接地及工作接地、防雷防靜電接地等共用同一接地裝置，站內(nèi)做好均壓措施，同時(shí)要滿足站內(nèi)接地電阻的阻值要求，通常場(chǎng)區(qū)聯(lián)合接地電阻滿足儀表、通信設(shè)備的最小阻值要求，通常為1 Ω。

而對(duì)于長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)中的路燈、監(jiān)控?cái)z像桿等裝置，需設(shè)置獨(dú)立的接地裝置，每個(gè)裝置與接地裝置之間的連接線不少于2 處。當(dāng)設(shè)置獨(dú)立接地裝置有困難時(shí)，該接地裝置可與主接地網(wǎng)連接，并且不少于2 處，該接地裝置與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)至35 kV 及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)之間[7]，沿接地體的長(zhǎng)度不得小于15 m。

5. 結(jié)論

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)防雷特點(diǎn)，針對(duì)雷電的兩種表現(xiàn)形式，相應(yīng)設(shè)計(jì)和分析出防直擊雷和感應(yīng)雷的具體措施：站場(chǎng)綜合設(shè)備間、綜合值班室等輔助生產(chǎn)建筑物防直擊雷的通用做法，工藝設(shè)備區(qū)防直擊雷的相應(yīng)措施，同時(shí)對(duì)于較大的站場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)防直擊雷措施主要是裝設(shè)獨(dú)立的接閃桿；儀表、通信設(shè)備主要通過(guò)屏蔽與接地、設(shè)置浪涌保護(hù)器等防止感應(yīng)雷的危害，最后通過(guò)接地系統(tǒng)，使雷電流導(dǎo)入大地。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)輸管道防雷系統(tǒng)的總結(jié)和分析，該系統(tǒng)能夠有效的將防直擊雷、防感應(yīng)雷和接地系統(tǒng)連成一個(gè)可靠的接地網(wǎng)，保障了長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)安全、可靠運(yùn)行。