油氣管道站場防感應(yīng)雷擊的設(shè)計

趙微

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

感應(yīng)雷，是指雷電在放電的時候，由空中電磁場發(fā)生劇烈變化使得在金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出一定的感應(yīng)電壓，主要通過電流形式，由電源進(jìn)線側(cè)、儀表、通信設(shè)備或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部，感應(yīng)電流對附近金屬物產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，主要侵害建筑物內(nèi)的弱電系統(tǒng)[1]。根據(jù)油氣管道站場的特點(diǎn)，雷電感應(yīng)主要表現(xiàn)為電磁感應(yīng)和電場感應(yīng)，其中，電場感應(yīng)表現(xiàn)為靜電感應(yīng)。

油氣管道站場弱電設(shè)備防感應(yīng)雷擊系統(tǒng)， 是在直擊雷有效防護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，采用屏蔽、均壓和接地等措施，并主要從電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方面進(jìn)行防護(hù)。

中緬油氣管道(貴州段)站場所處地區(qū)屬于強(qiáng)雷區(qū)，雷電事故經(jīng)常導(dǎo)致配電設(shè)備和用戶設(shè)備的損壞，給生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響。通過對該地區(qū)2015—2018年的防雷檢測，油氣管道雷電事故隱患點(diǎn)分布見表1所列。由表1可知，在電氣設(shè)施、穿線管接地處易發(fā)生雷擊，屬于設(shè)備維護(hù)維修的隱患。

表1 油氣管道雷電事故隱患點(diǎn)分布 個

1 弱電設(shè)備防感應(yīng)雷擊措施

1.1 電磁感應(yīng)防護(hù)

1.1.1成因分析

當(dāng)雷擊入侵建筑物或入戶線路時，首先通過接閃帶等措施進(jìn)行直擊雷的防護(hù)，本文主要研究分析油氣管道站場感應(yīng)雷擊，暫不考慮直擊雷問題。閃電電流與高頻電磁場會形成閃電電磁脈沖，當(dāng)該電磁脈沖通過接地裝置與空間敷設(shè)電磁場感應(yīng)相耦合時，就會形成瞬間的過電壓或過電流。該瞬態(tài)過電壓或過電流會嚴(yán)重影響到儀表、通信設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.1.2防電磁感應(yīng)措施

將需要保護(hù)和控制雷擊電磁環(huán)境的建筑物空間，從外部到內(nèi)部劃分為多個不同的雷電防護(hù)區(qū)域(LPZ)，其目的為了限定各部分空間不同的閃電電磁脈沖強(qiáng)度，以明確各不同空間內(nèi)被保護(hù)設(shè)備相應(yīng)的防雷擊電磁干擾水平。根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)防雷區(qū)的電磁環(huán)境特點(diǎn)，安裝在LPZ0A區(qū)或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處的第一級電涌保護(hù)器安裝應(yīng)符合IEG 61643-1所規(guī)定的一級分類的試驗(yàn)產(chǎn)品，防止電磁脈沖對進(jìn)入保護(hù)區(qū)前的配電設(shè)施處產(chǎn)生影響。在配電線路分配電箱、需要保護(hù)的設(shè)備，即儀表、通信設(shè)備等后續(xù)防護(hù)區(qū)交界處，設(shè)置Ⅱ類試驗(yàn)的電涌保護(hù)器作為第2級保護(hù)。油氣管道站場防電磁感應(yīng)原理如圖1所示。其中，LPZ1區(qū)域是指本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭受直接雷擊的防雷區(qū)；U1和I1是指LPZ1區(qū)域中的防導(dǎo)入電涌的電壓和電流，U0和I0是指LPZ1區(qū)域外部的(即雷電磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于LPZ1區(qū)域)防導(dǎo)入電涌的電壓和電流；H1指LPZ1區(qū)域防輻射磁場，H0指LPZ1區(qū)域外部的防輻射磁場。

該站場的弱電設(shè)備布置在綜合設(shè)備間內(nèi)，其外墻有鋼筋或金屬壁板等屏蔽措施，該區(qū)域內(nèi)不可能遭受直接雷擊，則界定該雷擊區(qū)域?yàn)長PZ1區(qū)域，圖1所示中需要保護(hù)的設(shè)備，采取一級、二級防護(hù)措施，通過加設(shè)電涌保護(hù)器，可以有效地降低電涌電壓、電流值，達(dá)到了防電磁感應(yīng)的目的。

圖1 油氣管道站場防電磁感應(yīng)原理示意

1.2 靜電感應(yīng)防護(hù)

1.2.1成因分析

當(dāng)發(fā)生雷擊時，室內(nèi)布置儀表、通信設(shè)備的綜合設(shè)備間屋面在進(jìn)行接閃時，電氣線路上會產(chǎn)生極高的瞬態(tài)感應(yīng)電壓，并與雷云極性相反的電荷聚積到一段線路上，成為束縛電荷，在雷閃瞬間，又變?yōu)樽杂呻姾?，向線路兩端活動，形成感應(yīng)過電壓，侵害設(shè)備[2]。

1.2.2防靜電感應(yīng)措施

通過分析雷電感應(yīng)形成的原因，雷電感應(yīng)是由于瞬間的感應(yīng)過電壓和感應(yīng)過電流傳遞至另一個防雷區(qū)域，采取相應(yīng)的屏蔽措施，可達(dá)到防雷效果。

通過屏蔽本區(qū)域內(nèi)的感應(yīng)過電壓和過電流，首先確定線路屏蔽層的截面積Sc，計算如式(1)所示：

(1)

式中：If——流入屏蔽層的雷電流，kA；ρc——屏蔽層的電阻率，Ω·m；Lc——線路計算長度，m；Uw——線路所接儀表、通信設(shè)備的絕緣耐受電壓額定值，取1.5 kV。

為降低線路受到雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓，還需要在電力電纜與弱電設(shè)備信號線纜之間采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?，選擇相應(yīng)的敷設(shè)間距。儀表、通信等弱電設(shè)備的線纜或光纜與其他管線間距要求見表2所列，電力電纜敷設(shè)時，應(yīng)大于最小間距，以達(dá)到屏蔽的作用。

為了防止靜電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓，綜合設(shè)備間內(nèi)的電氣及弱電設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、金屬管、匯線槽、屏蔽線纜金屬外層、電涌保護(hù)器接地端等均就近與室內(nèi)接地網(wǎng)可靠連接，并做到均壓即等電位連接。因此通信系統(tǒng)與場區(qū)防雷接地系統(tǒng)不存在電位差，即使受到靜電感應(yīng)，也不會對儀表、通信設(shè)備的電子原件產(chǎn)生影響。為了降低感應(yīng)雷擊的靜電危害，該油氣管道站場綜合設(shè)備間內(nèi)等電位連接的網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)采用M型如圖2所示，保護(hù)的設(shè)備通過等電位連接導(dǎo)體與等電位連接網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)進(jìn)行連接，并接至共用接地系統(tǒng)。

圖2 M型等電位連接的網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)示意

2 接地與等電位連接系統(tǒng)

油氣管道站場接地系統(tǒng)做聯(lián)合接地，接地型式采用TN-S系統(tǒng)。地線(PE線)連接設(shè)備金屬外殼，正常狀態(tài)無電流，安全可靠，抗干擾性強(qiáng)。在具有較多儀表、通信等弱電設(shè)備的綜合設(shè)備間內(nèi)，電氣系統(tǒng)、自控、通信的保護(hù)接地及工作接地，防雷防靜電接地共用同一接地裝置，進(jìn)而滿足統(tǒng)一接地的要求，保證了室內(nèi)等電位效果，不存在電位差，有效避免了感應(yīng)雷的危害[5]。

室內(nèi)采用等電位連接，能夠把建筑物內(nèi)所有的機(jī)柜及其他設(shè)備金屬物與接地裝置連接在一起，使整個建筑物不存在電位差，構(gòu)成良好的等電位體，不會使儀表、通信機(jī)柜被高電位反擊而受到雷電侵害。油氣管道站場設(shè)備間等電位連接如圖3 所示，各設(shè)備間連線的金屬套管因?yàn)樵诜漓o電地板下，采用穿PVC管的方式進(jìn)行保護(hù)。熱鍍鋅扁鋼規(guī)格為50 mm×5 mm，用來連接LEB等電位箱與站場接地網(wǎng)的接地貫通，如此各設(shè)備與整個站場不存在電位差，使其在同一個電位上，免受電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)所帶來的侵害。

圖3 油氣管道站場設(shè)備間等電位連接系統(tǒng)

3 結(jié)束語

油氣管道站場儀表、通信等弱電設(shè)備，因電子器件較多，精密度較高，只有通過綜合的防雷措施才能確保安全運(yùn)行，提高防感應(yīng)雷擊能力。為了有效提升弱電設(shè)備的防感應(yīng)雷能力，在直擊雷有效防護(hù)的基礎(chǔ)上，主要采用屏蔽、均壓和接地的方式，并通過接地系統(tǒng)即等電位連接。采用該方案，該油氣管道站場(貴州段)有效避免了站場內(nèi)部受感應(yīng)雷的侵害，保護(hù)了儀表、通信設(shè)備，確保了油氣管道站場安全、可靠運(yùn)行。