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淺談天然氣場站防雷電

 

雷電是一種常見的大氣放電現(xiàn)象。由于雷電釋放的能量相當(dāng)大，它所產(chǎn)生的強(qiáng)大電流、灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場和強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)給人們帶來了多種危害。目前全國已建成的天然氣長輸管道橫貫東西南北，沿線場站、閥室密布，管線所經(jīng)地域地理位置差異巨大，有的地方雷雨頻繁，很容易受到雷電的影響。一旦遭受雷電襲擊，損失難以估量，后果難以想象。所以，做好天然氣場站、沿線閥室和陰保間的防雷電，須臾不可小視。

　　1雷電對天然氣場站的影響

　　1.1雷電對儀表控制系統(tǒng)的影響

　　雷電從形式上可分為直接雷擊與感應(yīng)雷擊兩種[1]，對儀表控制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害分為下列幾種。

　　1）直接雷擊。雷電直接擊中現(xiàn)場儀表設(shè)備或與之連接的管路，通常會損壞儀表的傳感器模件并且可能損壞變送器的控制主板。雷電流在沿儀表支架流入大地的過程中，產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場，能通過信號傳輸線路耦合到控制室設(shè)備，損壞控制設(shè)備。

　　2）感應(yīng)雷擊。一種是靜電感應(yīng)。當(dāng)雷云來臨時，地面物體尤其是導(dǎo)體聚積大量電荷產(chǎn)生放電，放電電流若進(jìn)入現(xiàn)場儀表和用電設(shè)備，將造成設(shè)備損壞。另一種是電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍的空間產(chǎn)生電磁場，向外輻射電磁波，耦合到控制室的控制設(shè)備以及各類金屬導(dǎo)體上，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或感生電流，將造成設(shè)備故障或損壞，甚至使控制系統(tǒng)失靈。

　　3）雷電過電壓侵入。直接雷擊或雷電感應(yīng)都可能使導(dǎo)線或金屬管道產(chǎn)生過電壓，過電壓沿各種金屬管道、電纜槽、電纜線路就可能將高電位引入儀表控制系統(tǒng)造成干擾甚至損壞。

　　4）反擊。防雷裝置接閃時，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，由于大地電阻的存在，雷電電荷不可能快速向大地泄放，因而會引起局部地電位上升（可能成百上千伏），如果儀表控制系統(tǒng)的接地體與該點(diǎn)沒有足夠安全距離，它們之間就會產(chǎn)生放電，造成反擊電流，可直接擊穿在用電器的絕緣部分，對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞。

　　1.2雷電對管道的影響

　　場站工藝管道的地面部分及跨越管道，相對于整個埋地管道而言都是優(yōu)良的接閃器。當(dāng)管道附近上空即將產(chǎn)生雷電時，其下方大面積的地面形成一個靜電場，埋地管道也同大地一樣表面感應(yīng)出相反的電荷，當(dāng)電荷積累到一定程度而又具備了放電條件時，會出現(xiàn)一次強(qiáng)烈的放電過程。此時，云地電荷迅速消失，地電荷變?yōu)榱恪５牵捎赑E三層優(yōu)良的絕緣性能，管道感應(yīng)電荷的泄放速度很慢，一旦發(fā)生管道的局部放電，其他部位的感應(yīng)電荷也將隨之對地消散，于是在管道內(nèi)形成一股強(qiáng)大的電流。對于絕緣層電阻較低的管道，電流會通過絕緣層的漏點(diǎn)大量消散，不會產(chǎn)生大的破壞力；而對于絕緣層性能很好的管道，當(dāng)這種浪涌不能通過絕緣層本身的漏點(diǎn)快速泄放入地時，管道上絕緣或接觸不良的部位就產(chǎn)生高電壓，引起二次放電，這就是輸氣管道設(shè)備、設(shè)施遭受雷電破壞的主要原因。金屬管道本身是一個良導(dǎo)體，很容易成為較大的直擊雷電的泄放通道而發(fā)生雷擊現(xiàn)象[2].

　　此外，管道陰極保護(hù)設(shè)備、防蝕電源也經(jīng)常遭受雷電的襲擊，受損的組件主要為放電管、電容、集成電路、保險絲等。最嚴(yán)重的可以將設(shè)備的主板燒毀。陰極保護(hù)設(shè)備通過陰極電纜和零位接陰電纜與管道直接連通，是管道上直擊雷和感應(yīng)雷所產(chǎn)生的雷電電流最方便和直接的泄放通道，如果雷電擊中設(shè)備就會很容易對管道造成危害。

　　2天然氣場站雷電防護(hù)措施

　　一個完善的防雷工程應(yīng)包括：①外部防雷裝置（接閃器、引下線和接地裝置）承接50%以上的雷電流并將其泄入大地；②采用等電位連結(jié)、屏蔽、防閃絡(luò)技術(shù)和裝置，阻塞雷電波沿金屬導(dǎo)線和空間電磁場入侵的途徑；③電涌保護(hù)，利用某些元件的非線性特性，組成電涌保護(hù)器（SPD）并將其連結(jié)在配電和信號線路中，將累計產(chǎn)生的過電壓和過電流通過SPD泄入大地。這3個系統(tǒng)缺一不可。下面以儀表控制系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

　　治理侵入儀表控制系統(tǒng)雷電危害的措施主要包括接閃、分流、均壓、接地和屏蔽等。這些措施必須綜合運(yùn)用，才能真正達(dá)到儀表系統(tǒng)的防雷。

　　2.1接閃

　　直接雷擊的防護(hù)主要由建筑物的防雷裝置實現(xiàn)，現(xiàn)場儀表系統(tǒng)的防雷，應(yīng)和周圍輸氣設(shè)備的防雷措施一起設(shè)計。

　　2.2均壓

　　當(dāng)雷擊發(fā)生時，在雷電瞬態(tài)電流所經(jīng)過的路徑上將會產(chǎn)生瞬態(tài)電位升高，使該路徑與周圍的金屬物體之間形成瞬態(tài)電位差，如果這種瞬態(tài)的電位差超過了兩者之間的絕緣耐受強(qiáng)度，就會導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿放電，這種擊穿放電能直接損壞儀表設(shè)備，也能產(chǎn)生電磁脈沖，干擾儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了消除雷電瞬態(tài)電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，可以將所有現(xiàn)場儀表的金屬外殼、構(gòu)架、生產(chǎn)裝置的金屬設(shè)備、設(shè)施、儀表控制室內(nèi)的設(shè)備、組件和元件的金屬外殼、金屬設(shè)施連接在一起，并且與儀表控制室的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成完善的等電位連接。

　　2.3接地

　　目前國內(nèi)儀表系統(tǒng)接地主要有兩種措施：浮地、多點(diǎn)接地。

　　1）浮地。浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不會傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對儀表系統(tǒng)也無影響。但由于儀表的外殼要進(jìn)行保護(hù)接地，當(dāng)雷電較強(qiáng)時，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。

　　2）接地。接地是指儀表、PLC等設(shè)備的工作接地與保護(hù)接地分開。這種接地方式的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng)，電子電路同樣會因承受高壓而損壞。

　　由于以上兩種接地方式都不能滿足防雷電的需要，因此，可以考慮將保護(hù)地與工作地相連接，并且接入防雷電接地系統(tǒng)，問題就可以解決了。

　　2.4屏蔽

　　由于儀表系統(tǒng)大量采用半導(dǎo)體器件、集成電路和傳遞信號電纜，由雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在電源或信號線上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施。

　　1）控制室屏蔽。控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的心臟，對雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。儀表控制室應(yīng)是封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處進(jìn)行電氣連接，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接入防雷地），并做好有效的電氣連接。

　　2）現(xiàn)場儀表屏蔽。現(xiàn)場儀表可采用金屬的儀表箱實現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱要與其它現(xiàn)場的金屬設(shè)施實現(xiàn)等電位連接，并接入防雷接地系統(tǒng)。

　　3）信號線和電源線屏蔽。為了防止雷電電磁脈沖在信號或電源線路上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，所有的信號線及低壓電源線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜。就瞬態(tài)過壓防護(hù)而言，需要信號線或電源線的屏蔽層沿線路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線路的首、末兩端接地。當(dāng)采用多點(diǎn)接地后，各接地點(diǎn)之間的屏蔽層沿線路之間形成回路，低頻干擾電流的電磁場可能會有一部分透過屏蔽層，在電纜的護(hù)套回路產(chǎn)生低頻干擾，這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點(diǎn)接地。為了防止由多點(diǎn)接地所產(chǎn)生的低頻干擾，可將電纜穿入金屬管內(nèi)或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層進(jìn)行多點(diǎn)接地，金屬管內(nèi)或雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層可以采用一端接地。這樣既保證安全，又有利于抑制低頻干擾。

　　2.5分流

　　分流是防雷的有效措施。其方法就是在儀表控制系統(tǒng)的信號或通訊回路以及系統(tǒng)的供電電源部分采用浪涌保護(hù)器SPD，用以限制瞬態(tài)過電壓和浪涌電流。一個SPD只能為回路的某部分提供保護(hù)，由于設(shè)備回路太多，不可能在每個設(shè)備回路中都使用SPD，而是必須有選擇地在重要回路和系統(tǒng)電源回路中安裝SPD或避雷器。

　　為了達(dá)到儀表系統(tǒng)、陰保系統(tǒng)以及閥室設(shè)備的防雷電效果，要對整個生產(chǎn)裝置根據(jù)等電位連接的原則加以設(shè)計，從控制室、陰保系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表、儀表信號和電源線等多方面綜合考慮，采用接閃、分流、均壓、接地、屏蔽等多種措施，需要電氣、建筑、自控等專業(yè)協(xié)同合作來實現(xiàn)，除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

　　2.6加強(qiáng)防雷電的管理

　　一是按規(guī)定設(shè)置防雷電、靜電裝置，并對其進(jìn)行定期檢測檢修，保證接地完好有效，接地電阻符合要求；保證閥門、法蘭用金屬線跨接且可靠接地；法蘭連接間電阻應(yīng)小于0.03Ω，對地電阻不得大于100Ω；檢修拆除的跨接線一定要恢復(fù)。

　　二是提高設(shè)備的本質(zhì)安全程度，保證設(shè)備完好。要嚴(yán)把設(shè)備的采購、安裝、驗收關(guān)，確保設(shè)備本質(zhì)安全。工藝設(shè)備要常維護(hù)保養(yǎng)、勤檢查，消除跑、冒、滴、漏；電氣設(shè)備要選用相應(yīng)的安全等級和防爆等級，在運(yùn)行檢修過程中嚴(yán)禁對其進(jìn)行改裝、拆除或降低等級；漏電保護(hù)、短路保護(hù)、絕緣、屏護(hù)等要隨時完好有效；檢測報警裝置要定期定校驗。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李家啟。建筑物燃?xì)夤夤艿婪览准夹g(shù)研究［G］。//第3屆中國防雷論壇論文集，[出版地不詳]：[出版者不詳]，2004.

　　[2]姚偉，葛艾天，韓憲榮。陜京輸氣管道的雷電危害及防治［J］。油氣儲運(yùn)，2000，19（9）：14-17.

責(zé)任編輯：[科比特防雷]
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