淺談天然氣場站防雷電
雷電是一種常見的大氣放電現象。由于雷電釋放的能量相當大，它所產生的強大電流、灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應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的影響
雷電從形式上可分為直接雷擊與感應雷擊兩種[1]，對儀表控制系統可能產生的危害分為下列幾種。
1）直接雷擊。雷電直接擊中現場儀表設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，產生強大的感應磁場，能通過信號傳輸線路耦合到控制室設備，損壞控制設備。
2）感應雷擊。一種是靜電感應。當雷云來臨時，地面物體尤其是導體聚積大量電荷產生放電，放電電流若進入現場儀表和用電設備，將造成設備損壞。另一種是電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍的空間產生電磁場，向外輻射電磁波，耦合到控制室的控制設備以及各類金屬導體上，產生感應電動勢或感生電流，將造成設備故障或損壞，甚至使控制系統失靈。
3）雷電過電壓侵入。直接雷擊或雷電感應都可能使導線或金屬管道產生過電壓，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造成干擾甚至損壞。
4）反擊。防雷裝置接閃時，強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），如果儀表控制系統的接地體與該點沒有足夠安全距離，它們之間就會產生放電，造成反擊電流，可直接擊穿在用電器的絕緣部分，對控制系統產生干擾乃至破壞。
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良的接閃器。當管道附近上空即將產生雷電時，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出相反的電荷，當電荷積累到一定程度而又具備了放電條件時，會出現一次強烈的放電過程。此時，云地電荷迅速消失，地電荷變為零。但是，由于PE三層優良的絕緣性能，管道感應電荷的泄放速度很慢，一旦發生管道的局部放電，其他部位的感應電荷也將隨之對地消散，于是在管道內形成一股強大的電流。對于絕緣層電阻較低的管道，電流會通過絕緣層的漏點大量消散，不會產生大的破壞力；而對于絕緣層性能很好的管道，當這種浪涌不能通過絕緣層本身的漏點快速泄放入地時，管道上絕緣或接觸不良的部位就產生高電壓，引起二次放電，這就是輸氣管道設備、設施遭受雷電破壞的主要原因。金屬管道本身是一個良導體，很容易成為較大的直擊雷電的泄放通道而發生雷擊現象[2].
此外，管道陰極保護設備、防蝕電源也經常遭受雷電的襲擊，受損的組件主要為放電管、電容、集成電路、保險絲等。最嚴重的可以將設備的主板燒毀。陰極保護設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雷所產生的雷電電流最方便和直接的泄放通道，如果雷電擊中設備就會很容易對管道造成危害。
2天然氣場站雷電防護措施
一個完善的防雷工程應包括：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、屏蔽、防閃絡技術和裝置，阻塞雷電波沿金屬導線和空間電磁場入侵的途徑；③電涌保護，利用某些元件的非線性特性，組成電涌保護器（SPD）并將其連結在配電和信號線路中，將累計產生的過電壓和過電流通過SPD泄入大地。這3個系統缺一不可。下面以儀表控制系統為例進行介紹。
治理侵入儀表控制系統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用，才能真正達到儀表系統的防雷。
2.1接閃
直接雷擊的防護主要由建筑物的防雷裝置實現，現場儀表系統的防雷，應和周圍輸氣設備的防雷措施一起設計。
2.2均壓
當雷擊發生時，在雷電瞬態電流所經過的路徑上將會產生瞬態電位升高，使該路徑與周圍的金屬物體之間形成瞬態電位差，如果這種瞬態的電位差超過了兩者之間的絕緣耐受強度，就會導致介質的擊穿放電，這種擊穿放電能直接損壞儀表設備，也能產生電磁脈沖，干擾儀表系統的正常運行。為了消除雷電瞬態電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，可以將所有現場儀表的金屬外殼、構架、生產裝置的金屬設備、設施、儀表控制室內的設備、組件和元件的金屬外殼、金屬設施連接在一起，并且與儀表控制室的防雷接地系統相連接，形成完善的等電位連接。
2.3接地
目前國內儀表系統接地主要有兩種措施：浮地、多點接地。
1）浮地。浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統保持絕緣，這樣建筑物接地系統中的電磁干擾就不會傳導到儀表系統中，地電位的變化對儀表系統也無影響。但由于儀表的外殼要進行保護接地，當雷電較強時，儀表外殼與其內部電子電路之間可能出現很高的電壓，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等設備的工作接地與保護接地分開。這種接地方式的突出優點是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強的雷電波通過保護地進入系統，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，可以考慮將保護地與工作地相連接，并且接入防雷電接地系統，問題就可以解決了。
2.4屏蔽
由于儀表系統大量采用半導體器件、集成電路和傳遞信號電纜，由雷擊產生的瞬態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出瞬態過電壓波，沿線路侵入電子設備，使電子設備工作失靈或損壞。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措施。
1）控制室屏蔽。控制室內的控制系統是儀表系統的心臟，對雷電產生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。儀表控制室應是封閉結構，將房屋墻壁中的結構鋼筋交點處進行電氣連接，在室內沿墻壁四周再做一圈保護接地環（接入防雷地），并做好有效的電氣連接。
2）現場儀表屏蔽。現場儀表可采用金屬的儀表箱實現防雷屏蔽，儀表箱要與其它現場的金屬設施實現等電位連接，并接入防雷接地系統。
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出瞬態過電壓波，所有的信號線及低壓電源線都應采用有金屬屏蔽層的電纜。就瞬態過壓防護而言，需要信號線或電源線的屏蔽層沿線路多點接地或至少應在線路的首、末兩端接地。當采用多點接地后，各接地點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，在電纜的護套回路產生低頻干擾，這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點接地。為了防止由多點接地所產生的低頻干擾，可將電纜穿入金屬管內或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層進行多點接地，金屬管內或雙屏蔽電纜的內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的信號或通訊回路以及系統的供電電源部分采用浪涌保護器SPD，用以限制瞬態過電壓和浪涌電流。一個SPD只能為回路的某部分提供保護，由于設備回路太多，不可能在每個設備回路中都使用SPD，而是必須有選擇地在重要回路和系統電源回路中安裝SPD或避雷器。
為了達到儀表系統、陰保系統以及閥室設備的防雷電效果，要對整個生產裝置根據等電位連接的原則加以設計，從控制室、陰保系統、現場儀表、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、自控等專業協同合作來實現，除了考慮系統安全性以外，還要考慮投資的成本與運行的經濟性。
2.6加強防雷電的管理
一是按規定設置防雷電、靜電裝置，并對其進行定期檢測檢修，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。
二是提高設備的本質安全程度，保證設備完好。要嚴把設備的采購、安裝、驗收關，確保設備本質安全。工藝設備要常維護保養、勤檢查，消除跑、冒、滴、漏；電氣設備要選用相應的安全等級和防爆等級，在運行檢修過程中嚴禁對其進行改裝、拆除或降低等級；漏電保護、短路保護、絕緣、屏護等要隨時完好有效；檢測報警裝置要定期定校驗。
參考文獻
[1]李家啟。建筑物燃氣供氣管道防雷技術研究［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，2000，19（9）：14-17.