廣西羅城縣加油站信息系統雷擊事故探討

韋世東,韋佩瓊,覃永烈

(1.廣西羅城仫佬族自治縣氣象局,廣西羅城546400;2.廣西宜州市氣象局,廣西宜州546300)

1 引言

雷電災害是聯合國“國際減災十年”公布的最嚴重的10種自然災害之一,每年給全球造成的人員傷亡、財產損失不計其數,導致的火災、爆炸、信息系統癱瘓的事故頻繁發生,但由于雷擊發生的時間和地點以及雷擊強度具有隨機性,要對雷擊進行有效的防護難度是非常大的,達到完全阻止和避免雷擊事故的發生是不可能的,所以雷電防護工程只能最大限度地減少雷擊造成的災害及損失。

隨著我國社會經濟的高度發展[1],高速公路的建設以每年7%～8%的速度持續增長[2]。高速公路四通八達服務地方經濟社會發展的能力大大增強,高速公路邊的加油站也隨之增多,由于加油站一般設在城區開闊地帶或郊區、山區、鄉村、高速公路等道路邊的開闊地帶,雷害風險的“暴露程度”很高,比較容易遭受雷擊,近年來雷電造成的災害也呈逐年上升的趨勢[3]。由于加油站的防雷為被動防雷,而雷擊具有極大的偶然性,未做任何防雷的加油站可能數十年未遭雷擊,這使得加油站的防雷沒有得到相當的重視。在我國雷電災害已成為當前危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第3大氣象災害,因此加強雷電防護已成為我國現代化建設過程中一項十分必要和緊迫的任務。

2 羅城縣雷災狀況分析

據羅城石油公司永安加油站工作人員反映,2007年7月15日12時左右,城區突發強雷暴天氣,當時周圍雷聲特別大,加油站信息系統遭受雷擊。經過現場勘察發現,辦公室機房內的 Modem、通訊控制器、稅控加油站總臺和兩臺加油機內部的電子元件被雷電流擊穿損壞;2008年6月10日23時左右,晚上一聽到雷聲,工作人員立刻拉下電源總開關閘刀,馬上停止營業,為了安全起見,加油站內所有工作人員躲到了辦公室內,在雷聲最大的一剎那,工作人員聽到通訊控制器和稅控加油站總臺有“喀咔”幾聲。次日經現場勘察發現,又是辦公室內的M odem、通訊控制器、稅控加油站總臺、電話機和1臺加油機分別被雷擊損壞;2011年5月1日晚8時50分左右,雷聲最強的時候,突然看到一道白光在加油區內,之后就不能加油了,經檢查發現通訊控制器、稅控加油站總臺、電話機、計算機、打印機、電腦鼠標、集成器、加油機編碼器、短控設備和3臺加油機損壞。

羅城永安加油站位于市區的東北部,屬于郊區地帶,東面距離較遠的多為2～3層的民用建筑和西南部為羅城縣職業高中,加油站為1層樓,面積不大,加油區建筑物長9m、寬7m、高6.5m,辦公區建筑物長15m、寬5m、高4.5m,建筑物為鋼筋混凝土框架結構;加油站防雷接地體為人工接地體,地網埋深80cm,水平接地體采用40mm×4mm熱鍍扁鋼,垂直接地體采用∠50mm×50mm×5mm熱鍍角鋼,每支長2m,每隔4m打一支,防雷接地電阻3.5Ω。辦公室內有服務器、電話機、UPS電源、計算機,高速打印機、M odem、通訊控制器、稅控加油站總臺等電子設備,加油區內安裝有3臺加油機。供電系統為380V,總配電房單獨設在辦公室的東邊,并配備了專門的配電柜,由于加油站改建多次,破壞了安全保護地,改建時機房增設了設備接地,配電柜未作重復接地。加油站的電源線和信號線均為架空進入室內,2007年7月遭受雷擊后,該加油站增設了2組SPD,但是進入機房的電話線還是沒有安裝信號避雷器,同時也沒有采取屏蔽措施。

3 羅城縣雷擊事故原因分析

3.1 線路敷設不規范

3.1.1 電源線路

加油站在改建時沒有在配電房作重復接地,違反了信息系統防雷規范中應采用TN-S系統的接地方式的規定,機房內線路的安裝敷設方式比較亂,進入配電柜的電源線、信號線混亂絞在一起。雖然遭受第1次雷擊后電源線上按規定安裝了2組避雷器,但是電源線過了2級SPD后,也沒有按規定穿金屬管埋地敷設到加油區,只是穿PVC管沿外墻敷設進入,在布置時沒注意避開屋頂防直擊雷的引下線,而是直接貼過防雷引下線敷設進入辦公室,進入到加油區。有雷擊時,引下線會將雷電流泄放入地前,因感應產生的過電壓會通過線路進入到加油站的信息系統,造成電子設備損壞。輸入辦公室的電源線架空,未按規定套金屬管進入配電箱,這是嚴重隱患,假如附近有雷電閃擊時,架空電源線會因此感應產生的雷電過電壓會有一部分電流通過電源線路入侵加油站信息系統,同樣會導致電子設備和信息系統損壞,幸運的是本次雷擊沒有雷電流從電源線進入加油站。

3.1.2 信號線路

加油站電話線為架空引入,在加油站一端的電話線是綁在避雷帶上。架空電話線也會因雷電感應產生的過電壓入侵加油站信息系統,導致通信設備損壞。根據3次雷擊的事故進行分析,雷電流是通過電話線進入到M odem后,再進到通訊控制器——稅控加油站總臺——加油機電腦主板——入地,這是3次遭受雷擊的主要原因。使得加油站的Modem、通訊控制器、稅控加油站總臺、電話機和兩臺加油機被雷擊損壞。

3.2 SPD安裝和選擇不規范

3.2.1 電源線路

由于加油站的防雷為被動防雷,而雷擊具有極大的偶然性,未做任何防雷措施的加油站可能數10年未遭雷擊,這使得加油站的防雷沒有得到相當的重視,所以加油站的供電系統在第一次遭受雷擊后才在入配電房和辦公室前安裝了2組的三相限壓型SPD,因電源進線為架空敷設[4],該處實際上是LPZ0B與LPZ1交界,按規范應該安裝開關型SPD或通流量大于80kA(8/20μs)的限壓型SPD,并在進入辦公室安裝第二級SPD,該處實際上是LPZ1與LPZ2交界,以防范雷電波入侵。經現場勘察,配電箱SPD安裝規范,第一級為限壓型,通流量為40kA;第二級為限壓型,通流量為20kA,目前工作狀態正常,據加油站各參數開展分析,安裝的2組SPD通流量太小,不足于防范架空線路所產生的雷電感應過電壓、過電流,還可能會造成自身損壞。

3.2.2 信號線路

信號線進入前沒有嚴格按照規定穿金屬管埋地進入,信號線路也未按規定安裝信號SPD,應在信號線路入口處安裝參數與通信線路相匹配的信號SPD。

3.3 等電位連接不規范

由于加油站的中心機房內沒有設置等電位連接網絡,一些設備接地串聯連接,一些設備干脆不接地,一旦本建筑遭受雷擊,易產生地電位反擊,造成一連串的電子設備損壞。金屬門窗沒采取等電位連接,據加油站工作人員還反映,每次附近有雷擊時,防盜網上經常看到火花。機房內通訊控制器和稅控加油站總臺的機殼沒按規定進行接地處理,據現場勘查還發現,因設備外殼沒有安全接地措施,對地感應電壓高達78V,一旦有雷電流入,這些設備必然遭受雷擊,同時也可能威脅到工作人員的人身安全。由于加油站辦公室內的通訊控制器、稅控加油站總臺、UPS、電腦等設備的接地都是通過加油機電腦主板才入地,遭受3次雷擊時,都是雷電流是通過電話線進入到Modem,造成加油站的Modem、通訊控制器、稅控加油站總臺、電話機和兩臺加油機等一連竄的電子設備被雷擊損壞,這就是3次遭受雷擊的主要原因。

4 防雷整改分析

4.1 線路整改

4.1.1 電源線路

加油站應采用TN-S系統的接地方式是我國目前最理想的方式[5]。加油站是易燃易爆場所,在LPZ0A與LPZ0B交界,有條件有能力的最好做好線路的屏蔽措施,避免線路架空產生雷電干擾,在機房內主配電柜應作重復接地,嚴格按照規定采取等電位連接措施,將電源防護措施的接地與防雷接地共用接地裝置,目的是提高加油站總體的供電質量,從而達到消除地電位反擊隱患。

目前羅城永安加油站的供電系統采用TN-C系統,是不科學的,規范也是嚴格禁止的,應該立即整改[6];應把加油站的供電TN-C系統改為TNS系統。TN-S系統的N線重復接地后,產生了PE線。

架空的電源線,經過機房后沿外墻敷設給加油區進行供電,這部分電源線路應該改在樓內布置,如難以做到,要將外露電源線穿金屬管,并將金屬管可靠接地,才引入到加油區,防止出現2次雷擊造成電子設備的損壞。

4.1.2 信號線路

加油站信號線為架空引入,是和電源線路平行敷設,在加油站一端的信號線還綁在避雷帶上,然后才拉下引入到機房內,這是不允許的。加油站附近雷電活動比較頻繁,架空信號線會感應產生的過電壓存在安全隱患。如今是電子時代,以半導體等弱電元件為主的電子設備巳應用到社會各個領域。由于弱電元件抗過電壓能力特差,近年來感應雷災害大量發生,造成損失越來越大,必須引起足夠重視。應將外露信號線穿金屬管再引入,并將金屬管可靠接地。

4.2 SPD選擇和安裝

4.2.1 電源線路

根據雷電風險評估[7],機房電源應當至少采用兩級保護,一般采用三級保護,如果可能采用四級。本加油站有條件的應安裝SPD應按三級來保護,在總開關處安裝三相電壓開關型SPD(選擇8/20μs,的80kA),作為一級防護;在機房配電箱輸入端,安裝限壓型SPD(選擇 8/20μs,60kA),作為二級防護;在機房設備前安裝限壓型SPD(選擇8/20μs,20kA),作為三級防護。如有困難最少應考慮前二級防護措施。電源線路浪涌保護器在各個位置安裝時,浪涌保護器的連接導線應短直,其總長度不宜大于0.5m。有效保護水平UP/f(連接導線的感應電壓降ΔU與SPD的UP之和)應小于或等于設備耐沖擊電壓額定值Uw。當電壓開關型浪涌保護器至限壓型浪涌保護器之間的線路長度小于10m、限壓型浪涌保護器之間的線路長度小于5m時,在兩級浪涌保護器之間應加裝退耦裝置。當浪涌保護器具有能量自動配合功能時,浪涌保護器之間的線路長度不受限制。浪涌保護器應有過電流保護裝置和劣化顯示功能。

4.2.2 信號線路

在信號線的入口處[8],加油站服務主系統前,增裝一組SPD。如果信號線路改用光纜引入,信號線路就不需安裝信號SPD。信號線路入口處安裝的信號SPD參數應與通信線路相匹配,同時將光纜的屏蔽層接地。

4.3 等電位連接處理

等電位連接,將所有的金屬外殼、機柜、機架、金屬屏蔽層、SPD接地、直流工作地、安全保護地等共用接地裝置[9],從物理學講,就是把各種金屬物用粗的導線焊接起來,或把它們直接焊接起來,以保證等點位。加油站的中心機房應增設等電位連接網[10],電氣和電子信息設備的金屬外殼和機柜、機架、金屬屏蔽線纜外層、直流工作地、安全保護地及各種SPD接地端,均應以最短的距離與等電位連接網絡直接連接。羅城永安加油站的機房面積并不大,在機房內應增設這樣的等電位連接網[11],各設備采用S型結構與等電位連接網直接連接。金屬門窗應采用10mm2的銅芯線作等電位連接,機房內通訊控制器和稅控加油站總臺等所有的金屬機殼也按規定采用6mm2的銅芯線作接地處理,保證與等電位接地網可靠連接。加油站內的電氣設備除外殼及管線應做好接地外,其工作接地、保護接地和系統接地應與防雷接地共用接地裝置。以保證雷擊發生時,電氣設備各工作點電位相同,從而減少過電壓對設備的損害。

5 結語

一個加油站在雷雨季節連續3次遭受雷擊的嚴重事故,有一定的偶然性,但也有一定的必然性,即加油站信息系統存在嚴重的安全隱患。由于改擴建工程普遍存在建設單位不夠重視,施工單位技術服務差,有關部門監督管理也不到位等原因,布線不規范、等電位連接、SPD的選型及安裝不當已成為改(擴)建加油站中雷電防護的通病。通過對永安加油站遭受3次雷擊事故這一典型例子加以分析,也足以證明防雷工程是一個系統工程,在進行防雷工程設計與施工中不能簡單的停留在建(構)筑的屋頂安裝避雷帶、避雷針的防直擊雷、室內做設備接地防感應、電源和信號安裝SPD防雷電波侵入上,應全方面考慮防雷的分類、設計時保護對象的要求、保護范圍、分流作用。同時采取直擊雷防護技術、等電位連接技術、屏蔽技術、綜合布線技術、共用接地技術及安裝適配的SPD等六項防雷技術措施的綜合防雷,才能建立全面完整的防雷系統,才能有效地防范雷電災害,確保各類加油站信息系統安全運行,從而提高整體的雷電防護能力。

[1]田司琪.中國調整公路發展[EB/OL].[2010-10-12].http：//www.china-highw ay.com/bencandy.php?&fid=79&id=290&NeedCheck=1.

[2]連 波.廣西高速公路超常規發展[EB/OL].[2010-10-13].h ttp：//gx.people.com.cn/GB/179468/12929307.htm l.

[3]張海威.加油站防雷[EB/OL].[2010-10-12].http：//www.dh.gov.cn/bofcom/433480333241876480/20090210/220289.h tm l.

[4]中華人民共和國機械工業部.建筑物防雷設計規范[S].北京：中華人民共和國機械工業部,2000.

[5]李建明.城市配電網基本現狀及其防雷措施探討[J].湖北電力,2003,27(5)：20.

[6]劉壽先.建筑物信息系統綜合防雷技術[J].廣西電力,2006(4)：43～57.

[7]李良福,楊俐敏.計算機網絡防雷技術[M].北京：氣象出版社,1999.

[8]洪 展,李健榮.雷電對石油氣站的危害及預防措施[D].南京：南京信息工程大學,2008.

[9]施廣全.信息系統雷電防護講義[M].南京：南京信息工程大學電子工程系雷電防護教研室,2003.

[10]李祥超,趙學余.防雷工程設計與實踐[D].南京：南京信息工程大學,2008.

[11]梅衛群,江燕如.建筑防雷工程與設計[M].北京：氣象出版社,2004.