油氣田集輸自控系統的防雷設計

孫文華

（中國石油化工股份有限公司 中原油田分公司，河南 濮陽457001）

某油氣田所處地區屬亞熱帶濕潤氣候，平均雷暴日為37.1d／a，屬多雷區。雨季主要集中在5～9月份，進入雷暴高發期，雷擊事故頻發。由于受地形、地貌影響，發生強對流天氣時，局部可產生球形雷，極有可能對集氣站場的裝置及電力、電子信息控制系統造成極大的危害。某油氣田地表主要由黏土、泥巖、砂巖、碎石土等松散結構組成，土壤電阻率較高，多在100～300Ω·m。

開發初期，建筑防雷大多通過安裝接閃桿、避雷網進行防護，雷擊事件時有發生。針對這一問題，地面集輸工程按照“劃分區域、劃分類別、等級防護”的防雷理念，采用了防雷、防靜電和電磁脈沖聯合接地的模式，利用降阻劑和非金屬材料為主的ZGD型系列低電阻接地模塊，增大了接地體本身的散流面積，減少了接地體與土壤間的接觸電阻，對電力系統采用三級保護方式，起到了多重保護、層層設防的效果。

1 某油氣田防雷必要性

該氣田地面集輸工程具有“超深、高含H2S、高壓力、高產量”等特點。雷擊事故可能導致井噴、H2S泄漏、火災爆炸、環境災害、自然災害等次生災害事故。2012年7月8日，中石化股份有限公司位于四川閬中市的石龍6井因雷擊，造成井口抽油桿防噴盒密封失效，引發井噴著火事故。因地面集輸工程采用SCADA系統、DCS和RTU遠程終端控制系統，其微電子器件應用可靠性要求較高，故雷擊事件極易引發自動控制系統緊急關斷。這就要求微電子器件在防直擊雷、閃電感應的基礎上，必須加強雷電電磁脈沖（LEMP）防護。

2 雷電的危害

雷電的危害主要來自直擊雷、雷擊電磁脈沖及閃電電涌侵入。

1）直擊雷的危害。直擊雷產生的強大電流、灼熱高溫和劇烈的沖擊性機械力，可以導致被擊物體結構性破壞、損毀、燃燒、熔化、爆炸和人員傷亡等事故。

2）雷擊電磁脈沖危害。雷擊電磁脈沖屬于雷電的間接破壞，雖沒有直擊雷猛烈，但其發生的幾率比直擊雷高。雷擊電磁脈沖不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間閃擊，都可能發生并造成災害。特別由雷電的靜電感應與電磁感應所產生的暫態過電壓比雷電的直接破壞具有更大的危害范圍。一次雷擊可以在較大范圍內，在多個局部同時產生感應過電壓，并通過電力線、通信線等設施傳輸，損壞建筑物內的信息系統和電氣設備，甚至造成人員傷亡。另外其產生的火花如遇到易燃易爆物品，可能引發火災和爆炸事故。

3）閃電電涌侵入。由于雷電對架空線路或金屬管道的作用，沿這些管線侵入建筑物內，危及人身安全或損壞設備。

3 防雷主要技術措施

地面集輸工程主要由集氣站、閥室、沖河（溝）跨越和隧道等組成，點多面廣，具有高度分散和相對集中的特點。

3.1 地面集輸工程防雷原理

某油氣田地面集輸工程防雷設計，具有全面、系統、多級防護的特點，采取了外部防雷、內部防雷、過電壓保護等方式，對裝置（單元）界區內接地實施工作接地、保護接地、防雷接地和防靜電接地聯合接地共網。

1）集氣站控制室通過與建筑物的主鋼筋連接，上端與接閃器、下端與地網、中間與各層均壓網或均壓環連接，對進入控制室的各種金屬導體實施等電位聯結，對具有特殊要求的各種不同地線進行等電位處理，形成一個“法拉第籠式”接地系統，能有效消除地電位反擊效應。

2）通信電纜線槽及地線線槽需用金屬屏蔽線槽，做等電位聯結，其布放應盡量遠離建筑物立柱或橫梁。通信電纜線槽以及線槽的設計應盡可能避免與建筑物立柱或橫梁交叉布放。

3）電涌保護器是用以防護電子設備遭受雷電閃擊及其他干擾造成的傳導電涌過電壓的有效手段。進出建筑物的電源線和通信線在不同的防雷區交界處及終端設備的前端，應根據 GB／T 19271.1—2003《雷電電磁脈沖的防護第1部分：通則》，安裝上不同類別的電涌保護器。

3.2 集氣站防雷技術措施

集氣站根據現場實際構成可分為四大區域八大撬塊，主要由工藝裝置區（包括火炬）和控制室兩部分組成，其中工藝裝置區防雷參照GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》執行，建構筑物防雷根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》的規定，按一類防雷建筑物進行設計。集氣站裝置區和控制室防雷接地如圖1所示。

圖1 綜合防雷系統

3.2.1 工藝裝置區防雷

集氣站工藝裝置所有金屬管道、支架、容器均作了防雷、防靜電接地，包括加熱爐、燃料氣發電機、井口控制柜、甲醇撬塊、緩蝕劑撬塊、分離器等，共用1個接地系統（環形閉合）。埋地金屬管道在管線兩端作防靜電和防感應雷接地，在電動閥每2個接地點之間（間距不大于30m）設置防雷、防靜電接地裝置，在架空和地上管溝敷設的管線及其相關設備始端、末端、分支處及直線段（每隔200m），設防靜電和防感應雷的接地裝置，接地電阻阻值均不大于10Ω。

在裝置區的傳感器、H2S檢測儀、火焰探測儀、可燃氣體檢測儀、手動火災報警裝置等自動儀表控制系統上，安裝了與設備耐壓水平相適應的過電壓電涌保護。電涌保護器接地端采用截面積不小于1.5mm2的銅芯導線與設備機房內的局部等電位端子板連接，且接地線保持平直。

3.2.2 控制室防雷

控制室內部由電力系統和儀表自控系統組成，防雷設計應從防直擊雷、感應雷和過電壓保護等三個部分考慮。為防直擊雷，控制室設接閃帶沿屋頂四周設置 （圓鋼，直徑不小于8mm），接閃帶支架高宜為0.1m，直線間距為1m，拐角間距0.5m。沿控制室四角設防雷引下線，每根引下線的沖擊接地電阻不大于10Ω，利用10mm×5mm的熱鍍鋅扁鋼沿房屋四面及頂組成0.5mm×0.5mm金屬網格作屏蔽，頂部與接閃帶可靠連接，底部與中控室靜電地板下高頻接地網相連，將進出建筑物的各種金屬管道及電纜橋架和戶外防雷接地裝置可靠連接。

3.2.3 放空火炬防雷

各集氣站的放空火炬與集氣站的工藝裝置區保持符合規定的安全距離，采用火炬本體作引下線的方式可靠接地。接地扁鐵與火炬采用焊接連接，接地電阻阻值小于10Ω。

3.2.4 電力系統防雷

電力系統采用相互獨立的系統引入，供電系統采用TN－S。電源線路采用三級保護的方式防雷。

1）電源線路一級防護采用電源接閃器，安裝在高壓進線的前端，使用10／350μs波形、通流容量100kA／線的B級電源電涌保護器，將感應雷擊過電壓限制到2 000V以下。所有接線采用截面積為16mm2多股銅線連接，地線采用截面積為25mm2多股銅線連接。

2）電源線路二級防護采用8／20μs波形、通流容量40kA／線的電源電涌保護器，將4kV的線路殘余感應雷擊過電壓限制到2kV以下。電涌保護器安裝在低壓配電裝置上，連接相線端采用截面積為10mm2銅導線，電涌保護器接地端連接線采用截面積為16mm2銅導線。

3）電源線路三級防護采用8／20μs波形、通流容量20kA／線的電源電涌保護器，將感應雷擊過電壓限制到1 500V以下。電涌保護器安裝在負荷側配電箱進線端開關處，連接相線端采用截面積為6mm2銅導線，電涌保護器接地端連接線采用截面積為10mm2銅導線。

3.2.5 通信、計算機和監控系統防雷

地面集輸工程采用了先進的SCADA系統、DCS和RTU遠程控制系統。為了有效地確保通信網絡的安全運行，必須全面強化雷擊防護設計。

根據局域網數據信號線路的工作電壓、接口連接形式特性阻抗、信號傳輸速率或工作頻率及傳輸介質等參數，選用了插入損耗低、閥值電壓不超過線路峰值工作電壓2.0倍的電涌保護器。其接地端采用截面積為2.5mm2的多股絕緣導線單點連接至PE匯集線上，從匯集線再用截面積為4mm2的絕緣導線連接至機房保護接地網。控制室計算機系統的交流工作地、直流工作地、安全保護地和電涌保護器接地采用四位一體接地設計，其接地電阻阻值小于1Ω。

根據DCS模塊的工作電壓、工作電流、頻率，對進入控制室的信號數據線所連接的工藝設備加裝信號電涌保護器。根據DCS網絡標稱電壓24V、浪涌電流1.5kA、設備耐壓40V的要求，選用由放電管、雪崩二極管、電阻及電感組成的兩級保護。放電管主要用于旁路泄放暫態大電流；雪崩二極管主要用于箝位限壓。

根據集氣站視頻監視系統的視頻信號線路、解碼器控制信號線路和攝像頭供電線路的性能參數，從前端、線路部分、終端三大塊進行防雷設計，其防雷過電壓保護應選擇插入損耗小、回波損耗大的電涌保護器。

3.3 閥室防雷

集輸工程管道跨越區域廣，共有閥室47座，主要由儀表室和截斷室兩部分組成。防爆區域劃分為防爆和非防爆區域。

閥室的防雷防護對象主要是直擊雷和感應雷。接閃帶沿屋頂四周（圓鋼，直徑不小于8mm）布設，引下線沿控制室四周均勻設置，接地體采用獨立閉合接閃網。儀表間的進線柜和閥組間固定式H2S檢測儀、可燃氣體檢測儀均安裝有電涌保護器。

3.4 跨越防雷

跨越屬于集輸管道的一部分，因地勢較低，管線壁厚大于4mm，不需專門設置接閃桿，僅需在架空管線（跨越處）始末端設置防雷、防靜電共用接地網。接地網采用ZGD型系列低電阻接地模塊降低接地電阻阻值，通過扁鐵焊接和斷接卡連接，接地電阻阻值不大于10Ω。

3.5 集輸系統防雷接地網

集輸系統采用接地閉合環網的方式，通過降阻劑和ZGD型系列低電阻接地模塊（如圖2所示），起到良好接地效果。接地線埋深距地面700mm，接地線間、接地線、接地極間采用焊接連接，地下部分接地線與接地極、接地線之間采用焊接方式并涂防腐材料，地上部分采用壓接方式。接地干線及支線采用加強防腐鍍鋅扁鋼（50mm×5mm）。

圖2 ZGD型系列低電阻接地模塊示意

3.5.1 集氣站接地網

集氣站共設4個接地閉合環網：控制室設置2個、工藝裝置區設置1個、火炬設置1個，并通過接地模塊（模塊間距大于5m）減小接地電阻。信號接地網將信號回路接地端及屏蔽接地端連接，其接地電阻阻值不大于1Ω（GB／T 50311—2000《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范》）。電力避雷接地網接地電阻阻值不大于10Ω，與信號接地網間距3m以上。

3.5.2 閥室接地網

閥室采用閉合接地網，通過ZGD型系列低電阻接地模塊（模塊間距大于5m）減小接地電阻。

3.5.3 跨越接地網

跨越采用接地線，在跨越的兩端聯合接地并安裝接地模塊。

4 結束語

1）某油氣田所在區域屬高土壤電阻率地區，以采用降阻劑和非金屬材料為主的ZGD型系列低電阻接地模塊，增大了接地體本身的散流面積，減少了接地體與土壤間的接觸電阻，增強了吸濕保濕能力，減小了接地電阻。

2）地面集輸工程自投用以來，未發生一次雷電事故，防雷防護效果得到了充分驗證。

3）采用防雷、防靜電、電氣設備和電磁脈沖聯合接地模式，有效地提高了防雷安全系數。

4）注意防雷裝置的日常維護。對接閃桿、接閃帶、支架、接地引下線、接地裝置等部件進行防銹和除銹處理，并定期檢查電涌保護器的使用情況，做好每年雷雨季之前防雷、防靜電設施的技術檢測。

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［3］中國石油化工集團公司.GB 50650—2011石油化工裝置防雷設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

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