油氣管道站場防感應雷擊的設計

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體上感應出一定的感應電壓，主要通過電流形式，由電源進線側(cè)、儀表、通信設備或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進入電子設備內(nèi)部，感應電流對附近金屬物產(chǎn)生的電磁感應，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，雷電感應主要表現(xiàn)為電磁感應和電場感應，其中，電場感應表現(xiàn)為靜電感應。

油氣管道站場弱電設備防感應雷擊系統(tǒng)， 是在直擊雷有效防護的基礎上進行設計，采用屏蔽、均壓和接地等措施，并主要從電磁感應和靜電感應方面進行防護。

中緬油氣管道(貴州段)站場所處地區(qū)屬于強雷區(qū)，雷電事故經(jīng)常導致配電設備和用戶設備的損壞，給生產(chǎn)生活帶來嚴重影響。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分布見表1所列。由表1可知，在電氣設施、穿線管接地處易發(fā)生雷擊，屬于設備維護維修的隱患。

表1 油氣管道雷電事故隱患點分布 個

1 弱電設備防感應雷擊措施

1.1 電磁感應防護

1.1.1成因分析

當雷擊入侵建筑物或入戶線路時，首先通過接閃帶等措施進行直擊雷的防護，本文主要研究分析油氣管道站場感應雷擊，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，當該電磁脈沖通過接地裝置與空間敷設電磁場感應相耦合時，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重影響到儀表、通信設備的正常運行。

1.1.2防電磁感應措施

將需要保護和控制雷擊電磁環(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度，以明確各不同空間內(nèi)被保護設備相應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，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器安裝應符合IEG 61643-1所規(guī)定的一級分類的試驗產(chǎn)品，防止電磁脈沖對進入保護區(qū)前的配電設施處產(chǎn)生影響。在配電線路分配電箱、需要保護的設備，即儀表、通信設備等后續(xù)防護區(qū)交界處，設置Ⅱ類試驗的電涌保護器作為第2級保護。油氣管道站場防電磁感應原理如圖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(即雷電磁場強度遠大于LPZ1區(qū)域)防導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。

該站場的弱電設備布置在綜合設備間內(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)域為LPZ1區(qū)域，圖1所示中需要保護的設備，采取一級、二級防護措施，通過加設電涌保護器，可以有效地降低電涌電壓、電流值，達到了防電磁感應的目的。

圖1 油氣管道站場防電磁感應原理示意

1.2 靜電感應防護

1.2.1成因分析

當發(fā)生雷擊時，室內(nèi)布置儀表、通信設備的綜合設備間屋面在進行接閃時，電氣線路上會產(chǎn)生極高的瞬態(tài)感應電壓，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)樽杂呻姾桑蚓€路兩端活動，形成感應過電壓，侵害設備[2]。

1.2.2防靜電感應措施

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

通過屏蔽本區(qū)域內(nèi)的感應過電壓和過電流，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產(chǎn)生的過電壓，還需要在電力電纜與弱電設備信號線纜之間采取適當?shù)钠帘未胧x擇相應的敷設間距。儀表、通信等弱電設備的線纜或光纜與其他管線間距要求見表2所列，電力電纜敷設時，應大于最小間距，以達到屏蔽的作用。

為了防止靜電感應產(chǎn)生的過電壓，綜合設備間內(nèi)的電氣及弱電設備的金屬外殼、機柜、金屬管、匯線槽、屏蔽線纜金屬外層、電涌保護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，也不會對儀表、通信設備的電子原件產(chǎn)生影響。為了降低感應雷擊的靜電危害，該油氣管道站場綜合設備間內(nèi)等電位連接的網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)采用M型如圖2所示，保護的設備通過等電位連接導體與等電位連接網(wǎng)絡的連接點進行連接，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)連接設備金屬外殼，正常狀態(tài)無電流，安全可靠，抗干擾性強。在具有較多儀表、通信等弱電設備的綜合設備間內(nèi)，電氣系統(tǒng)、自控、通信的保護接地及工作接地，防雷防靜電接地共用同一接地裝置，進而滿足統(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)所有的機柜及其他設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、通信機柜被高電位反擊而受到雷電侵害。油氣管道站場設備間等電位連接如圖3 所示，各設備間連線的金屬套管因為在防靜電地板下，采用穿PVC管的方式進行保護。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，免受電磁感應和靜電感應所帶來的侵害。

圖3 油氣管道站場設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行，提高防感應雷擊能力。為了有效提升弱電設備的防感應雷能力，在直擊雷有效防護的基礎上，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)部受感應雷的侵害，保護了儀表、通信設備，確保了油氣管道站場安全、可靠運行。