【林峰专栏】浅谈天然气场站防雷保护的技术要点
雷电是自然界强大的脉冲放电现象，地球上平均每秒有100次，它已经成为当今十大自然灾害之一，给人类带来了巨大的危害。...
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雷电对燃气设施的危害雷电是自然界强大的脉冲放电现象，地球上平均每秒有100次，它已经成为当今十大自然灾害之一，给人类带来了巨大的危害。城镇燃气场站属于危险环境，它的安全性、可靠性级别要求很高，但是，近些年来场站遭受雷击的报道时有发生，不仅使燃气企业遭受巨大的经济损失，也为燃气的安全可靠运行埋下了隐患，下面通过几个案例说明做好城镇燃气场站防雷接地系统的重要性。
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1999年4月23日，xx市跳蹬河农贸市场商住楼由于天然气管道敷设在屋面成为接闪器，造成了雷击导致天然气调压箱爆炸燃烧，封锁通道，引起住户恐慌，72 家住户联名向xx市人民政府、市人大上告的社会事件发生。2
2002年，中国电信xx分公司李家沱宿舍楼因雷击导致调压箱附近静电感应发生火花，引起恐慌。3
2001年7月和8月，xx大学水电中心A区配气站2次遭雷击，击坏计量设备，直接经济损失3万元，间接经济损失10万元。4
2001年7月11日下午，xx市工体东路一号楼遭雷击，造成整座楼掉闸停电，击坏十余户电视机高频头，有几人看到了一火球从楼顶晃过，其中有一住户由于雷击使煤气表底冒出有一、二尺长的火苗，幸亏及时关阀停气，火才熄灭，由于及时发现，未造成更大的损失。5
2004年5月29日晚7时45分, 四川xx市纳溪区一居民楼下发生一起因天然气沿管道裂隙泄漏，遇雷击后点燃气体产生爆炸事故，造成5人死亡,1人重伤,34人轻伤。此次爆炸事故造成永宁路社区数千居民停水停电、河西片区上万居民停气。6
2005年6月26日晚，xx市昌平区某宾馆遭雷击，造成锅炉房燃气自控系统、泵房自控系统及安防监控红外探头多支损坏，直接经济损失约5万元。7
2007年4月1日，xx市大雨滂沱、雷电交加，位于肥东的xx天然气总站电路被雷电击中，造成生产瘫痪，无法生产压缩天然气。8
2008年7月，xx市某燃气公司门站遭受雷击，主控室的PLC控制系统、空混系统（液化气）、仪表控制盘、现场泄漏报警系统失灵；热值仪、压力变送器、仪表盘、报警器损坏，此次雷灾造成的直接经济损失约20万元。9
2012年8月，xx市燃气公司门站遭受雷击，设备撬装上压力变送器基本全部损坏，而该公司在前一年也是因为雷击损坏了压力变送器，没想到更换不到一年时间又一次遭受雷击，损失惨重。2
雷电对场站系统的侵害的途径雷电对场站系统侵害的途径主要有：静电感应（电容性耦合）、电磁感应（电感性耦合）、反击（电阻性耦合）和电磁场辐射（电磁耦合）等几种。
2.1
静电感应（电容性耦合）
当空间有带点的积雨云出现时，在积雨云下的地面、建筑物和金属导体表面由于静电感应的作用会感应出与雷云下端电荷异号的电荷。由于从积雨云出现到发生雷击所需要的时间比雷击放电过程的时间要长得多。因此大地可以有充分的时间积累大量电荷。当闪击与地面的异种电荷迅速中和后，某些局部，比如金属导线上感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短的时间消失，就会形成局部地区的感应到电压，其值可达几千几万伏。这样由静电感应形成的过电压就可能通过金属线缆和金属导体流经控制系统时带来了破坏作用。这种由静电感应形成的过电压同样也会在建筑物内部的金属构架与接地不良的金属器件之间造成火花，这对存放易燃易爆物质的场站就有引起爆炸的危险。
1989年8月12日山东xx市特大油罐起火，就是非金属油罐里面的钢筋未作屏蔽接地，外漏钢筋间隙放电所致（死19人，伤78人，烧了4天，损失几千万）。
2.2
电磁感性（电感性耦合）
雷云放电时，空间存在强大的电磁场，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线会感应出数以千伏的浪涌电压，如果金属线缆之间形成回路，该回路内又有一定的空气间隙（比如几厘米），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电将设备仪器击穿。
2.3
反击（电阻性耦合）
在建筑物或金属设备遭直击雷时，由于在建筑物引下线内或金属设备内流过很大的电流，电流在流入接地装置时，会使地电位相对于远端设备（仪表）浮动几万几十万伏，这时对近端设备和远端设备同时击坏，或击坏其中一个（取决于设备和导线（包括分布电感）的分压比）
2.4
电磁场辐射（电磁耦合）
远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输网上感性出过电压，这种干扰会传输到电子设备（比如SCADA系统远端的DTU）的断口处，但是直接辐射的电磁场往往会使电子设备失效，造成电子设备损坏的几率较小。
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场站防雷设计施工评估依据3.1
场站防雷保护的法律法规
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《中华人民共和国气象法》2
《气象灾害防御条例》（国务院570号令）3
《防雷减灾管理办法（修订）》(中国气象局24号令)3.2
场站防雷保护的执行标准
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GB/T21714.2—2008《雷电防护 第二部分：风险管理》2
QX/T85—2007《雷电灾害风险评估技术规范》3
QX/T 160-2012《爆炸和火灾危险环境雷电防护安全评价技术规范》4
GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》5
GB 50494—2009《城镇燃气技术规范》6
QX/T109—2009《城镇燃气防雷技术规范》7
GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》3.3
场站防雷保护的参照标准
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IEC 62305-2:2010 《雷电防护 第2部分：风险管理》2
GB/T17949.1—2000《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则 第1部分：常规测量》3
GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》4
GB/T21714.3—2008《雷电防护 第三部分：建筑物的物理损坏和生命危险》5
GB/T21714.4—2008《雷电防护 第四部分：建筑物内电气和电子系统》6
DB37/1228—2009《建筑物防雷装置施工与验收规范》等规范及标准。4
场站防雷保护的措施1
直击雷防护措施 场站设备区根据防护区域安装塔式避雷针，值班室建筑物采用热镀锌圆钢铺设避雷带，在外墙两侧用热镀锌圆钢做引下线接入地网。建筑物接地体同塔式避雷针进行等电位连接。2
配电线路防雷措施 电源交流电使用交流SPD予以保护；压力、温度、浓度变送器24V直流电使用直流SPD予以保护，场站内配电系统的电缆金属外皮或电缆金属保护管两端均应接地。3
信号线路防雷措施 按照规范的要求做好信号线的屏蔽，必要时进行双层屏蔽，安装信号线路的直流SPD予以保护及安装视频信号SPD予以保护。4
合理布线减少感应环路面积，抑制干扰的电感性耦合；
直流电源线和信号线分管敷设；
和引下线保持一定距离。
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等电位连接 受保护的场站系统必须采用等电位连接。等电位连接的几个要点是：控制系统的防雷接地与其他用途的接地公用一组接地装置时，其接地专职的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。
控制系统的接地装置应优先使用共用接地网，当共用接地网的接地电阻达不到要求时应增加人工接地体。
当设置人工接地体时，人工接地体宜在建筑物四周设置成环形连接体，并应和共用接地网连接。
当现场仪表的金属外壳通过金属安装支架或金属设备自然接地时，为防止雷击时造成地电位反击，宜实行等电位连接，如在20米范围内有建筑物或金属塔的防直击雷接地装置时，必须进行等电位连接。
金属塔如利用其塔体做防直击雷装置时，如该塔上或操作平台上有现场仪表时，未防止直击雷造成地电位反击，金属塔的引下线应和控制系统进行等电位连接。
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金属管道螺纹连接的弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03Ω时，连接处应用金属线跨接。7
做好防雷装置日常检查、维护、维修及定期检定。防雷装置直接暴露于大气之中或埋藏于地面以下，随着时间的推移，防雷器件必然遭受大气和土壤腐蚀，有时还要遭受雷击，防雷性能将会受到影响。因此，当防雷装置投入使用后，维护工作便提到议事日程。必须根据防雷器件的重要性和运行规律，将维护工作分为周期性维护和日常性维护两类。日常检查
检查明装引下线有无锈蚀及损坏；
每季度检查站内设施及管道防雷防静电接地线及法兰跨接线是否紧固；
每半年检查控制室内防浪涌保护器的接地电阻值。
定期检查
每半年检查防雷设施外观，连接是否紧固；
每半年进行一次法定防雷检测。
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场站防雷接地的技术要求场站防雷接地的技术要求较多，包括接地系统的结构、交流供电系统的接地、接地电阻、接地材料的选择、接地系统的连接方式等，本节重点介绍接地系统的结构和接地系统的连接方式，其他内容可参考接地系统的其他书籍。
5.1
接地系统的结构
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单独接地 这种接地方式是将控制系统的保护接入电器安全接地网，工作接地采用独立的、“干净的”接地装置与大地相接。由于在一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差。这对低电平信号电路来说，是一个非常严重的干扰，因此控制系统的工作地不要和保护接地在柜内混用。2
等电位连接 是以等电位观点为主体思想的多点连接，即设备和装置外漏可导电部分的电位基本相等的电气连接。和单独接地相比，等电位连接有如下的特点：
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如在爆炸危险场所，因电气设备故障或雷击会想成建筑物不同部位地电位差的存在，这时如意外地连接不同地点的设备会产生电火花引起爆炸或损坏设备，无法保障人身和控制系统的安全，如采用等电位连接，由于建筑物各处均为等电位，从而就可以减少或避免这种危险的发生。
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由于建筑物各处均为等电位，减少了进入公职系统电子线路的共扰模式。
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实施方便 。
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规范标准对等电位连接接地仅要求接地连接电阻，即接地通路的电阻总和不大于1欧姆；而对接地极对地电阻没有明确规定，，对控制系统一般规范标准不大于4欧姆，这两个数值是不难做到的。
等电位接地连接方式有两种：S型星形结构和M型网状结构两种。
5.2
接地系统及其连接
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接地系统的组成 接地系统的组成可分为接地联接和接地装置。接地联接包括：接地连线、接地汇流排、接地分干线、接地汇总板、接地干线。
接地装置包括：总结地板、接地总干线、接地极。
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接地原则仪表和控制系统的接地连结采用分类汇总，最终与总接地板连结的方式。交流电源的中线起始端应与接地极或总接地板联接。
当建筑物的金属结构、基础钢筋、管道、进线配电箱的PE母排、接闪器引下线形成等电位联接时，仪表、控制系统各类接地也应汇接到该总接线板，实现等电位联接，与电气装置合用接地装置与大地联接。
如未形成等电位联接，仪表、控制系统可以采用单独接地，即保护接地应连到电气的保护接地装置上，工作接地采用单独的接地体并与电气接地体须相距5米以上。单独接地时，仍采用分类汇总的连接方式。
在各类接地连接中，严禁接入开关或熔断器，地下部分要采用焊接连接。
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接地系统的连接方法A、现场仪表的接地连接方式
对于现场仪表的电缆槽、仪表电缆保护管以及36伏以上的仪表外壳的保护接地，是每隔30米用接地连接线与就近已接地的金属构件相连，并应保证其接地的可靠性及电气的连续性。要紧利用储存、输送燃气的金属设备管道以及与之相关的金属构件进行接地。
现场仪表的工作接地一般应在控制室侧接地。
对于现场仪表要求或必须在现场接地，同时又要求在控制室接地情况，应将两个接地点做电气隔离。
现场仪表接线箱两侧的电缆的屏蔽层应在箱内跨接。
B 控制室盘、柜、台的接地
在控制室内的盘、柜、台内应分类设置保护接地汇流排、信号及屏蔽接地汇流排和本安接地汇流排
在控制室内，可设置接地汇总箱。箱内设置工作接地汇总板和保护接地汇总板。
由于工控机在出厂时已将工作接地和保护接地连在一起，将外壳上的任一颗螺丝连在操作台内的保护接地汇流排上即可。
如果DCS系统的通信线路上无电气隔离装置（包括电气中继和光中继），远程设备的接地汇流排应汇总到系统的接地汇总箱。如果通信线路上设有电气隔离装置，远程设备的接地汇流排可汇总到就近的总接地板上。
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接地连接线的规格接地系统导线应采用多股绞合铜芯电线或电缆
接地系统的导线应根据连接设备的数量和长度按下列数值范围选用：
接地连线：1-2.5（平方毫米），适合设备到机柜的连接
接地分干线：4-16 （平方毫米），适合机柜到汇流排的连接
接地干线：10-25（平方毫米），适合汇流排到总汇流排的连接
接地总干线：16-50（平方毫米），适合总汇流排到地网的连接
接地汇流排、连接板规格应满足如下要求：
a接地汇流排宜采用25x6的铜条制作
b接地汇流总板和总接地板应采用铜板制作，铜板厚度不应小于6mm，长宽尺寸按需要确定。
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接地连接结构的要求所有接地连线在接到接地汇流排前均应良好绝缘，所有接地分干线在接到接地汇流板前均应良好绝缘，所有接地干线在接到接地板前均应良好绝缘。
接地汇流排（汇流条）、接地汇总板、总接地板应用绝缘支架固定。
接地系统的各种连接应保证良好的导电性能。接地连线、接地分干线、接地干线、接地总干线与接地汇流排、接地汇流板的连接应采用铜接线片和镀锌钢制螺栓，并采用防松和防滑脱件，以保证连接的牢固可靠，或采用焊接。接地总干线和接地极的连接部分应分别进行热镀锌或热镀锡。
接地系统应设置耐久性的标志。标示的颜色为交替的黄绿色。
关于DCS机柜的对地浮空
机柜对安装地面的浮空，是指机柜柜体和安装地面间是否绝缘，而不是机柜不接地。当机柜不浮空而且安装槽钢间不绝缘时，有可能因两个接地点的地电位不同，而在一端经接地汇流排-接地连接线-机笼-机柜到另一端安装槽钢之间形成环流，这对DCS会产生一定的干扰，干扰的大小和两端的电压差值大小有关，所以，在机柜和安装槽钢间进行绝缘处理是有利于系统抗干扰的。
如果将机柜和安装槽钢做等电位接地，将接地汇流排和槽钢相连，这样，一旦槽钢上出现高电压，可以不通过系统直接释放。此时，机柜和安装槽钢间可以不做浮空处理。
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