防雷技術(shù)

某天然氣輸氣站場(chǎng)雷擊事故分析及整改措施


某天然氣輸氣站2005年7月2日發(fā)生雷擊，雷擊后值班室9路信號(hào)SPD均被損壞、電腦顯示器損壞、站場(chǎng)內(nèi)值班室后的生活區(qū)電視機(jī)被損壞。

為更有效地減少輸氣站場(chǎng)的雷擊事故，在對(duì)該站進(jìn)行防雷改造前，對(duì)發(fā)生的事故進(jìn)行詳盡的分析，找出存在的問(wèn)題，探討改進(jìn)方法，是十分必要的。但由于該輸氣站的雷擊發(fā)生已近一年，只能根據(jù)現(xiàn)有檢測(cè)數(shù)據(jù)和工作人員的描述進(jìn)行分析，并提出整改措施。

一． 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

該輸氣站位于四川省自貢市貢井區(qū)，背面臨山（旱地），面朝山坳（水田），通風(fēng)良好，屬于易落雷區(qū)；當(dāng)?shù)乩妆┤諡?3.8天/年，處于高雷區(qū)。站內(nèi)工藝區(qū)面積為21.0m×18.0m，另有值班、配電室等生產(chǎn)和生活用房一棟。工藝裝置室外露天安裝。站內(nèi)現(xiàn)有防雷設(shè)施如下：

1、 防直擊雷設(shè)施

l 站內(nèi)有避雷針2根，高度均為25.0m，兩針相距為33m，實(shí)測(cè)接地電阻分別為4.0Ω、4.7Ω；

l 值班室屋面避雷帶，已失修銹斷，實(shí)測(cè)接地電阻2.5Ω；值班室屋面上加裝的頂棚金屬支架未與建筑物的引下線或避雷帶連接。

2、 防雷電感應(yīng)設(shè)施

2.1供電部分

l 供電線纜埋地進(jìn)入配電室；采用TN-C制。配電室內(nèi)的總配電柜至值班室配電箱距離約為5m；

l 供電系統(tǒng)防護(hù)情況：配電室內(nèi)安裝有一組LAN-C（40KA）三相電源SPD，配電室內(nèi)墻上四個(gè)分配電箱各裝有ZGG560/20（20KA）單相或三相電源SPD，值班室UPS單相電源輸入端安裝一組OBO品牌型號(hào)為V20-C的（20KA）單相電源SPD。第一、二、三級(jí)SPD接地線為6 mm2銅芯線。

l 電源避雷器安裝存在較嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題：有一組三相電源SPD未接線、有一組三相電源SPD未接地線、還有電源SPD接線松動(dòng)等。

l 實(shí)測(cè)配電室接地電阻為8.0Ω。

2.2 信號(hào)部分

l 工藝裝置區(qū)至值班室的距離約為20m；值班室安裝有9路組合式信號(hào)SPD，接地線截面積為約4mm2，實(shí)測(cè)接地電阻為5.6Ω。工藝裝置區(qū)變送器未安裝相應(yīng)的信號(hào)SPD；

l 值班室視頻信號(hào)線、控制信號(hào)線未安裝相應(yīng)的信號(hào)SPD；

l 一路電話信號(hào)線未安裝相應(yīng)的信號(hào)SPD；

3、 接地系統(tǒng)

從各測(cè)試點(diǎn)接地電阻值偏離程度看，站內(nèi)似有工藝裝置區(qū)、值班室、配電室、避雷針等多個(gè)獨(dú)立地網(wǎng)，但其距離不能滿足獨(dú)立地網(wǎng)要求，因此存在地電位反擊的危險(xiǎn)；

4、 綜合布線

入室電話線及有線電視信號(hào)線架空布設(shè)，且將其固定在屋頂避雷帶上，增大了雷電侵入的概率和強(qiáng)度。

5、 屏蔽

站內(nèi)部分設(shè)備的屏蔽措施有一定缺陷，埋地進(jìn)入值班室的信號(hào)線存在屏蔽層未接地的情況。

6、 等電位連接

機(jī)房無(wú)等電位接地端子或等電位接地排，也未按規(guī)范作好等電位連接。

二、 隱患分析

從現(xiàn)場(chǎng)情況看，該站在防雷、防靜電方面存在的防雷隱患較多，歸納如下：

1. 防直擊雷

l 值班室屋面的避雷帶已斷，削弱了防直擊雷作用。

l 屋面新增金屬棚架是值班室的最高點(diǎn)，但沒(méi)有與避雷帶或引下線連接，不能有效地起到防直擊雷作用。

2．供電系統(tǒng)引入雷擊電磁脈沖

2.1 已裝的電源SPD存在較嚴(yán)重的安裝質(zhì)量問(wèn)題

由電源線引入的雷電流雖經(jīng)三級(jí)電源SPD保護(hù)，但由于安裝質(zhì)量問(wèn)題，仍可能發(fā)生雷擊事故。主要表現(xiàn)在：

l 普遍存在電源SPD的接地線偏小。第一、二、三級(jí)SPD接地線徑偏小，造成接地線感抗增加。雷擊時(shí)會(huì)導(dǎo)致電源SPD接地端與匯流排間電位差增大。

l 電源SPD安裝不符合規(guī)范要求。配電室墻上的配電箱內(nèi)已安裝電源SPD，表面上看接地線已連接到接地端子，但接地端子并沒(méi)有外引接地線到地網(wǎng)。還有的電源SPD的接線已松脫。

2.2 所選擇電源SPD技術(shù)參數(shù)問(wèn)題

該輸氣站供電系統(tǒng)現(xiàn)采用了三級(jí)電源SPD進(jìn)行防護(hù)：

現(xiàn)場(chǎng)勘察第一級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流為40KA，第二級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流為20KA，第三級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流為20KA。


根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2004）的第5.4.1第7條的規(guī)定，第一級(jí)SPD和第二級(jí)SPD的標(biāo)稱放電電流小于規(guī)范的要求。

2.3 多級(jí)電源SP D設(shè)計(jì)配合問(wèn)題

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2004），兩級(jí)SPD 間必須有一定的線距長(zhǎng)度，以保證雷電高電壓脈沖沿電源線路侵入時(shí)各級(jí)SPD 都能分級(jí)啟動(dòng)泄流，避免多級(jí)SPD間出現(xiàn)盲點(diǎn)。同時(shí)規(guī)定，末級(jí)電源 SPD的保護(hù)水平必須低于被保護(hù)設(shè)備對(duì)浪涌電壓的耐受能力。

現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)該輸氣站的第一級(jí)電源SPD與第二級(jí)電源SPD之間的距離無(wú)法滿足10m的線距要求，雷擊時(shí)可能出現(xiàn)某級(jí)SPD不動(dòng)作的情況。

2.4 電源SPD配合問(wèn)題

三種不同品牌電源SPD的響應(yīng)時(shí)間和殘壓等參數(shù)的相互配合存在不確定因素，有可能帶來(lái)防雷隱患。

2.5 直流電源系統(tǒng)引入的雷擊電磁脈沖

值班室控制機(jī)柜內(nèi)的SIMENS直流24V電源輸出端未安裝相應(yīng)的直流電源SPD，當(dāng)雷電流或雷擊電磁脈沖侵入低壓電源系統(tǒng)后，由于電源SPD必然還有殘壓，此殘壓經(jīng)直流電源處理后仍然會(huì)有一個(gè)脈沖傳入后級(jí)（視具體品牌而定），該脈沖傳入連接信號(hào)模塊的信號(hào)線路后，可以使信號(hào)模塊所接信號(hào)SPD動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)可能燒壞信號(hào)SPD，甚至損壞信號(hào)模塊。

3、信號(hào)線路引入雷擊電磁脈沖

工藝裝置區(qū)變送器的信號(hào)線路未加裝相應(yīng)信號(hào)SPD。

4、綜合布線帶來(lái)的隱患

現(xiàn)場(chǎng)的有線電視電纜和電話線未穿金屬管屏蔽，由高約7m長(zhǎng)距離架空引入，未安裝相應(yīng)信號(hào)SPD，且直接固定在避雷帶上，這種處置方式導(dǎo)致多條雷擊電磁脈沖和雷電感應(yīng)引入途徑，形成很大的防雷隱患。

5、接地系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地不能滿足獨(dú)立地網(wǎng)的條件，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況分析，站場(chǎng)內(nèi)未采取聯(lián)合地網(wǎng)。當(dāng)任何一部分發(fā)生雷擊經(jīng)其中一個(gè)地網(wǎng)散流時(shí)的地電位抬升，可能造成該地網(wǎng)與其它地網(wǎng)之間危險(xiǎn)的電位差，例如：當(dāng)雷擊頂棚或避雷帶并通過(guò)引下線泄流時(shí),由于接地電阻不等于零，在此就會(huì)產(chǎn)生地電位抬升，而其它地網(wǎng)仍然是零電位，如某信號(hào)模塊正好是與二者都有聯(lián)系，模塊上就會(huì)產(chǎn)生很高的電位差，信號(hào)SPD就會(huì)動(dòng)作甚至燒毀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞信號(hào)模塊。

6、 等電位連接

該輸氣站值班室內(nèi)無(wú)等電位接地環(huán)，且防靜電地板的金屬支架未與地網(wǎng)連接，未構(gòu)成等電位連接?？赡艽嬖诘碾[患：雷擊時(shí)，值班室內(nèi)各設(shè)備之間可能出現(xiàn)電位差，危及設(shè)備安全；

防靜電地板沒(méi)有接地，不能有效地起到防靜電作用。

7、屏蔽措施

當(dāng)工藝裝置區(qū)附近發(fā)生雷擊時(shí)，會(huì)在信號(hào)線路上感應(yīng)較強(qiáng)的雷擊電磁脈沖，由于存在有信號(hào)線屏蔽層在值班室機(jī)柜處未作接地處理，該脈沖可以沿信號(hào)線幾乎無(wú)衰減地傳入值班室設(shè)備。

三、事故分析結(jié)論

3.1 值班室信號(hào)SPD的損壞原因

當(dāng)雷電流小于10.1kA（當(dāng)hr=45）時(shí)，避雷針不能起到有效的吸引作用。閃電有可能直接擊中工藝區(qū)設(shè)備，雷電流可能經(jīng)變送器信號(hào)線耦合進(jìn)入設(shè)備，雷電流的強(qiáng)度超過(guò)SPD的承受能力，致使信號(hào)SPD損壞，信號(hào)模塊受到保護(hù)。

當(dāng)頂棚或避雷接閃時(shí),雷電流通過(guò)引下線泄放，就會(huì)產(chǎn)生地電位抬升，裝有信號(hào)SPD的信號(hào)模塊所處地網(wǎng)仍處于原電位狀態(tài)，形成地電位反擊，造成信號(hào)SPD啟動(dòng)甚至損壞。

當(dāng)工藝區(qū)附近發(fā)生雷擊時(shí)，由于存在有信號(hào)線屏蔽層在值班室機(jī)柜處未作接地處理，就有較強(qiáng)的雷擊電磁脈沖侵入信號(hào)線，雷擊電磁脈沖幾乎未受到衰減，引起SPD動(dòng)作，信號(hào)模塊受到保護(hù)，而SPD損壞。

3.2 電腦顯示器的損壞原因

如前所述（見(jiàn)本文第2.1~2.5），由于SPD的選型、安裝和配合等方面存在的問(wèn)題，當(dāng)雷擊電磁脈沖侵入電源系統(tǒng)，到達(dá)值班室設(shè)備時(shí)仍然有較高的的浪涌電壓，導(dǎo)致顯示器損壞。

3.3 電視機(jī)的損壞原因

現(xiàn)場(chǎng)的有線電視電纜和電話線未穿金屬管屏蔽、從高7m空中長(zhǎng)距離架空引入，未安裝相應(yīng)的信號(hào)SPD，且直接固定在避雷帶上，導(dǎo)致多條雷擊電磁脈沖和雷電感應(yīng)引入途徑：

1.當(dāng)雷擊電磁脈沖被引入架空線纜時(shí)，雷電流可以直接沿有線電視電纜傳入電視機(jī)，從電視機(jī)的信號(hào)端引入高的浪涌電壓，從而損壞電視機(jī)；


2. 當(dāng)頂棚或避雷帶接閃時(shí)，雷電流通過(guò)引下線泄放，有線電視電纜上可感應(yīng)很強(qiáng)的脈沖電壓進(jìn)入電視機(jī)，致使電視機(jī)損壞。

3.當(dāng)雷暴云從場(chǎng)站上方或附近經(jīng)過(guò)時(shí)，由于靜電感應(yīng)效應(yīng)，在架空有線電視電纜上感應(yīng)出大量異號(hào)電荷，當(dāng)雷暴云放電后，線纜上電荷會(huì)沿有線電視線纜引入電視機(jī)，致使電視機(jī)損壞。

四、對(duì)隱患部分進(jìn)行整改

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況我公司于2006年6月對(duì)該站進(jìn)行防雷整改。主要內(nèi)容有：

4.1、防防直擊雷

保留原由站內(nèi)兩根避雷針作為工藝裝置區(qū)的防直擊雷措施，拆除值班室原有失修的避雷帶，重新敷設(shè)值班室的避雷帶、引下線、斷接卡。

4.2、 防雷電感應(yīng)及雷擊電磁脈沖

4.2.1．電源系統(tǒng)

將原有TN-C制供電系統(tǒng)改為TN-C-S制，并作三級(jí)防護(hù)：安裝德國(guó)OBO電源SPD；

第一級(jí)防護(hù)：配電柜內(nèi)在進(jìn)線端安裝一組100kA的三 相電源SPD（配斷路器）；

第二級(jí)防護(hù)：值班室電箱電源的輸入端安裝一組40KA三相電源SPD（配斷路器）；

第三級(jí)防護(hù)：安裝在值班室UPS電源輸出端安裝一組20KA單相電源SPD（配斷路器）；

值班室控制柜內(nèi)安裝一組直流24VDC電源SPD。

4.2.2信號(hào)系統(tǒng)



在室外的工藝區(qū)的變送器上安裝型號(hào)為SRK-24BT的信號(hào)SPD。

在值班室內(nèi)電話信號(hào)線路輸入端安裝電話信號(hào)SPD的型號(hào)為RJ45-TeIe/4-F。

在值班室視頻信號(hào)線路及控制信號(hào)線路輸入端分別安裝視頻信號(hào)SPD型號(hào)為KoaxB-E2/MF-F，和控制信號(hào)SPD型號(hào)為FLD-24。



4.3、接地及防靜電接地

4.3.1改造全站的接地裝置

站內(nèi)接地采用共用接地網(wǎng)。分別將工藝裝置區(qū)內(nèi)設(shè)備、值班室、配電室、避雷針、風(fēng)向標(biāo)升高桿等地網(wǎng)連成共用地網(wǎng)。

4.3.2 防靜電接地

..對(duì)工藝裝置區(qū)內(nèi)各種工藝設(shè)備的防靜電接地，就近接入共用地網(wǎng)上；現(xiàn)場(chǎng)儀表的金屬外殼的接地端子與其支架相連。

…發(fā)蘭連接螺栓少于5個(gè)的用跨接線連接。

….現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器做接地處理。



4.4、等電位連接

在值班室的防靜電地板下，用30*3銅帶制作等電位接地環(huán)。防靜電地板金屬支撐架選擇多點(diǎn)與等電位接地環(huán)連接；值班室內(nèi)不帶電的設(shè)備金屬外殼用BVR-6銅芯絕緣線就近連接在等電位接地環(huán)上；值班室各種SPD接地線就近連接在等電位接地環(huán)上；在配電室設(shè)置等電位接地端子，用BVR-35銅芯絕緣線與共用地網(wǎng)連通；配電室的配電柜外殼用BVR-10銅芯絕緣線與等電位接地端子相連；配電室的電源SPD接地線與等電位接地端子相連。

4.5、 屏蔽

將埋地引入值班室控制機(jī)柜內(nèi)的信號(hào)線進(jìn)行屏蔽并接地。