天然气厂站电子设备防雷存在问题及改进措施

作者:张姝丽 来源:深圳市燃气集团股份有限公司技术管理部 点击:  评论: 更新日期:2016年09月09日
摘 要:在有传统避雷针或者建筑物接地良好的情况下,天然气厂站电子设备雷击事故仍时有发生。分析雷电对天然气厂站内电子设备损害的后果、途径、类型、原因,以深圳市某LNG气化站防雷工程为例,分析防雷隐患,提出整改措施。总结了天然气厂站电子设备防雷应关注的要点。
关键词:防雷;  电子设备;  天然气厂站;  电涌保护器
Problems and Improvements for Lightning Protection of Electronic Equipment at Natural Gas Stations
Abstract:Lightning stroke accidents of electronic equipment at natural gas stations still sometimesoccur in the presence of conventional lightning rod or in the case of good building grounding.The consequences,routes,types and causes of lightning damage to electronic equipment in the stations are analyzed.Taking the lightning protection project of a LNG gasification station in Shenzhen City as an example,the hidden dangers for lightning protection are analyzed,and cmTective measures are put forward.The key points needing attention in lightning protection of electronic equipment at natural gas stations are summarized.
Keywords:1ightning protection;electronic equipment;natural gas station;surge protector
 
1 概述
天然气厂站内建(构)筑物、管道及其他暴露在室外的设施,容易遭受雷电侵害,造成非常严重的后果。目前,世界上各种建(构)筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷,实践证明用避雷针防范直击雷是经济和有效的。但是随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应而发生高电压以及发生闪击现象,主要危害建(构)筑物内的电子设备。
现代化厂站中大型电子计算机网络、程控交换机组、电子仪器仪表等设备由于信号来源路径增多,比以前更容易遭受雷电的侵入,致使雷电灾害频频发生,电子设备防雷已成为一项迫切要求[1]
2 雷电对电子设备的损害
雷电具有极大的破坏性,雷电流是短时间内以脉冲的形式通过的强大的电流,瞬间电流可高达10×104kA。雷击所造成的破坏性主要表现在3个方面:设备损坏,人员伤亡;设备或元器件寿命降低;传输或储存的信号、数据受到干扰或丢失,甚至使电子设备产生误动或使整个系统瘫痪。
雷电损害电子设备主要有3个途径:
①直击雷经过接闪器(如避雷针、避雷带、避雷网等)和引下线而泄放入地,导致地网地电位上升,产生的感应电流由设备接地线引入电子设备,造成地电位反击。
②雷电流沿引下线入地时,在引下线周围产生磁场,引下线周围的各种金属管线上经感应而产生过电压,对电子设备造成干扰和损害。
③进出建筑物或机房的电源线和通信线等,在建筑物外受直击雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线窜入,入侵电子设备。
3 厂站内易损坏的电子设备类型及原零
①气体体积流量修正仪
当厂站发生雷击时,如果信号电缆屏蔽层在控制室机柜处不作接地处理,就会有较强的雷击电磁脉冲侵入信号线,雷击电磁脉冲无法衰减,就会引起气体体积流量修正仪受电磁脉冲的干扰,造成计量数据出错、设备损坏及直流电源保险熔断。
②温度变送器和压力变送器
当厂站发生雷击时,雷电流可能经变送器信号线耦合进入设备,雷电流的强度超过电涌保护器(Surge Protective Devices,SPD)的承受能力,致使信号SPD损坏,信号模块不能受到保护。
③燃气泄漏报警器
当厂站发生雷击时,雷电流可能经燃气泄漏报警器探头信号线耦合进入设备,雷电流超过燃气泄漏报警器探头承受电流能力,致使燃气泄漏报警器探头损坏。
4 天然气厂站雷电防护案例分析
深圳市大工业区LNG气化站在投入运行后,部分电子设备受到了雷电的影响。下面根据已有防雷系统的实际情况和出现的问题,进行隐患分析,提出防护措施和改进方法。
4.1 现场概况
①地理位置
大工业区LNG站位于深圳市龙岗大工业区锦绣中路与兰景北路交界处,厂站周围地势比较开阔,附近也没有高大的建筑。根据气象部门的资料,此地年平均雷暴日数为73.9d/a,属于强雷区。
②厂站设施情况
大工业区LNG站主要包括工艺装置区(4台100m3低温储罐、12台5000m3/h高效空温式气化器、BOG加热器、EGA加热器、储罐自增压器、汽车装卸区、钢瓶充装区、调压橇区)、综合区(包括综合楼和消防水池,综合楼内含变配电及柴油发电间、压缩空气及氮气间、控制室、消防泵房等),工艺装置区和综合区用围墙隔开。工艺装置区设有高30m的避雷针塔一座,综合区没有避雷带,直击雷防护措施比较完善,厂站取得了防雷检测所的防雷合格证。
③雷击记录
在2008年6、7月,该站共发生4次雷击电子设备事故:2号储罐液位变送器防雷模块被雷击坏,气化器出口压力变送器浪涌保护器被雷击坏,中压燃气管道出站处计量用压力变送器被雷击坏,2号气化器燃气泄漏报警探头被雷击坏。
④防雷设计分类
按照GB 50057—20106建筑物防雷设计规范》,厂站建筑物按二类防雷建筑物进行防雷设计。
4.2 隐患分析
从现场情况看,该站在防雷、防静电方面存在隐患,上述4次雷击电子设备事故均属于电涌保护不到位造成的。现将具体隐患归纳如下:
①监控设备:室外摄像头无任何直击雷防护措施。
②供电系统:已安装的电源SPD接地线过长(规范要求不超过0.5m,尽量做到短、平、直),造成接地线感抗增加,雷击时会导致电源SPD接地端与汇流排间电位差增大,引入雷击电磁脉冲。
③电源SPD的技术参数及匹配:现场勘察B、C级组合电源SPD最大放电电流Imax为50kA,小于规范要求(规范要求Imax≥80kA);现场使用OBO、DEHN、PHOENIX三种不同品牌电源SPD的响应时间和残压等参数的匹配存在问题[2]
④直流电源系统:控制室控制机柜内的直流24V电源输出端未安装相应的直流电源SPD,当雷电流或雷击电磁脉冲侵入低压电源系统后,由于电源SPD必然还有残压,此残压经直流电源后仍然会有一个脉冲传入后级,该脉冲传入连接信号模块的信号线路后,可以使信号模块所连接的信号SPD损坏。
⑤信号线路:工艺装置区温度、压力、液位变送器、气体体积修正仪和室内监控系统的信号线路未加装相应信号SPD,易引入雷击电磁脉冲。
⑥综合布线:电源电缆与信号电缆敷设在同一金属线槽内,产生多条雷击电磁脉冲和雷电感应引入途径。
⑦接地系统:厂站内避雷针采取独立地网,与工艺装置区的地网距离比较近。当任何一处发生雷击经其地网放流时地电位抬升,可能造成该地网与其他地网之间的高电位差。例如:当雷击30m高的避雷针并通过引下线放流时,由于接地电阻不等于0,在此就会产生地电位抬升,而其他地网电位仍然是0,若某信号模块正好与二者都有联系,该模块上就会产生很高的电位差,信号SPD就会被烧毁,严重时会损坏信号模块。
⑧等电位连接:该气化站控制室内有等电位均压环,但机柜内的接地线未直接与均压环相连,UPS外壳、监控系统外壳未接地,未构成等电位连接。雷击时,控制室内各设备之间可能出现电位差,危及设备安全。
⑨屏蔽措施:当工艺装置区附近发生雷击时,会在信号线路上感应较强的雷击电磁脉冲,现有信号线屏蔽层在控制室机柜处未作接地处理,雷击电磁脉冲可以沿信号线无衰减地传入控制室内设备。
4.3 整改措施
①利用SPD将设备各端口的对地电位限制在设备能承受的范围内,同时将各端口的感应过电压、过电流泄放到地,实现对设备的保护。安装在室外的设备在各进出线端安装SPD,SPD需安装于防水防爆屏蔽箱内。该措施解决了上述隐患①~⑥。具体各设备安装的SPD见表1。
 
②工艺装置区的设备由于距离避雷针很近(最近距离小于8m),从现场调查情况可知,受雷击损坏的设备都是安装位置靠近避雷针的。可见,当雷击避雷针时产生的巨大瞬变电磁场及地电位的反击会损坏设备。减小地电位反击的主要措施是增大地网面积,减小避雷针的接地电阻。大工业区LNG气化站的避雷针高度为30m,是整个站区的最高点,也是经常受雷击的点,但其地网面积很小,又是独立地网,这些不利条件使避雷针在接闪时难于以最快的速度放流,从而产生巨大的地电位反击。解决办法就是在原矩形避雷针地网的靠近工艺装置区两边增加水平接地体和垂直接地体,水平接地体用40mm×4mm热镀锌扁钢(埋深0.8m),垂直接地体用耐腐蚀的石墨电极,采用三面焊接并做防腐处理;在避雷针地网的另两边用两根40mm×4mm的热镀锌扁钢(埋深0.8m)与工艺装置区地网相连(中间增加垂直接地体),构成一个完整的地网。该措施解决了上述隐患⑦、⑧。
③对室外所有设备外壳、管道、线路屏蔽层等需要接地的设施作一次全面的检查,对接地不良、接地线腐蚀、接地线过长、接地线截面积过小等不符合要求的部分进行整改,消除隐患。对所有设备的进出线处补加屏蔽,屏蔽层可靠接地。该措施解决了上述隐患⑨。
④为了加强对直击雷和雷电产生的电磁脉冲的防护,控制室所在建筑物(综合楼)需建立法拉第笼屏蔽,用以解决上述隐患⑦、⑧、⑨。具体做法如下:
a.法拉第笼由楼顶避雷网、避雷带、引下线、环形地网构成。
b.避雷网由3m×3m的方形网格构成,横纵向每隔3m与避雷带焊接连通。网格由40mm×4mm的热镀锌扁钢交叉焊接构成。热镀锌扁钢的镀层厚度为20~60mm。环形地网由水平接地体和垂直接地体组成,环绕建筑物外墙闭合成环,水平接地体采用40mm×4mm热镀锌扁钢,距建筑物外墙间距不小于1m,埋深不小于0.7m,垂直接地体采用石墨电极,环形地网与建筑物四角的主钢筋焊接,引下线与地网连接处设置垂直接地体。
c.引下线是楼顶避雷网、避雷带与接地装置的连接线,沿建筑物外墙均匀垂直敷没4根,安装平直,与其他电气线路距离大于1m,引下线采用40mm×4mm热镀锌扁钢或不小于8 mm热镀锌圆钢,上端与避雷带和避雷网焊接连通,下端与地网焊接,焊接处弯角不小于90°。
5 建议
①对于设备仪器的防护问题,着重在于屏蔽、接地、等电位连接三种技术手段;施工方面要求必须严格按照设计方案落实到位。
a.接地网应按照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的要求进行设计,隐蔽工程施工应有照片和跟踪记录。
b.厂站内所有的设备、仪器、管道等金属设施应完善等电位连接措施,连接点应牢固可靠、防腐。
c.SPD接地线宜就近接到设备金属外壳,保持最短距离;另外,建议在低压电源总配电柜安装电涌保护器。
d.厂站内的各种线路应采取严格的屏蔽措施,特别是针对设备仪器端裸露部分的线路应有具体的屏蔽实施方案。
②天然气厂站的防雷类别属于第二类。建议避雷针的地网与厂站地网采用共用接地方案。
③防雷设备的选型,应选用优质可靠的配套产品。工程完成后采用防雷管理软件进行后续管理。
④新建厂站建设应做到与防雷建设同时设计、同时施工、同时验收。特别要确保建设初期的线路屏蔽及预留等电位连接点,设计方案可以委托市级以上的防雷管理机构审核。
 
参考文献:
[1]王旭秋.燃气储配站的防雷改造[J].煤气与热力,2005,25(3):13-15.
[2]刘兰慧.天然气厂站控制系统电涌保护器的选取[J].煤气与热力,2013,33(7):A17-A19.
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