天然气场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 点击:  评论: 更新日期:2016年09月16日
摘 要:天然气场站电子设备损失的事故多有发生,但这些事故一般都在有传统避雷针或者是建筑接地良好的情况下发生,本文针对雷电对电子设备的损害,对场站电子设备及仪表系统运行中出现的雷击问题进行了分析,对不同设备受到雷电损害的原因分类总结,提出了相应的改进措施和建议。
关键词:防雷  电子设备 天然气场站
天然气场站内建筑、管道及其他暴露在外的设施,容易遭受雷电侵害,造成非常严重的后果。目前,世界上各种建筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷,用避雷针防止直接雷击实践证明是经济和有效的。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。避雷针不能阻止电磁脉冲击过电压、操作过电压及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。
一方面大型电子计算机网络、程控交换机组、仪器仪表等系统设备耐过电流,耐雷电压的水平越来越低,另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更容易遭受雷电波的侵入,致使雷电灾害频频发生。据统计,雷电对电子设备的损坏占电子设备损坏因素的比例高达26%,电子设备防雷过电压已成为具有时代特点的一项迫切要求。
1 雷电对电子设备损害
雷电具有极大的破坏性,其电压高达数百万伏,瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性主要表现在三个方面:设备损坏,人员伤亡;设备或元器件寿命降低;传输或存储的信号、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。
雷电损害主要有三个途径:
①直击雷经过接闪器(如避雷针、避雷带、避雷网等)而直放入地,导致地网地电位上升。高电压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。
③进出大楼或机房的电源线和通信线等,在大楼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。
2 场站内电子设备损坏的原因
目前天然气场站内容易损坏的电子设备的主要有以下几种类型:
①气体体积修正仪
当场站发生雷击时,由于存在有信号电缆屏蔽层在控制值班室机柜处未作接地处理,就有较强的雷击电磁脉冲侵入信号线,雷击电磁脉冲几乎未受到衰减,引起体积修正仪受电磁脉冲的干扰造成计量数据出错甚至损坏及直流电源保险熔断。
②温度变送器
当场站发生雷击时,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SPD的承受能力一,致使信号SPD损坏,信号模块未受到保护。
③压力变送器
当场站发生雷击时,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SPD的承受能力,致使信号SPD损坏,信号模块未受到保护。
④泄漏报警器探头
当场站发生雷击时,雷电流可能经泄漏报警探头信号线耦合进入设备,雷电流的强度超过泄漏报警器探头承受能力,致使泄漏报警器探头损坏。
3 天然气场站雷电防护案例分析
深圳市天然气门站和气化站在投入运行后,部分电子设备受到了雷电的影响,特别是二次仪表的数据传输,根据现有建筑防雷系统的实际情况和出现的问题分析隐患,采取了一系列的防护措施和改进方法。
3.1 现场概况
A.地理位置:大工业区LNG站位于深圳市龙大工业区锦绣中路与兰景北路交界处,场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显示,此地年平均雷暴日为73.9d/年,属于强雷区。
B.场站设施情况:大工业区LNG站主要包括罐区、气化区、卸车区、地称、充瓶台、综合楼(含变配电及柴油发电间,压缩空气及氮气间)、消防泵房、消防水池等设施,综合楼设有避雷带、工艺装置区设有GFL2-9高30m的避雷针塔一座,直击雷防护措施比较完善。
C.是否取得防雷检测所的防雷合格证:是。
D.雷击记录:
1)2号储罐液位变送器防雷模块被击坏。
2)气化器出口压力变送器浪涌保护器被雷击坏。
3)中压出站压力变送器被雷击坏。
4)2号气化器泄漏报警探头被雷击坏。
E.雷击次数计算:
建筑物年预计雷击次数按下式计算:N=kNgAe:Ng=0.024Tdl.3
式中N—建筑物年预计雷击次数(次/a);
K—雷击次数校正系数,该建筑为孤立建筑,因此取2;
Ng—建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/(km2·a)]:
Ae—与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2):
Ae=[LW+2(L+W)+pH(200-H)]·10-6,其中L=144、W=51、H=10分别为场站的长、宽、高估算值(m)。
Td—该地区的年平均雷电日数为73.9d/年。
依据以上计算得场站年预计雷击次数N=0.39次/a,按照GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》第2.0.3条的要求“具有1区爆炸危险环境的建筑物,因电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者”,因此按二类防雷建筑物进行防雷设计。
3.2 隐患分析
从现场情况看,该站在防雷、防静电方面存在隐患,四次电子信息事故,均属于电涌保护不到位造成的,归纳如下:
A.直击雷:室外摄像头无任何直击雷防护措施。
B.供电系统引入雷击电磁脉冲:已安装的电源浪涌保护器V25-B+C/3+NPE接地过长(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。
C.所选择电源SPD技术参数问题:现场勘察B、C级组合电源浪涌保护器\,25-B+C/3+NPE最大放电电流为50kA(8/20),小于规范要求(规范要求Imax≥80kA)。
D.源SPD配合问题:OBO、DEHN、PHOENIX三种不同品牌电源SPD的响应时间和残压等参数的相互配合存在不确定因素,有可能带来防雷隐患。
E.直流电源系统引入的雷击电磁脉冲:控制值班室控制机柜内的SIEMENS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,此残压经直流电源处理后仍然会有一个脉冲传入后级(视具体品牌而定),该脉冲传入连接信号模块的信号线路后,可以使信号模块所接信号SPD动作,严重时可能烧坏信号SPD,甚至损坏信号模块。UPS前端未安装电源SPD。
F.信号线路引入雷击电磁脉冲:工艺装置区变送器、EK260体积修正仪的信号线路未加装相应信号SPD。室内监控系统信号线未安装相应的SPD。
G.综合布线带来的隐患:电源电缆与信号电缆敷设在同一金属线槽内,这种处置方式导致多条雷击电磁脉冲和雷电感应引入途径,形成很大的防雷隐患。
H.接地系统:场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。当任何一部分发生雷击经其中一个地网散流时的地电位抬升,可能造成该地网与其它地网之间危险的电位差,例如:当雷击30m高的避雷针并通过引下线泄流时,由于接地电阻不等于零,在此就会产生地电位抬升,而其它地网仍然是零电位,如某信号模块正好是与二者都有联系,模块上就会产生很高的电位差,信号SPD就会动作甚至烧毁,严重时会损坏信号模块。
I.等电位连接:该气站控制值班室内有等电位均压环,但机柜内的接地排未直接与均压环相连,UPS#b壳、监控系统外壳未接地,未构成等电位连接。雷击时,控制值班室内各设备之间可能出现电位差,危及设备安全。
J.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,由于存在有信号线屏蔽层在值班室机柜处未作接地处理,该脉冲可以沿信号线几乎无衰减地传入控制值班室设备。
3.3 整改措施:
A.安装在室外的设备由于距离避雷针很近(小于8米),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,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,因此,采取有效措施尽量减小雷击避雷针时产生的危害是非常必要的。减小地电位反击的主要措施是增大地网面积,降低避雷针的接地电阻。大工业区LNG站的避雷针有30米高,是整个站场的最高点,也是经常受雷击的点,但其地网面积很小,又是独立地网,这些不利条件便避雷针在接闪雷电时难于以最快的速度散流,从而产生巨大的地电位反击。解决办法就是在原避雷针地网的北面两边增加水平接地体和垂直接地体,水平接地体用4*40的热镀锌扁钢(埋深0.8米),垂直接地体用耐腐蚀的石墨地极,连接处三面焊接,并做防腐处理;在避雷针地网的南面两边用两根4*40的扁钢(埋深0.8米)与站场原地网相连(中间增加垂直接地体),构成一个完整的地网。
B.防护地电位反击最有效的方法是等电位连接,利用防雷器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。下列安装在室外的设备须在进出线端安装防雷器:表l
 
C.为了进一部减小感应过电压、过电流,对所有设备的进出线处补加屏蔽,屏蔽层用4m2线可靠接地。
D.对室外所有设备外壳、管道、线路屏蔽层等须接地的设施作一次全面的检查,对接地不良、接地线生锈、腐蚀、接地线过长、部分接地线截面积过小等不合要求的部分进行整改,消除隐患。
E.为了加强对直击雷和电磁脉冲的防护,控制室建筑物需建立法拉第笼屏蔽。具体如下:
a)法拉第笼由楼顶避雷网、避雷带和引下线、环形地网构成。
b)避雷网由3m×3m的方形网格构成,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。热镀锌钢材的镀层厚度为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)引下线是避雷带与接地装置的连接线,沿建筑物外墙均匀垂直敷设4根,安装平直,与其它电气线路距离大于1m。引下线的固定卡钉布置均匀牢固,间距小于2m。引下线采用40mm×4mm热镀锌扁钢或不小于F8mm热镀锌圆钢,上端与避雷带焊接连通,焊接处弯角不小于R90°,下端与地网焊接。
4 结论
随着计算机技术的快速发展,集成电路为核心的网络通信以及各种测控系统已经广泛的应用在天然气场站中,遭受雷击的电子设备受损的事故经常发生,本文认为对于减弱天然气场站内电子设备雷电损害应注重一下几个方面。
4.1 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。
①接地网应按照《建筑物防雷设计规范》GB50057的要求进行设计,其他手段如石墨地极等只作为辅助、补充措施。隐蔽工程应有照片和跟踪记录作依据。
②场站内所有的设备仪器、管道等金属设施及控制室内应完善等电位连接措施,连接点应有牢固可靠、防腐防锈的具体工艺措施。
③SPD接地线宜就近接到设备金属外壳,保持最短距离;另,建议在低压电源总配电柜安装电涌保护器。
④场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;屏蔽体应保持密封性与电气连续性,双端应保证可靠接地,中间的跨接点与双端的接地点应有牢固可靠、防腐防锈的具体工艺措施。
4.2 天然气场站的防雷类别属于第二类。建议避雷针的地网与场站地网采用共用接地。
4.3 防雷设备的选型,建议选用质量较好的配套产品。工程完成后建议采用技通公司的防雷管理软件进行后续管理。
4.4 新建场站的防雷建议
新建站场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接地点措施的完善,设计方案可委托防雷中心进行审核。
 
参考文献:
[1]城镇燃气防雷设计规范.QX/Tl09-2009
[2]建筑物防雷设计规范.GB50057-2010
[3]李业福.天然气场站防雷防静电系统设计.城市燃气,2014,2:l6-20
[4]赵宇红.《雷击对电子设备的危害及防护》[J].中国科技财富,2009
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