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浅谈天然气场站防雷电
2010-10-12 13:20:40  来源:安全文化网  评论:0   点击: 收藏

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  雷电是一种常见的大气放电现象。由于雷电释放的能量相当大,它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。目前全国已建成的天然气长输管道横贯东西南北,沿线场站、阀室密布,管线所经地域地理位置差异巨大,有的地方雷雨频繁,很容易受到雷电的影响。一旦遭受雷电袭击,损失难以估量,后果难以想象。所以,做好天然气场站、沿线阀室和阴保间的防雷电,须臾不可小视。

  1雷电对天然气场站的影响

  1.1雷电对仪表控制系统的影响

  雷电从形式上可分为直接雷击与感应雷击两种[1],对仪表控制系统可能产生的危害分为下列几种。

  1)直接雷击。雷电直接击中现场仪表设备或与之连接的管路,通常会损坏仪表的传感器模件并且可能损坏变送器的控制主板。雷电流在沿仪表支架流入大地的过程中,产生强大的感应磁场,能通过信号传输线路耦合到控制室设备,损坏控制设备。

  2)感应雷击。一种是静电感应。当雷云来临时,地面物体尤其是导体聚积大量电荷产生放电,放电电流若进入现场仪表和用电设备,将造成设备损坏。另一种是电磁脉冲辐射。雷电流在其通道周围的空间产生电磁场,向外辐射电磁波,耦合到控制室的控制设备以及各类金属导体上,产生感应电动势或感生电流,将造成设备故障或损坏,甚至使控制系统失灵。

  3)雷电过电压侵入。直接雷击或雷电感应都可能使导线或金属管道产生过电压,过电压沿各种金属管道、电缆槽、电缆线路就可能将高电位引入仪表控制系统造成干扰甚至损坏。

  4)反击。防雷装置接闪时,强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置,由于大地电阻的存在,雷电电荷不可能快速向大地泄放,因而会引起局部地电位上升(可能成百上千伏),如果仪表控制系统的接地体与该点没有足够安全距离,它们之间就会产生放电,造成反击电流,可直接击穿在用电器的绝缘部分,对控制系统产生干扰乃至破坏。

  1.2雷电对管道的影响

  场站工艺管道的地面部分及跨越管道,相对于整个埋地管道而言都是优良的接闪器。当管道附近上空即将产生雷电时,其下方大面积的地面形成一个静电场,埋地管道也同大地一样表面感应出相反的电荷,当电荷积累到一定程度而又具备了放电条件时,会出现一次强烈的放电过程。此时,云地电荷迅速消失,地电荷变为零。但是,由于PE三层优良的绝缘性能,管道感应电荷的泄放速度很慢,一旦发生管道的局部放电,其他部位的感应电荷也将随之对地消散,于是在管道内形成一股强大的电流。对于绝缘层电阻较低的管道,电流会通过绝缘层的漏点大量消散,不会产生大的破坏力;而对于绝缘层性能很好的管道,当这种浪涌不能通过绝缘层本身的漏点快速泄放入地时,管道上绝缘或接触不良的部位就产生高电压,引起二次放电,这就是输气管道设备、设施遭受雷电破坏的主要原因。金属管道本身是一个良导体,很容易成为较大的直击雷电的泄放通道而发生雷击现象[2]。

  此外,管道阴极保护设备、防蚀电源也经常遭受雷电的袭击,受损的组件主要为放电管、电容、集成电路、保险丝等。最严重的可以将设备的主板烧毁。阴极保护设备通过阴极电缆和零位接阴电缆与管道直接连通,是管道上直击雷和感应雷所产生的雷电电流最方便和直接的泄放通道,如果雷电击中设备就会很容易对管道造成危害。

  2天然气场站雷电防护措施

  一个完善的防雷工程应包括:①外部防雷装置(接闪器、引下线和接地装置)承接50%以上的雷电流并将其泄入大地;②采用等电位连结、屏蔽、防闪络技术和装置,阻塞雷电波沿金属导线和空间电磁场入侵的途径;③电涌保护,利用某些元件的非线性特性,组成电涌保护器(SPD)并将其连结在配电和信号线路中,将累计产生的过电压和过电流通过SPD泄入大地。这3个系统缺一不可。下面以仪表控制系统为例进行介绍。

  治理侵入仪表控制系统雷电危害的措施主要包括接闪、分流、均压、接地和屏蔽等。这些措施必须综合运用,才能真正达到仪表系统的防雷。

  2.1接闪

  直接雷击的防护主要由建筑物的防雷装置实现,现场仪表系统的防雷,应和周围输气设备的防雷措施一起设计。

  2.2均压

  当雷击发生时,在雷电瞬态电流所经过的路径上将会产生瞬态电位升高,使该路径与周围的金属物体之间形成瞬态电位差,如果这种瞬态的电位差超过了两者之间的绝缘耐受强度,就会导致介质的击穿放电,这种击穿放电能直接损坏仪表设备,也能产生电磁脉冲,干扰仪表系统的正常运行。为了消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电,可以将所有现场仪表的金属外壳、构架、生产装置的金属设备、设施、仪表控制室内的设备、组件和元件的金属外壳、金属设施连接在一起,并且与仪表控制室的防雷接地系统相连接,形成完善的等电位连接。

  2.3接地

  目前国内仪表系统接地主要有两种措施:浮地、多点接地。

  1)浮地。浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘,这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中,地电位的变化对仪表系统也无影响。但由于仪表的外壳要进行保护接地,当雷电较强时,仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压,将两者之间绝缘间隙击穿,造成电子线路损坏。

  2)接地。接地是指仪表、PLC等设备的工作接地与保护接地分开。这种接地方式的突出优点是可以就近接地,接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统,电子电路同样会因承受高压而损坏。

  由于以上两种接地方式都不能满足防雷电的需要,因此,可以考虑将保护地与工作地相连接,并且接入防雷电接地系统,问题就可以解决了。

  2.4屏蔽

  由于仪表系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号电缆,由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上,也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波,沿线路侵入电子设备,使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。

  1)控制室屏蔽。控制室内的控制系统是仪表系统的心脏,对雷电产生的电磁脉冲十分敏感,需要特别注意其屏蔽问题。仪表控制室应是封闭结构,将房屋墙壁中的结构钢筋交点处进行电气连接,在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环(接入防雷地),并做好有效的电气连接。

  2)现场仪表屏蔽。现场仪表可采用金属的仪表箱实现防雷屏蔽,仪表箱要与其它现场的金属设施实现等电位连接,并接入防雷接地系统。

  3)信号线和电源线屏蔽。为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波,所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。就瞬态过压防护而言,需要信号线或电源线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地。当采用多点接地后,各接地点之间的屏蔽层沿线路之间形成回路,低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层,在电缆的护套回路产生低频干扰,这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地。为了防止由多点接地所产生的低频干扰,可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆,将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层进行多点接地,金属管内或双屏蔽电缆的内屏蔽层可以采用一端接地。这样既保证安全,又有利于抑制低频干扰。

  2.5分流

  分流是防雷的有效措施。其方法就是在仪表控制系统的信号或通讯回路以及系统的供电电源部分采用浪涌保护器SPD,用以限制瞬态过电压和浪涌电流。一个SPD只能为回路的某部分提供保护,由于设备回路太多,不可能在每个设备回路中都使用SPD,而是必须有选择地在重要回路和系统电源回路中安装SPD或避雷器。

  为了达到仪表系统、阴保系统以及阀室设备的防雷电效果,要对整个生产装置根据等电位连接的原则加以设计,从控制室、阴保系统、现场仪表、仪表信号和电源线等多方面综合考虑,采用接闪、分流、均压、接地、屏蔽等多种措施,需要电气、建筑、自控等专业协同合作来实现,除了考虑系统安全性以外,还要考虑投资的成本与运行的经济性。

  2.6加强防雷电的管理

  一是按规定设置防雷电、静电装置,并对其进行定期检测检修,保证接地完好有效,接地电阻符合要求;保证阀门、法兰用金属线跨接且可靠接地;法兰连接间电阻应小于0.03Ω,对地电阻不得大于100Ω;检修拆除的跨接线一定要恢复。

  二是提高设备的本质安全程度,保证设备完好。要严把设备的采购、安装、验收关,确保设备本质安全。工艺设备要常维护保养、勤检查,消除跑、冒、滴、漏;电气设备要选用相应的安全等级和防爆等级,在运行检修过程中严禁对其进行改装、拆除或降低等级;漏电保护、短路保护、绝缘、屏护等要随时完好有效;检测报警装置要定期定校验。

  参考文献

  [1]李家启.建筑物燃气供气管道防雷技术研究[G].//第3届中国防雷论坛论文集,[出版地不详]:[出版者不详],2004.

  [2]姚伟,葛艾天,韩宪荣.陕京输气管道的雷电危害及防治[J].油气储运,2000,19(9):14-17.

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