L-CNG汽車加氣站的雷電防護

摘 要

摘要：分析了L-CNG汽車加氣站的生產特點，結合湛江地區雷電活動的特征及危害特性，提出了L-CNG汽車加氣站的雷電防護措施。關鍵詞：雷電防護；L-CNG汽車加氣站；防雷措施Lightning Prote
摘要：分析了L-CNG汽車加氣站的生產特點，結合湛江地區雷電活動的特征及危害特性，提出了L-CNG汽車加氣站的雷電防護措施。
關鍵詞：雷電防護；L-CNG汽車加氣站；防雷措施
Lightning Protection for L-CNG Vehicle Filling Station
YE Ming，WU Youxiang
Abstract：The production characteristics of L-CNG vehicle filling station are analyzed.Combined with the features and harmfulness of lightning action in Zhanjiang area，the lightning protection measures for L-CNG vehicle filling station are proposed.
Key words：lightning protection；L-CNG vehicle filling station；lightning protection nleasllres
    近年來，因雷擊引起的燃氣、石化企業火災和爆炸事故時有發生，給人民生命和國家財產造成了損失。做好雷電防護工作非常重要，國內外學者在這方面做了許多研究工作。文獻[1]根據雷電流的特性，結合CNG加氣站工藝和設備的特點，提出了CNG加氣站的綜合防雷措施。文獻[2]依據防雷規范標準，對汽車加油站的防雷措施及安全檢測、驗收等注意事項進行了論述。文獻[3]分析了CNG加氣站壓縮機的防雷要求。文獻[4]研究了CNG加氣標準站儀表自控系統的防雷。本文結合工程實例，對L-CNG汽車加氣站防雷措施進行闡述。
1 建設項目規模
    湛江市L-CNG汽車加氣站位于湛江市麻章公交車站內，占地面積為4527.34m2，建設加氣島1個，30m3LNG臥式儲罐1臺，氣化工藝裝置1套，壓縮天然氣儲氣瓶組(3×1.8m3)1套，雙槍加氣機2臺，單槍加液機2臺以及輔助工程和公用工程設施。
    湛江市地處熱帶氣候帶的北緣，緯度較低，瀕臨南海，經常受到來自內陸西風帶天氣系統(高空槽、切變線、低渦等)和海洋熱帶天氣系統(東風波、輻合帶、熱帶氣旋等)的影響，天氣復雜多變，強對流天氣較多，雷暴天氣頻繁出現，一年四季都有，年雷暴日數為95.6d。
2 L-CNG汽車加氣站的生產特點
    ① LNG低溫儲罐壓力為0.8MPa，介質溫度為-196℃，屬于Ⅲ類壓力容器。儲罐增壓氣化器壓力為1.0MPa，介質溫度為-196～60℃。CNG儲氣瓶組壓力為32MPa，介質溫度為-29～93℃。加氣槍單槍流量為1900m3/h，壓力為3～25MPa，介質溫度為-25～75℃。生產裝置大部分為低溫、高壓連續生產的裝置，如發生雷擊停產、爆炸事故，將會造成巨大的經濟損失和社會影響。
    ② 依據《常用危險化學品的分類及標志》GB 13690—92第3.1.2條，按危險特性分類，L-CNG汽車加氣站生產、儲存的天然氣為第2.1類易燃易爆物質，儲存區域屬Ⅱ級爆炸危險區。液化天然氣深冷絕熱儲存，若發生泄漏，比氣相泄漏強度大得多，泄漏的液化天然氣急劇蒸發并迅速擴散至周圍空間，形成低溫高濃度霧狀蒸氣云，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇火源即發生燃燒爆炸。天然氣可造成頭昏、頭疼、嘔吐、乏力、昏迷，長時間接觸，將出現神經衰弱綜合癥。按GB 50057—94《建筑物防雷設計規范》(2000年版)的有關規定[5]，生產區、加氣島為第二類防雷區域，生產輔助用房為第三類防雷建筑物。
    ③ 生產、儲存裝置由儲罐、天然氣壓縮機、泵及管道組成，儲罐按照《鋼制壓力容器》GB 150—1998、管道按照《輸送流體用無縫鋼管》GB/T 8163—2008的有關規定進行設計、制造。
    ④ 供電負荷等級為三級，由市政10kV高壓電網提供一回路10kV高壓電源，經高壓鎧裝電纜引入廠站的室外箱式變電站，經變壓后，向站內提供380/220V低壓電源。低壓配電系統采用中線與保護線分開的TN-S系統(T表示電源配電側的一點直接接地，N表示用電設備的外露導電部分與電力系統的接地點直接電氣連接或與從配電側接地點引出的導體相連)，變壓器中性點直接接地。為保障控制系統的供電可靠性，控制系統設置不間斷供電電源(UPS)，站內設一組備用柴油發電機組。
    ⑤ 自控系統由可編程控制器、彩色操作面板、工控機、接線端子柜、操作臺、打印機等組成。電子設備的耐壓和抗電磁干擾性能比較低，雷電產生的強大的感應電磁場以及在金屬導體中產生的感應過電壓，影響著電子設備的正常工作甚至損壞設備。
3 雷電的危害
    雷電的危害主要表現在具有巨大的破壞性上，其特點是雷電放電電壓高，閃電電流幅值大，變化快，放電時間短，閃電電流波形陡度大。雷電的破壞作用在于強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場以及強烈的電磁輻射等物理效應，造成人員傷亡、建(構)筑物和設備巨大破壞、起火爆炸等嚴重事故及損失。
    雷電侵入主要形式有：①直接雷擊，在雷電活動區內，雷電直接通過人體、建(構)筑物、設備等對地放電而產生電擊現象。②間接雷擊，雷電流通過靜電感應、電磁感應、電磁脈沖輻射、雷電過電壓入侵、雷電反擊等(統稱感應雷)形式侵入建(構)筑物內，使建(構)筑物、設備部件損壞或人身傷亡。
4 雷電防護措施
4.1 接閃
    是采用接閃器(避雷針、避雷帶和避雷網)截獲閃電，防止建筑物本體被雷電直接擊中的措施。
    加氣島罩棚、生產輔助用房屋頂設置避雷帶和網格，網格尺寸為10m×10m或12m×8m。屋頂裝飾金屬物與防雷裝置連接。室外燈塔利用金屬燈罩接閃，但燈塔立柱應布置在爆炸危險2區之外。由于生產、儲存裝置的材質為金屬體，且厚度≥4mm，對雷電有自身保護能力，不需要裝設避雷針保護，可利用金屬罐體做為接閃器[6]。
4.2 分流
    分流是通過引下線和接地導體將雷電流引入大地，從而使被保護物達到防雷的措施。
    ① 加氣島罩棚利用基礎樁、承臺作為防雷接地體，柱主筋作為引下線。具體施工做法如下：a.基礎為多樁結構，單樁利用2根主筋作為基礎接地體，樁的利用率不小于建筑物總樁數的50%。b.將作為引下線接地點的承臺的下層外圈鋼筋焊接連通構成閉合環，閉合環下與作為垂直接地體的樁筋焊接，上與作為引下線的柱內結構主筋焊接連通。c.將地梁內2條平行主筋與引下線柱基礎主筋焊接，并且各段地梁之間主筋連成一個環路，作為水平接地體。d.用建筑物柱子內兩條直徑≥12mm的對角主筋上、下焊通作為引下線。
    ② 燈塔利用金屬桿作為防雷引下線。
    ③ 儲罐的防雷引下線材質采用40mm×4mm以上的鍍鋅扁鋼，接地點數量≥2處，沿罐體四周均勻敷設。
4.3 接地
    為了工作和安全的需要，將設備與大地相連稱為接地，其中埋入大地并直接與土壤接觸的金屬導體為接地體，設備的接地部分同接地體相連的金屬導體為接地線，接地體和接地線合為接地裝置[7]。
    各種設備均應接地處理，用電設備集中的場所應設置電氣接地預留端子，以給設備、SPD接地及等電位連接用。總配電間及各樓層配電箱處均應設計接地預留端子。大型設備接地點數量≥2處，管道的始末端、分支處及直線段每隔30m接地1處，露天管架、線架應接地處理。加氣島、儲罐區設環形接地裝置，并與相鄰的接地裝置用2根40mm×4mm以上的鍍鋅扁鋼在地下土壤中連接。自控系統的接地應按《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB 50343—2004第5.2.5條規定處理[8]：“防雷接地應與交流工作接地、直流工作接地、安全保護接地共用一組接地裝置，接地裝置的接地電阻值必須按接入設備中要求的最小值確定。”罐區卸車場地應裝設能檢測跨接線及監測接地狀態的靜電接地儀。
4.4 等電位連接
    等電位連接是將各分開的設備、導電體用金屬導線連接以減少它們之間的電位差。
    爆炸危險區域等電位連接非常重要，設備外殼、相鄰導體間，只要存在電位差，存在空氣間隙，就存在火花放電的危險，存在雷擊爆炸的隱患。根據GB 50057—94《建筑物防雷設計規范》(2000版)第3.2.2條第2款，“彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過渡電阻大于0.03Ω時，連接處應用金屬線跨接。對有不少于5根螺栓連接的法蘭盤，在非腐蝕環境下，可不跨接。”湛江地區屬沿海地帶，環境對金屬的腐蝕嚴重，故連接處應用金屬線跨接。
4.5 屏蔽
    屏蔽是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。戶外裝置接閃后，大部分雷電流沿接地引下線泄入地中，有一部分雷電流按各種金屬管線的波阻分配流動，當它通過電氣設備或電子系統設備時，有可能損壞設備。利用金屬網、箔、殼等導體把線路屏蔽包圍起來，使閃電的電磁脈沖入侵的通道截斷，是減少閃電時空間磁場電磁入侵的基本措施。
    具體措施如下：供電電纜采用鎧裝電纜或導線穿鋼管配線，信號線路傳輸全部采用套金屬線槽敷設，電纜金屬鎧裝及屏蔽保護管兩端均接地處理。
4.6 設備安全距離
    因建筑物的引下線敷設在外墻處，雷電流經過引下線引入接地裝置，在外墻處會形成強磁場，所以設備的電源和信號主線路應盡量遠離外墻，配線柜不應安裝在柱上或柱附近，配線柜為金屬外殼時應接地屏蔽。設備最好設置在室內的中心位置。
4.7 綜合布線
    電源線、網絡線不同槽架設；當電纜敷設在其他管線的下面時，垂直凈距≥25cm。設備的電源線與信號線所形成的回路面積要盡量小，避免產生大的回路感應過電壓和過電流。數據插座與電源插座保持一定距離，其距離＞30cm。
4.8 安裝SPD
    SPD是用于帶電系統中限制瞬態過電壓和導引泄放電涌電流的非線性防護器件，用于保護耐壓水平低的電器或電子系統，使其免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過電壓的損害。
    在供電線路上，由于直擊雷、感應雷和雷擊電磁脈沖的影響，產生對供配電設備和電子系統設備有破壞性質的瞬態雷電過電壓和雷電電涌。為了限制瞬態雷電過電壓和引導電涌電流泄入大地，還應在以下位置安裝SPD。在低壓配電間內低壓配電系統總出線處，裝設標稱放電電流≥60kA(8/20μs)的第一級SPD，(視在波前時間t1=8μs，半峰值時間t2=20μs的雷電波波形，記作8/20μs)。在總配電箱進線處，裝設標稱放電電流≥40kA(8/μs)的第二級SPD2；在UPS進線處，串聯安裝標稱放電電流≥20kA(8/20μs)的第三級SPD3。各儀表進線處安裝適配的信號SPD，其電壓保護水平應不小于設備工作電壓的1.2倍，同時不大于設備工作電壓的1.7倍。
參考文獻：
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[3] 陳杰，李求進，吳宗之.100起CNG加氣站事故的統計分析及對策研究[J].中國安全生產科學技術，2009，5(1)：71-75.
[4] 牛虎勛.CNG加氣標準站儀表自控系統設計總結[J].煤氣與熱力，2009，29(8)：B12-B16.
[5] 中華人民共和國機械工業部.GB 50057—1994建筑物防雷設計規范(2000版)[S].北京：中國計劃出版社，2001.
[6] 中國石油天然氣集團公司.GB 50183—2004石油天然氣工程設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2004.
[7] 解廣潤.電力系統接地技術[M].北京：中國電力出版社，1996.
[8] 四川省建設廳.GB 50343—2004建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.
 
(本文作者：葉明1 吳友香2 1.湛江市防雷設施檢測所 廣東湛江 524001；2.湛江市港務管理局 廣東湛江 524027)