汽车加油加气站的雷电与电涌防护探讨

欧京逵

(中国神华煤制化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

1 概述

随着汽车加油加气站的自动化管理水平的提高，如计算机计量、计价、油罐液位监控、自动火灾报警等应用越来越普遍，使加油加气站的雷电事故有逐年递增的趋势，影响汽车加油加气，消弱了加油加气站作为城市能源枢纽的功能，也给不了解加油加气站安全性能的人们，产生不安全感。因此，对汽车加油加气站的雷电与电涌保护就显得非常重要了。

2 加油加气站的环境特点

(1)地理位置:加油加气站通常应纳入城市建设总体规划，设置在交通便利的城区开阔地带或郊区、道路干线、主干线、高速公路旁边等地带。

(2)实施条件:加油加气站的建筑一般都有高大的罩棚，较低一些的营业室、值班室等，一般占地面积不大，不便于多级(SPD)防雷的实施。

加油加气站城区的油罐规范要求采用直接埋地式，只有远郊区的加油加气站油罐可采用地上式，油罐上不低于4m的金属通气管上都要求安装有阻火器(兼有防爆性能)，但不装呼吸阀。

(3)电源系统:一般加油站都用220/380V外接电源，加气站、加油加气合建站都用6～10kV外接电源供气压机用电。並独立设置电能计量装置。

汽车加油加气站的电力线路一般都采用电缆直接埋地敷设，进出建筑物及穿越行车道路部分都应穿钢管保护。

(4)电子系统:加油加气站的电子系统应采用双层屏蔽电缆或导线穿钢管配线，配线电缆外皮金属屏蔽层两端，保护管两端均应作等电位接地处理。内屏蔽层可在电源侧单端接地。

(5)爆炸危险区域划分:汽车加油加气站的爆炸危险区域划分详见《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156—2002，附录B。一般只有加油加气机周围，油罐内部及通气管周围，阀井及油罐车卸车场地等存在爆炸危险环境。但一般是运营操作时存在，停止运营操作时消失(卸车场地、加油场地、加气场地、油罐进油时通气管周围等)。

(6)加油加气站的运行安全规程规定:雷雨天加油加气站不允许油罐作装卸油操作。这样卸车场地、油罐通气管周围这时一般没有爆炸危险环境存在。

从以上几个特点不难发现，从防雷击事故来看，汽车加油加气站并非在“高风险”环境下运行，只要采取强有力的防护措施，根据国标《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156—2002设防，汽车加油加气站是可以安全平稳的运行。

3 汽车加油加气站的雷击事故统计与分析

为了防止加油加气站的雷击事故，找出发生雷击事故的原因，以便采取安全、可靠、经济适用的措施达到少投入、多产出，事半功倍的效果。对2001～2003年的全国加油加气站雷电事作了初步统计见表1。

表1 全国加油加气站雷击事故统计表

①全国加油加气站按85000座考虑。现在全国加油加气站数量远大于8500座。②加油加气站雷击事故分析:从上统计表中加油加气站雷击事故，2001、2002、2003年雷击事故分别占全国雷击事故的1.3%、1.6%、2%，均在2%以内，主要是雷击使电子系统设备损坏事故。其中电脑加油加气机主控板的雷击事故最多，占加油加气站雷击事故的80%以上，其次是报警系统，空调、电视机等。根据现场的调研分析加油加气站的雷击事故原因大都是雷电侵入与雷电高电位反击所至，因此汽车加油加气站必须采取系统的综合防雷措施，特别应加强对侵入雷与雷电高电位反击的防护措施。

4 汽车加油加气站的雷电与电涌防护

汽车加油加气站的防雷必须采取系统的防护措施:即接闪、分流、接地、均压、电磁封锁、合理布线，安装电涌保护器(SPD)等综合措施，才能有效的防止雷电事故，确保汽车加油加气站平稳安全的运行。

加油加气站的建筑物主要包括:埋地油罐、埋地液化气罐、石油液化气泵房、天然气压缩机房、站房(营业室、值班室、罩棚)，地上液化石油气罐、储气瓶房、汽车加油机、加气机等，爆炸危险区I区的范围较小，绝大部分是Ⅱ区。根据国标GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》，应定为第二类防雷建筑物，它的系统防雷包括以下措施。

4.1 接闪

根据汽车加油加气站所处的气象、地形、地貌、周围环境等因素进行综合分析。当汽车加油加气站位于高速公路、城市主干道、支干道路旁等的开阔地段、河流、湖泊、海边等边沿地段，建造在多雷地区(年雷暴日≥40d/a)，该加油加气站有可能遭受直接雷击。当罩棚为钢筋混凝土结构应在其屋面上装设接闪带(网)进行保护。当罩棚为彩钢板，钢板厚大于0.5mm，钢板之间是非易燃物时，可以用罩棚屋面作接闪器，用钢柱作引下线进行保护就可以了。

4.2 分流

加油加气站在其屋面上安装有接闪带(网)保护时，应利用柱钢筋或敷设扁钢作引下线，为使雷电流分多路引导泄入大地，降低雷电在附近导体或电线、电缆上的感应电势或电流，应尽可能多的布置引下线，並均匀布置在加油加气站四周，地下部分与接地网焊接。

4.3 接地

加油加气站的防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地、电子系统的接地(逻辑地、参考地)，SPD接地等，应共用接地装置，其接地电阻值不应大于4Ω。

接地应围绕建筑物作环形闭合接地装置，在每根引下线处，布置2～3根垂直接地极。垂直接地极长2.5m，埋深0.7m及以下，作用是降低冲击接地电阻及固定环形闭合装置，接地网应在油罐卸车场地，加油机安装处，加气机安装处，配电盘进线处，埋地油罐通气管处等焊接出接地支线，为上述设备作接地用。

4.4 电磁封锁

加油加气站的供电电源线路，应全长采用铠装电缆或导线穿钢管埋地引入。电缆或配线钢管长度不应小于2m，(ρ为当地土壤电阻率)，且不应小于15m，电缆铠装及保护管两端均应可靠接地。加油加气站的电子系统也应采用双层屏蔽电缆或导线穿钢管配线，配线电缆金属外皮两端，保护管两端均应可靠接地。

4.5 均压

加油加气站围绕建筑物作环形闭合接地装置后，所有进出环形接地装置的金属管道。电缆金属外皮，导线保护管，均应在与环形接地装置交叉处相连。加油站内的所有需接地设备与构件，如油罐、加油机、通气管、配电盘、电子系统用配电盘、开关、灯具等都要与接地网相连接，为使相邻的金属导体及设备上的电势(电压)相等，防止雷电反击火花及对维护操作人员产生电击，保护设备及人身安全，相邻的金属导体及设备应用导电体跨接。

4.6 合理布线

当汽车加油加气站的屋面上装有接闪带(网)保护时，动力配线与电子系统配线，应尽量远离接闪带(网)的引下线。当两者平行敷设时，两者相距应大于3m，交叉敷设应大于2m，否则电力、电子配线应穿两端接地的钢管加强屏蔽。

4.7 安装SPD

我们采取以上六项措施，由于雷电的电效应所至仍会在供电线路及电子系统传输线上，产生对其设备有破坏性的电涌。为对供电设备及电子系统设备实施有效保护，需在适当部位安装电涌保护器SPD。

(1)供配电系统的电源端

根据规范要求，加油加气站的220/380U电源宜采TN－S系统，其SPD接线如图1。

图1 电源为TN－S系统时，总配电箱处的接线图

(2)SPD选型要求

①最大冲击放电电流(Iimp):应根据建筑物的防雷类别(加油加气站属第二类防雷建筑物)，再根据进出建筑物的导电物(金属管线、电力线、通信线)进行分流。每一导电物电流为i1=Is/2/n(kA)，(n为导电物根数)，供电电缆每一芯线电流为i1=i1/m(kA)(m为电缆芯线数)。对TN—S系统m=5。当计算不可靠或有困难时，按Iimp≥12.5kA选取。

②流波形确定加油加气站的电源进线，大都采用铠装电缆进线。少数采用架空线再换接电缆段进线时，在电缆与架空线T接处的电缆头应装电涌保护器，此时电缆铠装外皮与避雷器接地端并联再接地，加油加气站的配电端电缆头再接地。因此电缆可以起到屏蔽与分流作用。此种情况的SPD(配电柜侧)，应采用10/350μs试验波。当电源线路全部采用电缆进线时SPD应采用8/20μs的试验波。

③大持续运行电压Uc的确定:最大持续运行电压Uc，要求SPD在此电压下长期运行不会损坏。雷击产生的过电压，此电压一般都是瞬态过电压，其电压幅值可以很高，但持续时间很短(μs)。通过SPD的能量有限，一般不会使SPD损坏，但电网运行等因素产生的暂态过电压，其幅值比雷过电压低，但持续时间很长，通过限压型(MOV)SPD时能量会较大，轻则加速SPD老化，重则使SPD过热而损坏或短路爆炸。对开关型SPD虽然没有老化问题，但动作后有续流，当电网的暂态过电压幅值较高时，动作后的续流较大而不能自行熄灭，也会使SPD爆炸，所以选择Uc要结合电网接地系统确定，对加油加气站而言，根据规范规定采用的是TN—S系统，此时选取Uc≥1.15U0，(U0为供电系统相电压)。

④PD的保护水平Up值得确定:供电系统安装SPD的目的是保护电气设备，如图2所示。

图2 SPD与被保护设备的关系

当SPD动作时，雷电流流过SPD，SPD将过电压降到Up值，而设备所承受的电压是Up+△Up1+△Up2﹦U，由此可见，被保护设备所承受的电压是SPD的保护水平加上两端的引线电压降。因此要求两端引线越短越好，其总长度不应超过0.5m为佳。

当满足以下条件时，可仅在电源进户安装一套SPD:

①电源进线处安装的SPD其保护水平Up≦2.5kV。

②需保护设备距电源处SPD距离不小于10m，且SPD的保护水平Up加上两端引线的感应电压，对限压型SPD要求(Up+△Up1+△Up2)≤0.8Uw.对开关型SPD要求Up或(△Up1+△Up2)大者≤0.8Uw。对限压开关混和型 SPD要求(Up+△Up1+△Up2)≤0.8Uw。(Uw被保护设备耐压水平)若在进线处安装的一套SPD达不到所要求保护的设备耐压水平时，应在被保护设备处增加配合协调的SPD，以确保达到设备所要求的电压保护水平。

汽车加油加气站防雷接地平面图见图3。

图3

例:上图SPD的安装与选择

图4

根据国标《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010第2.2.3条的规定:加油加气站属第二类防雷建筑物，按其附表6.1和6.2，雷电流幅值分别为首次雷击150kA，后续雷击为37.5kA，波头时间分别为10μs和0.25μs

按图3有4个回路导体，每个回导体电流为:

首次雷击ii1=150kA/2/4=18.75kA

后续雷击ii2=37.5kA/2/4=4.69kA

电源电缆芯数m=5:每一芯线电流ii1=18.75kA/5=3.75kA

对I级分类试验的SPD2每一回路SPD电流为:

对II级分类试验的限压型SPDImax=3.75×20=75kA(8/20μs)选80kA(8/20μs)的 SPD 就行。但电压保护水平必须小于UPS设备的耐压值(1.5kV)。否则在UPS前端应设置SPD2，其保护水平

5 结束语

汽车加油加气站环境不应视为雷电高风险地区，依据GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》，应该按二类防雷建筑物考虑。其油罐采用直埋地下式，通气口装有阻火器(有阻爆功能)，对雷电自身有防护能力，不应装设避雷针保护，依据GB50156—2002《汽车加油加气站设计与施工规范》分三级安装防雷器(SPD1、SPD2、SPD3)考虑，再加上其他六项措施，汽车加油加气站的雷电事故可以降低或消除。

［1］ GB50057—2010建筑物防雷设计规范［S］.

［2］ GB50156—2002汽车加油加气站设计与施工规范［S］.

［3］ GB50074—2002石油库设计规范［S］.

［4］ 许颖.电缆段的雷电流的试验研究［J］.防雷世界，2004.

［5］ QX3—2000气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范［S］.

［6］ IEC61312雷电电磁脉冲的防护［S］.