油气田集输自控系统的防雷设计

孙文华

（中国石油化工股份有限公司 中原油田分公司，河南 濮阳457001）

某油气田所处地区属亚热带湿润气候，平均雷暴日为37.1d／a，属多雷区。雨季主要集中在5～9月份，进入雷暴高发期，雷击事故频发。由于受地形、地貌影响，发生强对流天气时，局部可产生球形雷，极有可能对集气站场的装置及电力、电子信息控制系统造成极大的危害。某油气田地表主要由黏土、泥岩、砂岩、碎石土等松散结构组成，土壤电阻率较高，多在100～300Ω·m。

开发初期，建筑防雷大多通过安装接闪杆、避雷网进行防护，雷击事件时有发生。针对这一问题，地面集输工程按照“划分区域、划分类别、等级防护”的防雷理念，采用了防雷、防静电和电磁脉冲联合接地的模式，利用降阻剂和非金属材料为主的ZGD型系列低电阻接地模块，增大了接地体本身的散流面积，减少了接地体与土壤间的接触电阻，对电力系统采用三级保护方式，起到了多重保护、层层设防的效果。

1 某油气田防雷必要性

该气田地面集输工程具有“超深、高含H2S、高压力、高产量”等特点。雷击事故可能导致井喷、H2S泄漏、火灾爆炸、环境灾害、自然灾害等次生灾害事故。2012年7月8日，中石化股份有限公司位于四川阆中市的石龙6井因雷击，造成井口抽油杆防喷盒密封失效，引发井喷着火事故。因地面集输工程采用SCADA系统、DCS和RTU远程终端控制系统，其微电子器件应用可靠性要求较高，故雷击事件极易引发自动控制系统紧急关断。这就要求微电子器件在防直击雷、闪电感应的基础上，必须加强雷电电磁脉冲（LEMP）防护。

2 雷电的危害

雷电的危害主要来自直击雷、雷击电磁脉冲及闪电电涌侵入。

1）直击雷的危害。直击雷产生的强大电流、灼热高温和剧烈的冲击性机械力，可以导致被击物体结构性破坏、损毁、燃烧、熔化、爆炸和人员伤亡等事故。

2）雷击电磁脉冲危害。雷击电磁脉冲属于雷电的间接破坏，虽没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高。雷击电磁脉冲不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。特别由雷电的静电感应与电磁感应所产生的暂态过电压比雷电的直接破坏具有更大的危害范围。一次雷击可以在较大范围内，在多个局部同时产生感应过电压，并通过电力线、通信线等设施传输，损坏建筑物内的信息系统和电气设备，甚至造成人员伤亡。另外其产生的火花如遇到易燃易爆物品，可能引发火灾和爆炸事故。

3）闪电电涌侵入。由于雷电对架空线路或金属管道的作用，沿这些管线侵入建筑物内，危及人身安全或损坏设备。

3 防雷主要技术措施

地面集输工程主要由集气站、阀室、冲河（沟）跨越和隧道等组成，点多面广，具有高度分散和相对集中的特点。

3.1 地面集输工程防雷原理

某油气田地面集输工程防雷设计，具有全面、系统、多级防护的特点，采取了外部防雷、内部防雷、过电压保护等方式，对装置（单元）界区内接地实施工作接地、保护接地、防雷接地和防静电接地联合接地共网。

1）集气站控制室通过与建筑物的主钢筋连接，上端与接闪器、下端与地网、中间与各层均压网或均压环连接，对进入控制室的各种金属导体实施等电位联结，对具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理，形成一个“法拉第笼式”接地系统，能有效消除地电位反击效应。

2）通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线槽，做等电位联结，其布放应尽量远离建筑物立柱或横梁。通信电缆线槽以及线槽的设计应尽可能避免与建筑物立柱或横梁交叉布放。

3）电涌保护器是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其他干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。进出建筑物的电源线和通信线在不同的防雷区交界处及终端设备的前端，应根据 GB／T 19271.1—2003《雷电电磁脉冲的防护第1部分：通则》，安装上不同类别的电涌保护器。

3.2 集气站防雷技术措施

集气站根据现场实际构成可分为四大区域八大撬块，主要由工艺装置区（包括火炬）和控制室两部分组成，其中工艺装置区防雷参照GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》执行，建构筑物防雷根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的规定，按一类防雷建筑物进行设计。集气站装置区和控制室防雷接地如图1所示。

图1 综合防雷系统

3.2.1 工艺装置区防雷

集气站工艺装置所有金属管道、支架、容器均作了防雷、防静电接地，包括加热炉、燃料气发电机、井口控制柜、甲醇撬块、缓蚀剂撬块、分离器等，共用1个接地系统（环形闭合）。埋地金属管道在管线两端作防静电和防感应雷接地，在电动阀每2个接地点之间（间距不大于30m）设置防雷、防静电接地装置，在架空和地上管沟敷设的管线及其相关设备始端、末端、分支处及直线段（每隔200m），设防静电和防感应雷的接地装置，接地电阻阻值均不大于10Ω。

在装置区的传感器、H2S检测仪、火焰探测仪、可燃气体检测仪、手动火灾报警装置等自动仪表控制系统上，安装了与设备耐压水平相适应的过电压电涌保护。电涌保护器接地端采用截面积不小于1.5mm2的铜芯导线与设备机房内的局部等电位端子板连接，且接地线保持平直。

3.2.2 控制室防雷

控制室内部由电力系统和仪表自控系统组成，防雷设计应从防直击雷、感应雷和过电压保护等三个部分考虑。为防直击雷，控制室设接闪带沿屋顶四周设置 （圆钢，直径不小于8mm），接闪带支架高宜为0.1m，直线间距为1m，拐角间距0.5m。沿控制室四角设防雷引下线，每根引下线的冲击接地电阻不大于10Ω，利用10mm×5mm的热镀锌扁钢沿房屋四面及顶组成0.5mm×0.5mm金属网格作屏蔽，顶部与接闪带可靠连接，底部与中控室静电地板下高频接地网相连，将进出建筑物的各种金属管道及电缆桥架和户外防雷接地装置可靠连接。

3.2.3 放空火炬防雷

各集气站的放空火炬与集气站的工艺装置区保持符合规定的安全距离，采用火炬本体作引下线的方式可靠接地。接地扁铁与火炬采用焊接连接，接地电阻阻值小于10Ω。

3.2.4 电力系统防雷

电力系统采用相互独立的系统引入，供电系统采用TN－S。电源线路采用三级保护的方式防雷。

1）电源线路一级防护采用电源接闪器，安装在高压进线的前端，使用10／350μs波形、通流容量100kA／线的B级电源电涌保护器，将感应雷击过电压限制到2 000V以下。所有接线采用截面积为16mm2多股铜线连接，地线采用截面积为25mm2多股铜线连接。

2）电源线路二级防护采用8／20μs波形、通流容量40kA／线的电源电涌保护器，将4kV的线路残余感应雷击过电压限制到2kV以下。电涌保护器安装在低压配电装置上，连接相线端采用截面积为10mm2铜导线，电涌保护器接地端连接线采用截面积为16mm2铜导线。

3）电源线路三级防护采用8／20μs波形、通流容量20kA／线的电源电涌保护器，将感应雷击过电压限制到1 500V以下。电涌保护器安装在负荷侧配电箱进线端开关处，连接相线端采用截面积为6mm2铜导线，电涌保护器接地端连接线采用截面积为10mm2铜导线。

3.2.5 通信、计算机和监控系统防雷

地面集输工程采用了先进的SCADA系统、DCS和RTU远程控制系统。为了有效地确保通信网络的安全运行，必须全面强化雷击防护设计。

根据局域网数据信号线路的工作电压、接口连接形式特性阻抗、信号传输速率或工作频率及传输介质等参数，选用了插入损耗低、阀值电压不超过线路峰值工作电压2.0倍的电涌保护器。其接地端采用截面积为2.5mm2的多股绝缘导线单点连接至PE汇集线上，从汇集线再用截面积为4mm2的绝缘导线连接至机房保护接地网。控制室计算机系统的交流工作地、直流工作地、安全保护地和电涌保护器接地采用四位一体接地设计，其接地电阻阻值小于1Ω。

根据DCS模块的工作电压、工作电流、频率，对进入控制室的信号数据线所连接的工艺设备加装信号电涌保护器。根据DCS网络标称电压24V、浪涌电流1.5kA、设备耐压40V的要求，选用由放电管、雪崩二极管、电阻及电感组成的两级保护。放电管主要用于旁路泄放暂态大电流；雪崩二极管主要用于箝位限压。

根据集气站视频监视系统的视频信号线路、解码器控制信号线路和摄像头供电线路的性能参数，从前端、线路部分、终端三大块进行防雷设计，其防雷过电压保护应选择插入损耗小、回波损耗大的电涌保护器。

3.3 阀室防雷

集输工程管道跨越区域广，共有阀室47座，主要由仪表室和截断室两部分组成。防爆区域划分为防爆和非防爆区域。

阀室的防雷防护对象主要是直击雷和感应雷。接闪带沿屋顶四周（圆钢，直径不小于8mm）布设，引下线沿控制室四周均匀设置，接地体采用独立闭合接闪网。仪表间的进线柜和阀组间固定式H2S检测仪、可燃气体检测仪均安装有电涌保护器。

3.4 跨越防雷

跨越属于集输管道的一部分，因地势较低，管线壁厚大于4mm，不需专门设置接闪杆，仅需在架空管线（跨越处）始末端设置防雷、防静电共用接地网。接地网采用ZGD型系列低电阻接地模块降低接地电阻阻值，通过扁铁焊接和断接卡连接，接地电阻阻值不大于10Ω。

3.5 集输系统防雷接地网

集输系统采用接地闭合环网的方式，通过降阻剂和ZGD型系列低电阻接地模块（如图2所示），起到良好接地效果。接地线埋深距地面700mm，接地线间、接地线、接地极间采用焊接连接，地下部分接地线与接地极、接地线之间采用焊接方式并涂防腐材料，地上部分采用压接方式。接地干线及支线采用加强防腐镀锌扁钢（50mm×5mm）。

图2 ZGD型系列低电阻接地模块示意

3.5.1 集气站接地网

集气站共设4个接地闭合环网：控制室设置2个、工艺装置区设置1个、火炬设置1个，并通过接地模块（模块间距大于5m）减小接地电阻。信号接地网将信号回路接地端及屏蔽接地端连接，其接地电阻阻值不大于1Ω（GB／T 50311—2000《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》）。电力避雷接地网接地电阻阻值不大于10Ω，与信号接地网间距3m以上。

3.5.2 阀室接地网

阀室采用闭合接地网，通过ZGD型系列低电阻接地模块（模块间距大于5m）减小接地电阻。

3.5.3 跨越接地网

跨越采用接地线，在跨越的两端联合接地并安装接地模块。

4 结束语

1）某油气田所在区域属高土壤电阻率地区，以采用降阻剂和非金属材料为主的ZGD型系列低电阻接地模块，增大了接地体本身的散流面积，减少了接地体与土壤间的接触电阻，增强了吸湿保湿能力，减小了接地电阻。

2）地面集输工程自投用以来，未发生一次雷电事故，防雷防护效果得到了充分验证。

3）采用防雷、防静电、电气设备和电磁脉冲联合接地模式，有效地提高了防雷安全系数。

4）注意防雷装置的日常维护。对接闪杆、接闪带、支架、接地引下线、接地装置等部件进行防锈和除锈处理，并定期检查电涌保护器的使用情况，做好每年雷雨季之前防雷、防静电设施的技术检测。

［1］中国机械工业联合会.GB 50057—2010建筑物防雷设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［2］四川省住房和城乡建设厅.GB 50343—2012建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］中国石油化工集团公司.GB 50650—2011石油化工装置防雷设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［4］孙凯.防雷装置SPD产品的分级设计［D］.长春：吉林大学，2007.

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