城镇燃气自控系统安全防雷措施探究

摘要：随着科技的高速发展以及城镇燃气企业的数字化转型，城镇燃气自控系统（包括场站现场仪表系统、SCADA系统及安防系统）设备的数字化、精密化程度越来越高，对防雷技术的要求也越来越严格。现阐述了雷电对城镇燃气自控系统的危害形式，分析了自控系统容易遭受雷击破坏的原因，在此基础上提出了几点防雷电破坏的安全措施。

关键词：城镇燃气;雷击;自控系统;防雷措施

0 引言

雷电是一种常见的灾害性天气现象，在春夏季节频频发生，其在极短的放电瞬间产生极高的电压与瞬间极大电流，伴随产生的高磁场和高辐射对各类建筑物、通信系统、自动控制系统、计算机网络等均有极大的破坏作用，甚至会危及人们的生命和财产安全。城镇燃气自控系统（包括场站现场仪表系统、SCADA系统及安防系统）是保障城市安全可靠供气的重要设施，其分布点多面广，涉及千家万户的用气安全，而这些系统设备大部分安装在野外场站的露天环境下，容易遭受雷击破坏，不仅会造成重大的经济损失，还会给城镇燃气管网运行带来重大的安全隐患，严重时甚至会造成火灾或爆炸事故。因此，城镇燃气自控系统必须高度重视雷电的影响，对易遭受雷击的设备采取相关防雷措施，避免或减小雷击的破坏，保障城镇燃气的安全运行。

1 雷电对城镇燃气自控系统的危害形式

雷电从形式上可分为直接雷击和感应雷击两种[1]，对城镇燃气自控系统可能产生的危害分为下列三种：

（1）直接雷击。雷电直接击中城镇燃气门站、调压站或阀室等现场露天安装的仪表设备，主要损坏电动阀门、流量计、变送器、燃气泄漏探测仪、监控摄像仪等仪器仪表的传感器部件和控制主板。

（2）感应雷击。城镇燃气门站、调压站或阀室等均设置有避雷针（塔）或避雷线，因防雷设计或安装不合理，当接雷闪时，在引下线及接地地网内会通过强大的瞬间电流，对周围一定范围内电缆产生电磁感应;或者雷电流在其通道周围的空间产生强大的电磁场，向外辐射电磁波，耦合到附近各类电子仪表设备以及各类金属导体上，感应出很高的瞬间过电压，通过金属管道、电缆就可能将高电位引入自控系统，造成各类设备故障或损坏，甚至使自控系统瘫痪失灵。

直接雷击或感应雷击都可能使城镇燃气门站、调压站或阀室等现场的金属导线或金属管道產生过电压，过电压沿各种金属管道、电缆线路将高电位引入调度中心的自控系统，对系统造成干扰甚至使设备损坏。

（3）雷电反击[2]。避雷针（塔）或避雷线等避雷装置接雷闪时，引导强大的雷电流流入大地。在此过程中，雷电流在它的引下线、接地体、接地网以及与它们相连接的金属导体上会瞬间产生非常高的电压，如果周围自控系统设备及其接地体与这些避雷装置没有足够的安全距离，两者之间就会出现很高的电压并发生放电现象，可直接击穿自控系统仪器仪表及连接电缆的绝缘部分，对自控系统产生干扰乃至使系统设备损坏。

2 城镇燃气自控系统遭受雷击的缺陷分析

城镇燃气自控系统各仪器仪表设备大部分安装在室外露天环境，如果没有严格按照规范进行设计、安装和验收，非常容易遭受雷击的破坏。针对城镇燃气自控系统频频遭受雷击破坏的现象进行分析，发现这些系统容易遭受雷击的缺陷主要表现在如下几个方面：

（1）避雷装置安装不合格。城镇燃气门站、调压站、阀室设置的独立避雷针（塔）或架空避雷线的支柱及其接地装置与被保护建筑物、管道、电缆等金属物之间的距离过小，不符合防雷规范的要求，使避雷装置变成“引雷装置”，危害装置周围的建筑物和相关设备设施。

（2）防雷接地不合格。仪器仪表、连接电缆的屏蔽层或金属套管未安装接地装置，或者接地装置的接地电阻过大，远大于相关规范中接地电阻小于4 Ω的要求。

（3）自控系统没有安装电涌保护装置（SPD）。给自控系统供电的配电房、配电柜没有安装电涌保护装置，各仪器仪表设备的电源端和信号端也没有安装电涌保护装置，无法将强大的雷电流泄流入地，使自控系统的设备设施遭受雷击而损坏。

（4）自控系统中的设备设施不符合等电位连接要求。部分设备设施未进行等电位连接，无法将雷电造成的高电位差迅速消除，使设备受到损坏。

（5）防感应雷击的屏蔽设施不完善。自控系统的设备非常精密，对雷电极为敏感，即使几千米以外的高空雷闪或对地雷闪，都有可能导致这些自控系统的薄弱环节（如计算机CPU）受到损坏或误动作。根据国外资料介绍，3×10-6 T（0.03 Gs）的磁感应强度可造成计算机误动，2.4×10-4 T（2.4 Gs）的磁感应强度即可使元件击穿，造成永久损坏。另外，无屏蔽保护的电缆也有可能传导雷电感应电波。

3 城镇燃气自控系统防雷电破坏的安全措施

通过对雷电危害形式和城镇燃气自控系统防雷缺陷的分析，可以认识到造成城镇燃气自控系统遭受雷电破坏的原因是多方面的。所以，要保护自控系统免受雷击破坏，必须针对雷电危害入侵途径，将各种可能产生雷击的因素排除，采用综合防治措施，才能将雷害减小到最低限度。下面结合工作经验对城镇燃气自控系统的安全防雷措施展开具体探讨。

3.1    按照规范要求完善防雷接闪装置

接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电按照防雷系统的规定通道，一般是避雷针（塔）或避雷线，将雷电能量泄放到大地中去，城镇燃气各门站、调压站及阀室安装的避雷针（塔）或避雷线，必须严格按照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）[3]的要求进行设计安装，避雷针（塔）或避雷线的支柱及其接地装置与被保护建筑物、设备设施、管道、电缆等金属物之间必须保证有足够的间隔距离，最小安全净距不得小于3 m，避雷针（塔）或避雷线应设立独立的接地装置，接地电阻应小于10 Ω。另外，城镇燃气各门站、调压站及阀室的集中放空管在雷击时也可能起到“引雷”的作用，应设置一个阻值不大于10 Ω的接地网与其相连接，确保安全防雷无盲区。

3.2    做好设备设施接地及等电位连接

做好设备设施接地及等电位连接，可以减少自控系统受到雷电反击的危害。城镇燃气各门站、调压站及阀室生产现场所有金属（包括金属围栏、风向标、灭火器柜等）必须全部接地，所有仪器仪表全部接地，防雷、防静电、接地保护共用一套接地装置，采用联合接地形式。接地电阻必须小于4 Ω，接地地网可采用增加地网面积、使用降阻剂、打深井的方式降低接地电阻。对于等电位连接，所有少于5颗连接螺栓的法兰用铜片进行跨接;平行安装（敷设）的间距小于100 mm的金属管道，每间隔不大于25 m应采用金属导线跨接，交叉间距小于100 m的金属管道应采用金属导线跨接;将場站生产现场所有仪表外壳和生产装置的金属设施用金属导线连接在一起，并与防雷接地系统相连接;将自控系统机房内的设备及组件、元件的金属外壳和金属设施用金属导线连接在一起，并与机房的等电位排和防雷接地系统相连接，形成完善的等电位连接。

3.3    完善屏蔽设施

利用屏蔽体防止雷电强电磁场影响电子设备是一种有效的防护措施。城镇燃气调度中心机房是自控系统的“心脏”，在整个系统中有着重要地位。机房四周墙壁可以用镀锌钢板铺设，机房地面设主接地汇流排，接地汇流排的材料采用合适的铜片并良好接地，所有机柜内接地均接入接地汇流排内;机房内设备柜为金属柜，应做好等电位接地处理，机房内所有的金属屏蔽套、壳等均需要接地。

采用上述手段处理后，雷电对机房的影响就主要体现在进出电屏柜的电源和信号线路，包括机房与场站现场仪表设备连接的电源和信号线路，需要对线路进行屏蔽，一般的屏蔽方式是采用带金属屏蔽层的铠装线路电缆，套管采用金属套管，禁止采用PVC套管和塑料软管。将铠装层和屏蔽层接地，线路屏蔽层应全程导通，防止出现中间中断，应将屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地，金属套管也必须接地;现场未接地处理的仪表外壳可采用金属仪表箱实现防雷屏蔽，仪表的信号线和电源线的套管也必须采用金属套管，仪表箱和金属套管要与其他现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。

3.4    设置电涌保护器（SPD）

首先，对系统的电源线路设置电源电涌保护器，一个完善的系统配电线路防雷击方案应从总配电、分配电、重要设备配电等方面全面考虑。第一级电源电涌保护器的标称冲击电流不小于12.5 kA/线（10/350 μs），电压保护水平Up不能大于2.5 kV，要求具有相线对地线、中线对地线的保护功能;设备前端电涌保护器的标称冲击电流≥5 kA/线（8/20 μs），残压≤1.25 kV，要求具有相线对地线、中线对地线的保护功能。这样能保证将电涌隔离在系统之外。

其次，对自控系统的信号线路设置信号电涌保护器，用以限制瞬间过电压和浪涌电流，对无法实现屏蔽的信号线加以保护。信号电涌保护器的泄放电流不小于5 kA/线（8/20 μs），残压、频率、阻抗、接口应满足信号传输要求。

4 结语

本文提出了防雷电破坏的几点安全措施，其在实际运用中被证明是可行的，减少了雷击对城镇燃气自控系统的破坏，具有很好的推广价值。

鉴于雷击对城镇燃气自控系统的破坏较大，会影响燃气管网的安全运行，因此，在燃气工程建设中必须高度重视防雷设计和防雷设施的安装，要做到合理可靠，符合规范，避免出现防雷缺陷;同时，在日常工作中，对防雷设备设施的维护保养、定期检查也是非常重要的，只有这样才能避免城镇燃气自控系统遭受雷击破坏，保证燃气管网的安全运行，保障人民群众的生命、财产安全。

[参考文献]

[1] 王琳，张彦生，宋红蓉.浅谈电力系统的安全防雷[J].山西科技，2011，26（5）：128-129.

[2] 吴建欣，燕荣江，吴宏.雷电反击的分析与探讨[J].现代科技：现代物业，2010，9（5）：27-29.

[3] 建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010[S].

收稿日期：2021-04-06

作者简介：李振悦（1971—），男，广东梅州人，工程师，从事天然气管道的规划、施工及运营管理工作。