油气管道站场防感应雷击的设计

赵微

(中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

感应雷，是指雷电在放电的时候，由空中电磁场发生剧烈变化使得在金属导体上感应出一定的感应电压，主要通过电流形式，由电源进线侧、仪表、通信设备或数据传输系统进入电子设备内部，感应电流对附近金属物产生的电磁感应，主要侵害建筑物内的弱电系统[1]。根据油气管道站场的特点，雷电感应主要表现为电磁感应和电场感应，其中，电场感应表现为静电感应。

油气管道站场弱电设备防感应雷击系统， 是在直击雷有效防护的基础上进行设计，采用屏蔽、均压和接地等措施，并主要从电磁感应和静电感应方面进行防护。

中缅油气管道(贵州段)站场所处地区属于强雷区，雷电事故经常导致配电设备和用户设备的损坏，给生产生活带来严重影响。通过对该地区2015—2018年的防雷检测，油气管道雷电事故隐患点分布见表1所列。由表1可知，在电气设施、穿线管接地处易发生雷击，属于设备维护维修的隐患。

表1 油气管道雷电事故隐患点分布 个

1 弱电设备防感应雷击措施

1.1 电磁感应防护

1.1.1成因分析

当雷击入侵建筑物或入户线路时，首先通过接闪带等措施进行直击雷的防护，本文主要研究分析油气管道站场感应雷击，暂不考虑直击雷问题。闪电电流与高频电磁场会形成闪电电磁脉冲，当该电磁脉冲通过接地装置与空间敷设电磁场感应相耦合时，就会形成瞬间的过电压或过电流。该瞬态过电压或过电流会严重影响到仪表、通信设备的正常运行。

1.1.2防电磁感应措施

将需要保护和控制雷击电磁环境的建筑物空间，从外部到内部划分为多个不同的雷电防护区域(LPZ)，其目的为了限定各部分空间不同的闪电电磁脉冲强度，以明确各不同空间内被保护设备相应的防雷击电磁干扰水平。根据不同区域内防雷区的电磁环境特点，安装在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区交界面处的第一级电涌保护器安装应符合IEG 61643-1所规定的一级分类的试验产品，防止电磁脉冲对进入保护区前的配电设施处产生影响。在配电线路分配电箱、需要保护的设备，即仪表、通信设备等后续防护区交界处，设置Ⅱ类试验的电涌保护器作为第2级保护。油气管道站场防电磁感应原理如图1所示。其中，LPZ1区域是指本区内的各物体不可能遭受直接雷击的防雷区；U1和I1是指LPZ1区域中的防导入电涌的电压和电流，U0和I0是指LPZ1区域外部的(即雷电磁场强度远大于LPZ1区域)防导入电涌的电压和电流；H1指LPZ1区域防辐射磁场，H0指LPZ1区域外部的防辐射磁场。

该站场的弱电设备布置在综合设备间内，其外墙有钢筋或金属壁板等屏蔽措施，该区域内不可能遭受直接雷击，则界定该雷击区域为LPZ1区域，图1所示中需要保护的设备，采取一级、二级防护措施，通过加设电涌保护器，可以有效地降低电涌电压、电流值，达到了防电磁感应的目的。

图1 油气管道站场防电磁感应原理示意

1.2 静电感应防护

1.2.1成因分析

当发生雷击时，室内布置仪表、通信设备的综合设备间屋面在进行接闪时，电气线路上会产生极高的瞬态感应电压，并与雷云极性相反的电荷聚积到一段线路上，成为束缚电荷，在雷闪瞬间，又变为自由电荷，向线路两端活动，形成感应过电压，侵害设备[2]。

1.2.2防静电感应措施

通过分析雷电感应形成的原因，雷电感应是由于瞬间的感应过电压和感应过电流传递至另一个防雷区域，采取相应的屏蔽措施，可达到防雷效果。

通过屏蔽本区域内的感应过电压和过电流，首先确定线路屏蔽层的截面积Sc，计算如式(1)所示：

(1)

式中：If——流入屏蔽层的雷电流，kA；ρc——屏蔽层的电阻率，Ω·m；Lc——线路计算长度，m；Uw——线路所接仪表、通信设备的绝缘耐受电压额定值，取1.5 kV。

为降低线路受到雷电感应产生的过电压，还需要在电力电缆与弱电设备信号线缆之间采取适当的屏蔽措施，选择相应的敷设间距。仪表、通信等弱电设备的线缆或光缆与其他管线间距要求见表2所列，电力电缆敷设时，应大于最小间距，以达到屏蔽的作用。

为了防止静电感应产生的过电压，综合设备间内的电气及弱电设备的金属外壳、机柜、金属管、汇线槽、屏蔽线缆金属外层、电涌保护器接地端等均就近与室内接地网可靠连接，并做到均压即等电位连接。因此通信系统与场区防雷接地系统不存在电位差，即使受到静电感应，也不会对仪表、通信设备的电子原件产生影响。为了降低感应雷击的静电危害，该油气管道站场综合设备间内等电位连接的网格形结构采用M型如图2所示，保护的设备通过等电位连接导体与等电位连接网络的连接点进行连接，并接至共用接地系统。

图2 M型等电位连接的网格形结构示意

2 接地与等电位连接系统

油气管道站场接地系统做联合接地，接地型式采用TN-S系统。地线(PE线)连接设备金属外壳，正常状态无电流，安全可靠，抗干扰性强。在具有较多仪表、通信等弱电设备的综合设备间内，电气系统、自控、通信的保护接地及工作接地，防雷防静电接地共用同一接地装置，进而满足统一接地的要求，保证了室内等电位效果，不存在电位差，有效避免了感应雷的危害[5]。

室内采用等电位连接，能够把建筑物内所有的机柜及其他设备金属物与接地装置连接在一起，使整个建筑物不存在电位差，构成良好的等电位体，不会使仪表、通信机柜被高电位反击而受到雷电侵害。油气管道站场设备间等电位连接如图3 所示，各设备间连线的金属套管因为在防静电地板下，采用穿PVC管的方式进行保护。热镀锌扁钢规格为50 mm×5 mm，用来连接LEB等电位箱与站场接地网的接地贯通，如此各设备与整个站场不存在电位差，使其在同一个电位上，免受电磁感应和静电感应所带来的侵害。

图3 油气管道站场设备间等电位连接系统

3 结束语

油气管道站场仪表、通信等弱电设备，因电子器件较多，精密度较高，只有通过综合的防雷措施才能确保安全运行，提高防感应雷击能力。为了有效提升弱电设备的防感应雷能力，在直击雷有效防护的基础上，主要采用屏蔽、均压和接地的方式，并通过接地系统即等电位连接。采用该方案，该油气管道站场(贵州段)有效避免了站场内部受感应雷的侵害，保护了仪表、通信设备，确保了油气管道站场安全、可靠运行。