海洋石油平臺(tái)防雷設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

張輝 孟毅 賈紅濤 楊志彬（.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司；.滄州海事局）

海洋石油平臺(tái)防雷設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

張輝1孟毅2賈紅濤2楊志彬2（1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司；2.滄州海事局）

海洋石油平臺(tái)防雷是系統(tǒng)工程，應(yīng)綜合采取外部防雷和內(nèi)部防雷措施，同時(shí)與陸地常規(guī)做法有所不同。海洋平臺(tái)的外部防雷一般無需專設(shè)接閃器和引下線，可以鋼結(jié)構(gòu)本身兼做接閃器和引下線，但頂部有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備時(shí)應(yīng)設(shè)接閃器保護(hù)設(shè)備；內(nèi)部防雷要綜合采取屏蔽、等電位連接、線纜敷設(shè)和浪涌保護(hù)器等措施防止雷擊電磁脈沖入侵。經(jīng)工程實(shí)際檢測(cè)，防雷保護(hù)設(shè)施動(dòng)作效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

海洋平臺(tái)；防雷設(shè)計(jì)；浪涌保護(hù)器；沖擊電流

1 海洋平臺(tái)雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

海洋石油平臺(tái)矗立在空曠的海面上進(jìn)行油氣生產(chǎn)作業(yè)，一般都是爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所，其裝置規(guī)模大、露天化布置，生產(chǎn)區(qū)域彌漫著爆炸性氣體混合物，危險(xiǎn)程度很大；海洋平臺(tái)上的井架、容器、泵和管架等金屬物暴露在室外，遭雷擊概率很大；海洋平臺(tái)裝置自動(dòng)化程度高，規(guī)?；碾娮有畔⑾到y(tǒng)和儀器儀表的使用和多點(diǎn)布設(shè)，更增加了雷擊對(duì)平臺(tái)裝備設(shè)施的潛在危害。根據(jù)國(guó)家氣象局監(jiān)測(cè)，我國(guó)海上平均雷暴日普遍高于臨近陸地，對(duì)海上油氣生產(chǎn)造成重大安全隱患，如何防止雷擊災(zāi)害事故的發(fā)生顯得尤為重要。

2 防雷設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)的雷擊防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)綜合考慮外部防雷和內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)，見圖1。外部防雷主要防直擊雷，通過設(shè)置接閃器、引下線和接地裝置，將強(qiáng)大的雷電流迅速引導(dǎo)入地（海）；內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)要綜合考慮屏蔽、等電位連接、線纜敷設(shè)和布線、浪涌保護(hù)器（SPD）的設(shè)置。

海洋石油平臺(tái)的防雷設(shè)計(jì)主要遵循防雷設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、石油石化行業(yè)的防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及中國(guó)船級(jí)社頒布的建造規(guī)范，主要標(biāo)準(zhǔn)包括：GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50650—2011《石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際工程案例分別對(duì)海洋平臺(tái)的外部防雷設(shè)計(jì)和內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

圖1 海洋平臺(tái)綜合防雷系統(tǒng)

2.1 外部防雷設(shè)計(jì)

建筑物應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，將防雷要求分為三類[1]。海洋石油平臺(tái)至少應(yīng)按照第二類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，具有0區(qū)或20區(qū)爆炸危險(xiǎn)區(qū)的海洋平臺(tái)應(yīng)按照第一類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

一套完整的防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。近海油氣開采普遍采用的固定式導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿入泥深度較深（可達(dá)百米），樁腿上部沉浸在海水里，其接地電阻很低，效果良好，因此平臺(tái)樁腿可兼做接地裝置。

1）接閃器。石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范推薦利用生產(chǎn)設(shè)備的金屬實(shí)體作為防直擊雷的接閃器，

用作接閃器的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)為整體封閉、焊接結(jié)構(gòu)的金屬靜設(shè)備；轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備不應(yīng)用作接閃器[2]。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)平臺(tái)，上部構(gòu)件同平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)形成了固有的對(duì)地低電阻通路，故不需另設(shè)避雷系統(tǒng)。

2）引下線。陸地建筑物防雷的常規(guī)做法一般都專設(shè)引下線，規(guī)范要求專設(shè)引下線與人員活動(dòng)區(qū)域之間的距離應(yīng)不小于3 m，事實(shí)上這在海洋平臺(tái)上很難實(shí)現(xiàn)。海洋石油平臺(tái)一般為鋼結(jié)構(gòu)焊接型式，鋼結(jié)構(gòu)壁厚均大于4 mm，高聳鋼結(jié)構(gòu)（如鉆井井架、火炬臂等）底部與平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)可靠焊接，可以利用平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)作為引下線。

2.2 內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)的內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)主要從等電位連接、屏蔽與布線、浪涌保護(hù)器的設(shè)置3個(gè)方面考慮。

1）等電位連接。海洋石油平臺(tái)整體為鋼結(jié)構(gòu)焊接型式，平臺(tái)本身即為一個(gè)等電位體，設(shè)備外殼以及電纜鎧裝層等均已按要求有效接地，能夠有效限制接觸電壓和跨步電壓，保護(hù)人員和設(shè)備安全。

2）屏蔽與布線。海洋平臺(tái)的中控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的主要設(shè)備均布置在設(shè)備房間內(nèi)，設(shè)備房間為大空間屏蔽鋼結(jié)構(gòu)，屏蔽效果良好；海洋平臺(tái)電力電纜均采用鎧裝電纜，電纜端頭均已有效接地。這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)體現(xiàn)了對(duì)電磁屏蔽的重視，事實(shí)證明對(duì)雷電電磁脈沖的抑制效果良好。

3）浪涌保護(hù)器的配置。浪涌保護(hù)器是對(duì)平臺(tái)上的各種電子設(shè)備、儀表、通訊系統(tǒng)提供安全防護(hù)的重要裝置，當(dāng)電氣回路或者通信線路中因雷擊而突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時(shí)，浪涌保護(hù)器能在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對(duì)回路中其他設(shè)備的損害。國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-1和歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 6199-4-5分別以10/350 μs和8/20 μs來描述模擬直擊雷和感應(yīng)雷電流的測(cè)試波形，見圖2。

圖2 直擊雷和感應(yīng)雷模擬波形

雷擊產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓很高，為有效保護(hù)平臺(tái)電氣系統(tǒng)和信息系統(tǒng)安全，應(yīng)將其進(jìn)行分級(jí)防護(hù)，使過電壓逐步減小至無害水平。將建筑物的保護(hù)空間分成幾個(gè)防雷分區(qū)（LPZS），在線路由一個(gè)分區(qū)進(jìn)入到另一個(gè)分區(qū)處安裝浪涌保護(hù)器，按照不同分區(qū)的具體要求安裝相應(yīng)等級(jí)的浪涌保護(hù)器。

3 案例分析

渤海某石油平臺(tái)上新建海事雷達(dá)站，在主甲板上架設(shè)雷達(dá)塔架，雷達(dá)設(shè)備布置在底部設(shè)備房間內(nèi)。項(xiàng)目實(shí)施后雷達(dá)塔高于平臺(tái)上其他設(shè)備高度，遭雷擊的可能性尤其大，需對(duì)雷達(dá)天線進(jìn)行直擊雷防護(hù)。由于本項(xiàng)目新增的雷達(dá)天線、微波天線等設(shè)備接入平臺(tái)現(xiàn)有電氣系統(tǒng)和中控系統(tǒng)，防止雷擊電磁脈沖和雷電波入侵對(duì)平臺(tái)電氣和中控系統(tǒng)的影響是防雷設(shè)計(jì)的另一重點(diǎn)。

3.1 接閃器

3.1.1 選型設(shè)計(jì)

按照第一類防雷建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，滾球半徑取30 m，塔架頂部設(shè)置接閃器保護(hù)設(shè)備和人員安全。海洋平臺(tái)上推薦使用耐海水和鹽霧腐蝕的不銹鋼或鋁合金接閃器。為降低整個(gè)塔架荷載和接閃器的風(fēng)載，考慮采用單根接閃器，接閃器位置示意如圖3所示，雷達(dá)塔頂部平臺(tái)布置如圖4所示。

圖3 雷達(dá)天線接閃器位置示意

雷達(dá)天線安裝高度（含底座）h=1.9 m，接閃器與雷達(dá)天線之間距離L1=0.76 m，雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)半徑R=2.93 m，經(jīng)估算，接閃器突出保護(hù)物高度L2至少應(yīng)大于2.23 m。經(jīng)計(jì)算采用6 m長(zhǎng)單根接閃器。

圖4 雷達(dá)塔頂部平臺(tái)布置

3.1.2 保護(hù)范圍計(jì)算

根據(jù)GB 50057標(biāo)準(zhǔn)，使用滾球法計(jì)算所選用的6 m接閃器的保護(hù)范圍（圖5）。接閃器在hx高度xx′平面上的保護(hù)半徑計(jì)算公式：

式中：h——接閃器高度，m；

hx——被保護(hù)物高度，m；

hr——滾球半徑（一類防雷建筑物），m；

rx——被保護(hù)高度上保護(hù)范圍截面半徑，m。

圖5 滾球法計(jì)算接閃器保護(hù)范圍

3.2 浪涌保護(hù)器的選型和設(shè)計(jì)

項(xiàng)目中除了平臺(tái)已有的等電位連接和屏蔽措施以外，合理設(shè)置浪涌保護(hù)器是雷擊電磁脈沖防護(hù)的關(guān)鍵措施。

1）浪涌保護(hù)器沖擊電流。根據(jù)GB 50343標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)采用屏蔽線路時(shí)，LPZ0和LPZ1界面處每條電源線路的浪涌保護(hù)器的沖擊電流應(yīng)取大于或等于12.5 kA。

2）浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)。雷達(dá)天線電源和天饋線穿入底部設(shè)備間，電力電纜從LPZ1區(qū)穿入LPZ0B區(qū)，應(yīng)在交界處的電源配電箱內(nèi)裝設(shè)第一級(jí)SPD（B級(jí)），在雷達(dá)天線電源出線回路開關(guān)裝設(shè)第二級(jí)SPD（C級(jí)）進(jìn)一步降低沖擊電壓；但由于設(shè)備房間空間有限，無法滿足一、二級(jí)保護(hù)器級(jí)間10 m安裝距離的要求，因此選用了B+C級(jí)復(fù)合型浪涌保護(hù)器。B+C級(jí)復(fù)合型電涌保護(hù)器電涌泄放能力大，電壓保護(hù)水平低，可節(jié)省兩級(jí)保護(hù)器之間的退耦器的安裝，優(yōu)化導(dǎo)線連接。雷達(dá)天線電源進(jìn)線端裝設(shè)第三級(jí)浪涌保護(hù)，所選用的前1級(jí)SPD的參考電壓要比后1級(jí)SPD高,前1級(jí)SPD的通流容量要比后1級(jí)大,兩級(jí)SPD之間要保持一定距離,這樣能量配合才比較合理,提高防雷可靠性[3]。

4 結(jié)論

海洋石油平臺(tái)的防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，要全面綜合采取措施，海上雷擊頻率和強(qiáng)度普遍較高，平臺(tái)上既有高聳的井架、露天布置的機(jī)械設(shè)備、容器，又集電氣設(shè)備、儀表通信設(shè)備及各種大型生產(chǎn)設(shè)備于一體，其防雷設(shè)計(jì)全面而復(fù)雜，稍有疏忽即可能導(dǎo)致雷擊災(zāi)害，對(duì)人身安全和安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重隱患。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)海洋平臺(tái)作業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例進(jìn)行了系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)（外部防雷和內(nèi)部防雷）采取了切實(shí)可行的防雷措施，既合理減少投資,又取得較好的防雷效果，為海洋平臺(tái)的新建和改擴(kuò)建項(xiàng)目防雷設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。

[1]林維勇,黃友根，焦興學(xué)，等.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50057—2010[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：8-9.

[2]黃旭,俞俊人，周勇，等.石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50650-2011[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：11-13.

[3]王祥，王朝暉.石油化工行業(yè)電力電子系統(tǒng)防雷要點(diǎn)[J].石油化工自動(dòng)化，2008（3）：89-90.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.021

2016-05-25

（編輯 杜麗華）

張輝，工程師，2008年畢業(yè)于山東大學(xué)，從事海洋工程電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhanghui.cpoe@cnpc.com，地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街23號(hào)豐和大廈，100028。