天然氣場站自動(dòng)控制系統(tǒng)防雷接地技術(shù)研究

陳蘇東

（湖北省天然氣發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430000）

1 引言

隨著天然氣工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，天然氣場站的處理計(jì)量設(shè)備向自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。場站內(nèi)各種智能化設(shè)備采用電纜方式連接供電和傳輸數(shù)據(jù)，無法承載過大的電流和電壓，絕緣強(qiáng)度較低。當(dāng)智能儀表自身或周邊區(qū)域受到雷擊時(shí)，雷電所產(chǎn)生的高強(qiáng)度電流、電壓和電磁場通過線路管道、電纜線、電源線等不同的路徑傳輸至儀表設(shè)備內(nèi)，影響設(shè)備的正常工作[1-3]。天然氣場站應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的防雷電防電涌等防護(hù)措施，若防護(hù)措施出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致智能化儀器儀表無法正常運(yùn)行，測量數(shù)據(jù)顯示出錯(cuò)，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備會產(chǎn)生重大損壞，甚至產(chǎn)生工作人員傷亡和安全生產(chǎn)事故[4,5]。因此，在正確評估雷擊對自動(dòng)控制系統(tǒng)危害程度的基礎(chǔ)上，天然氣場站必須設(shè)計(jì)合理的防雷接地保護(hù)措施，保障場站的正常安全生產(chǎn)。

2 雷擊對自動(dòng)控制系統(tǒng)的危害原理

2.1 直擊雷電

當(dāng)現(xiàn)場智能化儀表或者與其相連接的電纜等線路被雷電直接擊中時(shí)，儀表設(shè)備內(nèi)部的電路板、傳感元件等模塊會遭受不同程度的損壞。雷電電流沿著儀表連接管流向大地時(shí)，形成高強(qiáng)度的感應(yīng)磁場，通過儀表電纜傳輸至控制室，破壞控制室內(nèi)的控制裝置。

2.2 雷電感應(yīng)

雷電形成云團(tuán)時(shí)，地面上導(dǎo)電設(shè)備表面大量電荷會聚集在一起產(chǎn)生靜電感應(yīng)，電荷量到達(dá)一定程度時(shí)發(fā)生放電，當(dāng)放電電流流入智能儀表內(nèi)部時(shí)，對設(shè)備內(nèi)部電子元件造成損壞。

雷電電流通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場向周邊輻射電磁波，控制室內(nèi)的控制裝置、計(jì)算機(jī)、電路及智能化儀表受到電磁波影響，產(chǎn)生感應(yīng)電流，對儀表設(shè)備造成不同程度的破壞，甚至導(dǎo)致自動(dòng)控制系統(tǒng)癱瘓。

2.3 反擊電流

雷電電流通過防雷裝置的引下線進(jìn)入接地裝置時(shí)，由于地面本身存在一定的電阻，強(qiáng)大的電流無法短時(shí)間內(nèi)流入地下被釋放，導(dǎo)致接地裝置與地面之間的接觸位置電勢急劇升高。當(dāng)周圍的接地裝置與此點(diǎn)距離較近時(shí)，較高的電勢差產(chǎn)生較大的反擊電流，直接擊穿周圍用電設(shè)備的絕緣裝置，影響自動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.4 過電壓侵入

直擊雷電和感應(yīng)雷電均會在金屬設(shè)備表面產(chǎn)生過電壓，過電壓在電勢差的作用下向儀表設(shè)備內(nèi)部流入，儀表設(shè)備內(nèi)部在過電壓的高電位影響下，測量功能失效，電路遭到破壞。

2.5 其他危害因素

在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)大型用電設(shè)備切換投運(yùn)、啟動(dòng)、停運(yùn)時(shí)，電網(wǎng)內(nèi)會產(chǎn)生較大瞬態(tài)的浪涌過電壓，成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的最大威脅。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)防雷保護(hù)措施

3.1 直擊雷防護(hù)技術(shù)

在雷電損壞天然氣場站自動(dòng)控制系統(tǒng)的事故中，直擊雷損壞所占比例最高，危害破壞程度較大。針對直擊雷的主要防護(hù)方法是設(shè)置接閃桿，將雷電吸引至接閃桿上并引導(dǎo)其流入地下。接閃桿主要結(jié)構(gòu)為連接桿、避雷針、引下線和接地線等，如圖1所示。接閃桿的保護(hù)范圍可按照滾球法進(jìn)行計(jì)算，一般接閃桿設(shè)置在天然氣場站內(nèi)相對的兩角或者四角處，要求站場內(nèi)所有裝置在保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)直擊雷電流流至站外天然氣管道上時(shí)，直擊雷電流可通過管道流入站內(nèi)設(shè)備上，為避免此種情況發(fā)生，站內(nèi)與站外的管道連接處應(yīng)設(shè)置絕緣法蘭等絕緣措施。

圖1 接閃桿結(jié)構(gòu)

3.2 接地保護(hù)技術(shù)

防雷防電涌工程中，接地作為極其重要的環(huán)節(jié)發(fā)揮著不可替代的作用。在自動(dòng)控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)與施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立接地系統(tǒng)，選擇接地種類、接地連接方式、接線方式等。接地裝置設(shè)置時(shí)，應(yīng)盡量降低接地體的電阻，加快電流向大地釋放過程，減小接地線的長度，縮短雷電電流流動(dòng)釋放距離。天然氣場站所在的土壤具有一定的腐蝕性，在設(shè)置接地系統(tǒng)之前應(yīng)提前測量土壤的酸堿度。土壤的基本組成和基本性質(zhì)如果較為復(fù)雜，應(yīng)設(shè)計(jì)特殊的接地工藝或者采用降阻劑，并且在易腐蝕的薄弱點(diǎn)設(shè)置防腐蝕措施。

3.3 反擊電流保護(hù)技術(shù)

對于雷電產(chǎn)生的反擊電流，可將天然氣廠站內(nèi)的智能化儀表外殼、電氣裝置、金屬設(shè)備、控制箱等采用導(dǎo)線連接在一起形成等電位連接，如圖2所示。當(dāng)各個(gè)設(shè)備電位相等時(shí)，則不會產(chǎn)生反擊電流，有效防止反擊電流擊穿設(shè)備事故的發(fā)生。

圖2 等電位連接技術(shù)

3.4 浪涌保護(hù)技術(shù)

當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)電流大幅波動(dòng)時(shí)，浪涌保護(hù)器可為智能化儀表、電氣設(shè)備、傳輸電纜等設(shè)備提供電流安全保護(hù)。當(dāng)線路中突然出現(xiàn)過高的電壓或電流時(shí)，浪涌保護(hù)器可對峰值電流進(jìn)行快速分流使電流回歸至正常水準(zhǔn)，從而有效避免浪涌損壞電網(wǎng)中的其他儀器儀表，其工作原理如圖3所示。

圖3 浪涌保護(hù)器工作原理

4 結(jié)論

分析了雷擊對天然氣場站自動(dòng)控制系統(tǒng)的危害原理，提出了自動(dòng)控制系統(tǒng)具體的防雷保護(hù)措施。得到以下結(jié)論：

（1）雷擊對自動(dòng)控制系統(tǒng)的危害原理主要分為直擊雷電、雷電感應(yīng)、反擊電流、過電壓侵入及其他危害因素，雷電感應(yīng)分為靜電感應(yīng)和脈沖電磁輻射。直擊雷損壞所占比例最高，危害破壞程度較大。

（2）雷擊危害原理主要與雷電電流和電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場干擾有關(guān)。

（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)防雷保護(hù)措施主要有直擊雷保護(hù)技術(shù)、接地保護(hù)技術(shù)、反擊電流保護(hù)技術(shù)、浪涌保護(hù)技術(shù)等。防雷保護(hù)原理主要為引雷入地、設(shè)備連接等電位、電流分流等。