天然氣長輸管道閥室雷擊事故技術(shù)分析

胡銳俊，鄭琳斌，武 寧，余安然

（1.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東 廣州 510640；2.白云區(qū)氣象局，廣東 廣州 510000；3.陽江市氣象局，廣東 佛山 528000）

雷電是一種常見的大氣放電現(xiàn)象。由于雷電釋放的能量相當(dāng)大，它所產(chǎn)生的強大電流、灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應(yīng)給人們帶來了多種危害。自然界雷擊主要有直接雷擊和雷擊電磁脈沖2 類，根據(jù)受害物的特點及作用機理不同，雷電可通過熱效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、電動力效應(yīng)、電磁效應(yīng)、地電位反擊、跨步電壓作用、過電壓波侵入等方式產(chǎn)生危害。目前全國已建成的天然氣長輸管道橫貫東西南北，沿線場站、閥室密布，管線所經(jīng)地域地理位置差異巨大，有的地方雷雨頻繁，很容易受到雷電的影響。一旦天然氣場站遭受雷電襲擊，尤其是設(shè)備或者電氣控制系統(tǒng)在運行的過程中受到雷電的襲擊，損失難以估量，產(chǎn)生的后果難以想象。

國內(nèi)天然氣場站設(shè)備及電氣控制系統(tǒng)防雷防護問題探析較多，主要是還是在于天然氣站場閥室的儀表設(shè)備方面，而對于雷電安全技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的研究還較為缺乏[1-6]。本文對2019-07-17 廣東省境內(nèi)的天然氣長輸管道某閥室的雷電災(zāi)害事故進行技術(shù)分析，通過閥室周圍地理環(huán)境分析、閃電時空分布特點分析和雷擊對機房電磁環(huán)境分析來進行雷災(zāi)事故剖析，并根據(jù)分析結(jié)論提出改進雷電防護措施的建議。

1 事故回顧

2019-07-17，廣東省境內(nèi)的天然氣長輸管道某閥室值班人員約14：30 聽到強烈的雷聲，并看到有閃電光柱發(fā)生在擋土圍墻上部金屬護欄處，通過空氣擊穿竄入RTU 機柜旁的空地，當(dāng)時機柜間內(nèi)設(shè)備的金屬外殼的空氣間隙部分產(chǎn)生電火花。該次雷電造成站外架空供電線路陶瓷絕緣端子損壞，RTU 機柜內(nèi)空調(diào)插座損壞，機柜間門口處聲光報警器被雷電引起的過電壓擊穿。

2 資料來源

粵港澳閃電定位系統(tǒng)（Guangdong -Hongkong-Macao Lightning Location System，GHMLLS）由廣東省、香港、澳門三地氣象部門從2005 年開始共同建設(shè)，截至2007 年共建成了6 個探測子站（采用IMPACT 探頭）。2012 年粵港澳閃電定位系統(tǒng)新增11 個探測子站。新建設(shè)的探測站采用ⅤAISALA 公司的LS-700X 系列探頭，能同時探測地閃和云閃（對云閃的理論探測效率為40%～50%），從而提高了對珠江三角洲區(qū)域內(nèi)雷電活動的探測能力。2018 年粵港澳閃電定位系統(tǒng)采用LS-700X 系列探頭全部取代了原有的IMPACT 探頭，并新增了2 個子站。粵港澳閃電定位系統(tǒng)采用時差方向綜合定位方法，探測參量包括閃電放電的GPS時間、經(jīng)緯度、強度、云閃/地閃識別和極性等。

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 天氣過程分析

2019-07-11T13：54：00 雷雨云團于廣西梧州市南部地區(qū)生成，自西往東移動，地閃發(fā)生區(qū)域逐漸由廣西梧州一帶移動到廣東云浮西北、肇慶西南部交界地區(qū)，于15：42 左右逐步移出云浮西北、肇慶西南部交界地區(qū)。結(jié)合報稱事故發(fā)生時間約為14：35，根據(jù)粵港澳閃電定位系統(tǒng)記錄，將該閥室周邊地區(qū)14：00—15：00 時間段雷電活動情況進行分析，分別繪制了廣東省14：00 和14：48 的閃電定位分布圖，如圖1 所示。

圖1 廣東省14：00 和14：48 閃電定位圖

經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2019-07-11T14：00—2019-07-11T 15：00 在該閥室1 km 范圍內(nèi)共記錄地閃3 個，如圖2所示。根據(jù)雷電定位數(shù)據(jù)分析于14：43：48在23.271°N、111.498°E 處，發(fā)生2 次回?fù)簦?4：39：18 在23.279°N、111.499°E 處，發(fā)生1 次回?fù)?。其中?4：39：18（1號）發(fā)生的位置在目標(biāo)點北方約312.6 m 處，雷電流強度為-14 kA，在14：43：48（2 號和3 號）發(fā)生的位置在目標(biāo)點南方約599.1 m 和573.6 m 處，雷電流強度為-10 kA 和-24 kA。

圖2 2019-07-11T14：00—15:00 閥室1 km 范圍閃電定位分布圖

根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)時間確認(rèn)和現(xiàn)場雷擊位置方位確定該次雷電發(fā)生的具體時間為2019-07-11T11：43：48，位置為23.279°N、111.499°E，雷電流強度為24 kA。

3.2 閥室雷電安全防護現(xiàn)狀分析

3.2.1 直擊雷防護措施

該閥室的閥組間、RTU 機柜間均利用金屬屋面作接閃器，利用金屬結(jié)構(gòu)柱與人工接地裝置，并用不銹鋼作螺栓緊固連接，護土圍墻上部安裝鍍鋅扁鋼作接閃帶，共設(shè)6 處防雷接地引下線，現(xiàn)場設(shè)備檢測接地電阻值范圍為4～6.6 Ω。

3.2.2 等電位、屏蔽防護措施

該閥室的閥組間利用不銹扁鋼從接地網(wǎng)中引出作為接地端子；工藝設(shè)備利用6 mm2絕緣銅絞線與接地電阻進行等電位連接；機柜間內(nèi)設(shè)置等電位接地母排，機柜等設(shè)備均利用該母排與接地裝置進行電氣連接；高頻開關(guān)柜內(nèi)的電源總進線利用線纜屏蔽層與機柜進行等電位連接。

3.2.3 低壓電源浪涌保護器（SPD）

目前該閥室的高頻開關(guān)內(nèi)安裝了一套低壓浪涌保護器，該SPD 作為第一級、第二級電源開關(guān)起保護作用。

3.3 電氣設(shè)備及弱電系統(tǒng)分析

該閥室的電氣設(shè)備及弱電系統(tǒng)所在的建筑物都在直擊雷防護措施保護范圍內(nèi)，因而雷電對該站電氣設(shè)備及弱電系統(tǒng)的危害主要是通過以下3 種途徑使電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生損害：雷電電磁場直接作用于設(shè)備上的效應(yīng)；通過連接導(dǎo)線傳導(dǎo)感應(yīng)浪涌；雷電流泄放時，在設(shè)備、線路及接地系統(tǒng)間產(chǎn)生高電位差。

3.4 雷電電磁場影響分析

雷電電磁場中雷電流產(chǎn)生的磁場對線路和設(shè)備影響較大，而雷電電場影響通常較小，雷電產(chǎn)生的磁場與雷電流有相同波形。建筑物內(nèi)一般敷設(shè)有各種線纜、管道，這些線路和管道常常會在建筑物內(nèi)構(gòu)成不同空間的環(huán)路，在雷擊發(fā)生時，設(shè)備及線路上會耦合出瞬時高壓或瞬時大電流。當(dāng)雷電電磁脈沖的干擾磁感應(yīng)強度超過191.04 A/m 時，弱電設(shè)備出現(xiàn)故障，因此弱電系統(tǒng)若抗擾水平不足，在遭受雷電為伴隨產(chǎn)生的磁場效應(yīng)時，可能會被損壞或誤動作。

3.5 雷擊RTU 機柜間電磁環(huán)境影響分析

磁場強度的衰減按下列方法計算。

閃電擊于建筑物以外附近時，LPZ0 區(qū)磁場強度（H0）按下式計算：

式（1）中：i0為雷電流，A；Sa為雷擊點到屏蔽空間中心的距離，m。

LPZ1 區(qū)內(nèi)的磁場強度按式（2）計算：

根據(jù)LPZ0 區(qū)磁場強度計算H1可得，3 次雷擊最近點造成LPZ1 區(qū)內(nèi)磁場強度分別為4.208 A/m、3.452 A/m、3.125 A/m。

通過分析計算和實地勘查，該RTU 機柜間首先利用金屬結(jié)構(gòu)建筑物作為屏蔽層，電源線利用金屬槽屏蔽，機柜用金屬屏蔽，機柜良好接地，因而機柜間內(nèi)設(shè)備抗電磁干擾能力較強，符合雷電防護要求。

4 結(jié)束語

本文分析了一起廣東省云浮市郁南縣某天然氣管道閥室雷擊事故案例，通過結(jié)合閃電定位系統(tǒng)、雷達(dá)資料和現(xiàn)場勘查得出以下結(jié)論：①2019-07-11T 11：00—15：00，某天然氣管道閥室遭受強強對流過程，在11：43：48 遭受一次雷電流強度為24 kA 的負(fù)地閃導(dǎo)致事故發(fā)生。②此次事故導(dǎo)致雷擊閥室外架空供電線路陶瓷絕緣端子損壞，閥室內(nèi)RTU 機柜內(nèi)空調(diào)插座損壞，機柜間門口處聲光報警器被雷電引起的過電壓擊穿。③按照雷電流峰值24 kA 計算得到，RTU機柜間內(nèi)設(shè)備抗電磁干擾能力較強，符合雷電防護要求；但雷擊點的架空供電線路上的最大過電壓為2 400 kⅤ，因為未進行線路埋地處理，該線路進入機房將造成設(shè)備損壞。④該閥室現(xiàn)場接地電阻測量結(jié)果最大值為6.6 Ω，雷擊閥室外架空供電線路點上的入地瞬間入地點的最大電壓為158.4 kⅤ。此電勢差足以擊穿所有設(shè)備和線路的絕緣保護，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的安全。