孫文華

（中國(guó)石油化工股份有限公司 中原油田分公司，河南 濮陽(yáng)457001）

某油氣田所處地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，平均雷暴日為37.1d／a，屬多雷區(qū)。雨季主要集中在5～9月份，進(jìn)入雷暴高發(fā)期，雷擊事故頻發(fā)。由于受地形、地貌影響，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)，局部可產(chǎn)生球形雷，極有可能對(duì)集氣站場(chǎng)的裝置及電力、電子信息控制系統(tǒng)造成極大的危害。某油氣田地表主要由黏土、泥巖、砂巖、碎石土等松散結(jié)構(gòu)組成，土壤電阻率較高，多在100～300Ω·m。

開發(fā)初期，建筑防雷大多通過(guò)安裝接閃桿、避雷網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，雷擊事件時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這一問(wèn)題，地面集輸工程按照“劃分區(qū)域、劃分類別、等級(jí)防護(hù)”的防雷理念，采用了防雷、防靜電和電磁脈沖聯(lián)合接地的模式，利用降阻劑和非金屬材料為主的ZGD型系列低電阻接地模塊，增大了接地體本身的散流面積，減少了接地體與土壤間的接觸電阻，對(duì)電力系統(tǒng)采用三級(jí)保護(hù)方式，起到了多重保護(hù)、層層設(shè)防的效果。

1 某油氣田防雷必要性

該氣田地面集輸工程具有“超深、高含H2S、高壓力、高產(chǎn)量”等特點(diǎn)。雷擊事故可能導(dǎo)致井噴、H2S泄漏、火災(zāi)爆炸、環(huán)境災(zāi)害、自然災(zāi)害等次生災(zāi)害事故。2012年7月8日，中石化股份有限公司位于四川閬中市的石龍6井因雷擊，造成井口抽油桿防噴盒密封失效，引發(fā)井噴著火事故。因地面集輸工程采用SCADA系統(tǒng)、DCS和RTU遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，其微電子器件應(yīng)用可靠性要求較高，故雷擊事件極易引發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)緊急關(guān)斷。這就要求微電子器件在防直擊雷、閃電感應(yīng)的基礎(chǔ)上，必須加強(qiáng)雷電電磁脈沖（LEMP）防護(hù)。

2 雷電的危害

雷電的危害主要來(lái)自直擊雷、雷擊電磁脈沖及閃電電涌侵入。

1）直擊雷的危害。直擊雷產(chǎn)生的強(qiáng)大電流、灼熱高溫和劇烈的沖擊性機(jī)械力，可以導(dǎo)致被擊物體結(jié)構(gòu)性破壞、損毀、燃燒、熔化、爆炸和人員傷亡等事故。

2）雷擊電磁脈沖危害。雷擊電磁脈沖屬于雷電的間接破壞，雖沒(méi)有直擊雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高。雷擊電磁脈沖不論雷云對(duì)地閃擊或者雷云對(duì)雷云之間閃擊，都可能發(fā)生并造成災(zāi)害。特別由雷電的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓比雷電的直接破壞具有更大的危害范圍。一次雷擊可以在較大范圍內(nèi)，在多個(gè)局部同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，并通過(guò)電力線、通信線等設(shè)施傳輸，損壞建筑物內(nèi)的信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備，甚至造成人員傷亡。另外其產(chǎn)生的火花如遇到易燃易爆物品，可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故。

3）閃電電涌侵入。由于雷電對(duì)架空線路或金屬管道的作用，沿這些管線侵入建筑物內(nèi)，危及人身安全或損壞設(shè)備。

3 防雷主要技術(shù)措施

地面集輸工程主要由集氣站、閥室、沖河（溝）跨越和隧道等組成，點(diǎn)多面廣，具有高度分散和相對(duì)集中的特點(diǎn)。

3.1 地面集輸工程防雷原理

某油氣田地面集輸工程防雷設(shè)計(jì)，具有全面、系統(tǒng)、多級(jí)防護(hù)的特點(diǎn)，采取了外部防雷、內(nèi)部防雷、過(guò)電壓保護(hù)等方式，對(duì)裝置（單元）界區(qū)內(nèi)接地實(shí)施工作接地、保護(hù)接地、防雷接地和防靜電接地聯(lián)合接地共網(wǎng)。

1）集氣站控制室通過(guò)與建筑物的主鋼筋連接，上端與接閃器、下端與地網(wǎng)、中間與各層均壓網(wǎng)或均壓環(huán)連接，對(duì)進(jìn)入控制室的各種金屬導(dǎo)體實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)，對(duì)具有特殊要求的各種不同地線進(jìn)行等電位處理，形成一個(gè)“法拉第籠式”接地系統(tǒng)，能有效消除地電位反擊效應(yīng)。

2）通信電纜線槽及地線線槽需用金屬屏蔽線槽，做等電位聯(lián)結(jié)，其布放應(yīng)盡量遠(yuǎn)離建筑物立柱或橫梁。通信電纜線槽以及線槽的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能避免與建筑物立柱或橫梁交叉布放。

3）電涌保護(hù)器是用以防護(hù)電子設(shè)備遭受雷電閃擊及其他干擾造成的傳導(dǎo)電涌過(guò)電壓的有效手段。進(jìn)出建筑物的電源線和通信線在不同的防雷區(qū)交界處及終端設(shè)備的前端，應(yīng)根據(jù) GB／T 19271.1—2003《雷電電磁脈沖的防護(hù)第1部分：通則》，安裝上不同類別的電涌保護(hù)器。

3.2 集氣站防雷技術(shù)措施

集氣站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際構(gòu)成可分為四大區(qū)域八大撬塊，主要由工藝裝置區(qū)（包括火炬）和控制室兩部分組成，其中工藝裝置區(qū)防雷參照GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》執(zhí)行，建構(gòu)筑物防雷根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，按一類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。集氣站裝置區(qū)和控制室防雷接地如圖1所示。

圖1 綜合防雷系統(tǒng)

3.2.1 工藝裝置區(qū)防雷

集氣站工藝裝置所有金屬管道、支架、容器均作了防雷、防靜電接地，包括加熱爐、燃料氣發(fā)電機(jī)、井口控制柜、甲醇撬塊、緩蝕劑撬塊、分離器等，共用1個(gè)接地系統(tǒng)（環(huán)形閉合）。埋地金屬管道在管線兩端作防靜電和防感應(yīng)雷接地，在電動(dòng)閥每2個(gè)接地點(diǎn)之間（間距不大于30m）設(shè)置防雷、防靜電接地裝置，在架空和地上管溝敷設(shè)的管線及其相關(guān)設(shè)備始端、末端、分支處及直線段（每隔200m），設(shè)防靜電和防感應(yīng)雷的接地裝置，接地電阻阻值均不大于10Ω。

在裝置區(qū)的傳感器、H2S檢測(cè)儀、火焰探測(cè)儀、可燃?xì)怏w檢測(cè)儀、手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警裝置等自動(dòng)儀表控制系統(tǒng)上，安裝了與設(shè)備耐壓水平相適應(yīng)的過(guò)電壓電涌保護(hù)。電涌保護(hù)器接地端采用截面積不小于1.5mm2的銅芯導(dǎo)線與設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)的局部等電位端子板連接，且接地線保持平直。

3.2.2 控制室防雷

控制室內(nèi)部由電力系統(tǒng)和儀表自控系統(tǒng)組成，防雷設(shè)計(jì)應(yīng)從防直擊雷、感應(yīng)雷和過(guò)電壓保護(hù)等三個(gè)部分考慮。為防直擊雷，控制室設(shè)接閃帶沿屋頂四周設(shè)置 （圓鋼，直徑不小于8mm），接閃帶支架高宜為0.1m，直線間距為1m，拐角間距0.5m。沿控制室四角設(shè)防雷引下線，每根引下線的沖擊接地電阻不大于10Ω，利用10mm×5mm的熱鍍鋅扁鋼沿房屋四面及頂組成0.5mm×0.5mm金屬網(wǎng)格作屏蔽，頂部與接閃帶可靠連接，底部與中控室靜電地板下高頻接地網(wǎng)相連，將進(jìn)出建筑物的各種金屬管道及電纜橋架和戶外防雷接地裝置可靠連接。

3.2.3 放空火炬防雷

各集氣站的放空火炬與集氣站的工藝裝置區(qū)保持符合規(guī)定的安全距離，采用火炬本體作引下線的方式可靠接地。接地扁鐵與火炬采用焊接連接，接地電阻阻值小于10Ω。

3.2.4 電力系統(tǒng)防雷

電力系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的系統(tǒng)引入，供電系統(tǒng)采用TN－S。電源線路采用三級(jí)保護(hù)的方式防雷。

1）電源線路一級(jí)防護(hù)采用電源接閃器，安裝在高壓進(jìn)線的前端，使用10／350μs波形、通流容量100kA／線的B級(jí)電源電涌保護(hù)器，將感應(yīng)雷擊過(guò)電壓限制到2 000V以下。所有接線采用截面積為16mm2多股銅線連接，地線采用截面積為25mm2多股銅線連接。

2）電源線路二級(jí)防護(hù)采用8／20μs波形、通流容量40kA／線的電源電涌保護(hù)器，將4kV的線路殘余感應(yīng)雷擊過(guò)電壓限制到2kV以下。電涌保護(hù)器安裝在低壓配電裝置上，連接相線端采用截面積為10mm2銅導(dǎo)線，電涌保護(hù)器接地端連接線采用截面積為16mm2銅導(dǎo)線。

3）電源線路三級(jí)防護(hù)采用8／20μs波形、通流容量20kA／線的電源電涌保護(hù)器，將感應(yīng)雷擊過(guò)電壓限制到1 500V以下。電涌保護(hù)器安裝在負(fù)荷側(cè)配電箱進(jìn)線端開關(guān)處，連接相線端采用截面積為6mm2銅導(dǎo)線，電涌保護(hù)器接地端連接線采用截面積為10mm2銅導(dǎo)線。

3.2.5 通信、計(jì)算機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)防雷

地面集輸工程采用了先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)、DCS和RTU遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。為了有效地確保通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，必須全面強(qiáng)化雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)。

根據(jù)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)線路的工作電壓、接口連接形式特性阻抗、信號(hào)傳輸速率或工作頻率及傳輸介質(zhì)等參數(shù)，選用了插入損耗低、閥值電壓不超過(guò)線路峰值工作電壓2.0倍的電涌保護(hù)器。其接地端采用截面積為2.5mm2的多股絕緣導(dǎo)線單點(diǎn)連接至PE匯集線上，從匯集線再用截面積為4mm2的絕緣導(dǎo)線連接至機(jī)房保護(hù)接地網(wǎng)?？刂剖矣?jì)算機(jī)系統(tǒng)的交流工作地、直流工作地、安全保護(hù)地和電涌保護(hù)器接地采用四位一體接地設(shè)計(jì)，其接地電阻阻值小于1Ω。

根據(jù)DCS模塊的工作電壓、工作電流、頻率，對(duì)進(jìn)入控制室的信號(hào)數(shù)據(jù)線所連接的工藝設(shè)備加裝信號(hào)電涌保護(hù)器。根據(jù)DCS網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓24V、浪涌電流1.5kA、設(shè)備耐壓40V的要求，選用由放電管、雪崩二極管、電阻及電感組成的兩級(jí)保護(hù)。放電管主要用于旁路泄放暫態(tài)大電流；雪崩二極管主要用于箝位限壓。

根據(jù)集氣站視頻監(jiān)視系統(tǒng)的視頻信號(hào)線路、解碼器控制信號(hào)線路和攝像頭供電線路的性能參數(shù)，從前端、線路部分、終端三大塊進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，其防雷過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)選擇插入損耗小、回波損耗大的電涌保護(hù)器。

3.3 閥室防雷

集輸工程管道跨越區(qū)域廣，共有閥室47座，主要由儀表室和截?cái)嗍覂刹糠纸M成。防爆區(qū)域劃分為防爆和非防爆區(qū)域。

閥室的防雷防護(hù)對(duì)象主要是直擊雷和感應(yīng)雷。接閃帶沿屋頂四周（圓鋼，直徑不小于8mm）布設(shè)，引下線沿控制室四周均勻設(shè)置，接地體采用獨(dú)立閉合接閃網(wǎng)。儀表間的進(jìn)線柜和閥組間固定式H2S檢測(cè)儀、可燃?xì)怏w檢測(cè)儀均安裝有電涌保護(hù)器。

3.4 跨越防雷

跨越屬于集輸管道的一部分，因地勢(shì)較低，管線壁厚大于4mm，不需專門設(shè)置接閃桿，僅需在架空管線（跨越處）始末端設(shè)置防雷、防靜電共用接地網(wǎng)。接地網(wǎng)采用ZGD型系列低電阻接地模塊降低接地電阻阻值，通過(guò)扁鐵焊接和斷接卡連接，接地電阻阻值不大于10Ω。

3.5 集輸系統(tǒng)防雷接地網(wǎng)

集輸系統(tǒng)采用接地閉合環(huán)網(wǎng)的方式，通過(guò)降阻劑和ZGD型系列低電阻接地模塊（如圖2所示），起到良好接地效果。接地線埋深距地面700mm，接地線間、接地線、接地極間采用焊接連接，地下部分接地線與接地極、接地線之間采用焊接方式并涂防腐材料，地上部分采用壓接方式。接地干線及支線采用加強(qiáng)防腐鍍鋅扁鋼（50mm×5mm）。

圖2 ZGD型系列低電阻接地模塊示意

3.5.1 集氣站接地網(wǎng)

集氣站共設(shè)4個(gè)接地閉合環(huán)網(wǎng)：控制室設(shè)置2個(gè)、工藝裝置區(qū)設(shè)置1個(gè)、火炬設(shè)置1個(gè)，并通過(guò)接地模塊（模塊間距大于5m）減小接地電阻。信號(hào)接地網(wǎng)將信號(hào)回路接地端及屏蔽接地端連接，其接地電阻阻值不大于1Ω（GB／T 50311—2000《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》）。電力避雷接地網(wǎng)接地電阻阻值不大于10Ω，與信號(hào)接地網(wǎng)間距3m以上。

3.5.2 閥室接地網(wǎng)

閥室采用閉合接地網(wǎng)，通過(guò)ZGD型系列低電阻接地模塊（模塊間距大于5m）減小接地電阻。

3.5.3 跨越接地網(wǎng)

跨越采用接地線，在跨越的兩端聯(lián)合接地并安裝接地模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）某油氣田所在區(qū)域?qū)俑咄寥离娮杪实貐^(qū)，以采用降阻劑和非金屬材料為主的ZGD型系列低電阻接地模塊，增大了接地體本身的散流面積，減少了接地體與土壤間的接觸電阻，增強(qiáng)了吸濕保濕能力，減小了接地電阻。

2）地面集輸工程自投用以來(lái)，未發(fā)生一次雷電事故，防雷防護(hù)效果得到了充分驗(yàn)證。

3）采用防雷、防靜電、電氣設(shè)備和電磁脈沖聯(lián)合接地模式，有效地提高了防雷安全系數(shù)。

4）注意防雷裝置的日常維護(hù)。對(duì)接閃桿、接閃帶、支架、接地引下線、接地裝置等部件進(jìn)行防銹和除銹處理，并定期檢查電涌保護(hù)器的使用情況，做好每年雷雨季之前防雷、防靜電設(shè)施的技術(shù)檢測(cè)。

［1］中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［2］四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.GB 50343—2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］中國(guó)石油化工集團(tuán)公司.GB 50650—2011石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

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［5］陳再君.淺談天然氣場(chǎng)站防雷防靜電裝置檢查［J］.價(jià)值工程，2011（18）：63.

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［9］黃旭.《石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》編制中若干問(wèn)題的探討［J］.電氣應(yīng)用，2012（11）：42－48.

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