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(yáng)江市氣象局，廣東 佛山 528000）

雷電是一種常見(jiàn)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(qiáng)大電流、灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場(chǎng)和強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)給人們帶來(lái)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(diǎn)及作用機(jī)理不同，雷電可通過(guò)熱效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、電動(dòng)力效應(yīng)、電磁效應(yīng)、地電位反擊、跨步電壓作用、過(guò)電壓波侵入等方式產(chǎn)生危害。目前全國(guó)已建成的天然氣長(zhǎng)輸管道橫貫東西南北，沿線場(chǎng)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(chǎng)站遭受雷電襲擊，尤其是設(shè)備或者電氣控制系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)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(guó)內(nèi)天然氣場(chǎng)站設(shè)備及電氣控制系統(tǒng)防雷防護(hù)問(wèn)題探析較多，主要是還是在于天然氣站場(chǎng)閥室的儀表設(shè)備方面，而對(duì)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(duì)2019-07-17 廣東省境內(nèi)的天然氣長(zhǎng)輸管道某閥室的雷電災(zāi)害事故進(jìn)行技術(shù)分析，通過(guò)閥室周圍地理環(huán)境分析、閃電時(shí)空分布特點(diǎn)分析和雷擊對(duì)機(jī)房電磁環(huán)境分析來(lái)進(jìn)行雷災(zāi)事故剖析，并根據(jù)分析結(jié)論提出改進(jìn)雷電防護(hù)措施的建議。

1 事故回顧

2019-07-17，廣東省境內(nèi)的天然氣長(zhǎng)輸管道某閥室值班人員約14：30 聽(tīng)到強(qiáng)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(hù)欄處，通過(guò)空氣擊穿竄入RTU 機(jī)柜旁的空地，當(dāng)時(shí)機(jī)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(jī)柜內(nèi)空調(diào)插座損壞，機(jī)柜間門口處聲光報(bào)警器被雷電引起的過(guò)電壓擊穿。

2 資料來(lái)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(kāi)始共同建設(shè)，截至2007 年共建成了6 個(gè)探測(cè)子站（采用IMPACT 探頭）。2012 年粵港澳閃電定位系統(tǒng)新增11 個(gè)探測(cè)子站。新建設(shè)的探測(cè)站采用ⅤAISALA 公司的LS-700X 系列探頭，能同時(shí)探測(cè)地閃和云閃（對(duì)云閃的理論探測(cè)效率為40%～50%），從而提高了對(duì)珠江三角洲區(qū)域內(nèi)雷電活動(dòng)的探測(cè)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(gè)子站?；浉郯拈W電定位系統(tǒng)采用時(shí)差方向綜合定位方法，探測(cè)參量包括閃電放電的GPS時(shí)間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度、云閃/地閃識(shí)別和極性等。

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 天氣過(guò)程分析

2019-07-11T13：54：00 雷雨云團(tuán)于廣西梧州市南部地區(qū)生成，自西往東移動(dòng)，地閃發(fā)生區(qū)域逐漸由廣西梧州一帶移動(dòng)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(bào)稱事故發(fā)生時(shí)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(shí)間段雷電活動(dòng)情況進(jìn)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(jì)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(gè)，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(hào)）發(fā)生的位置在目標(biāo)點(diǎn)北方約312.6 m 處，雷電流強(qiáng)度為-14 kA，在14：43：48（2 號(hào)和3 號(hào)）發(fā)生的位置在目標(biāo)點(diǎn)南方約599.1 m 和573.6 m 處，雷電流強(qiáng)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(chǎng)系統(tǒng)時(shí)間確認(rèn)和現(xiàn)場(chǎng)雷擊位置方位確定該次雷電發(fā)生的具體時(shí)間為2019-07-11T11：43：48，位置為23.279°N、111.499°E，雷電流強(qiáng)度為24 kA。

3.2 閥室雷電安全防護(hù)現(xiàn)狀分析

3.2.1 直擊雷防護(hù)措施

該閥室的閥組間、RTU 機(jī)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(hù)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(chǎng)設(shè)備檢測(cè)接地電阻值范圍為4～6.6 Ω。

3.2.2 等電位、屏蔽防護(hù)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(jìn)行等電位連接；機(jī)柜間內(nèi)設(shè)置等電位接地母排，機(jī)柜等設(shè)備均利用該母排與接地裝置進(jìn)行電氣連接；高頻開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的電源總進(jìn)線利用線纜屏蔽層與機(jī)柜進(jìn)行等電位連接。

3.2.3 低壓電源浪涌保護(hù)器（SPD）

目前該閥室的高頻開(kāi)關(guān)內(nèi)安裝了一套低壓浪涌保護(hù)器，該SPD 作為第一級(jí)、第二級(jí)電源開(kāi)關(guān)起保護(hù)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(hù)措施保護(hù)范圍內(nèi)，因而雷電對(duì)該站電氣設(shè)備及弱電系統(tǒng)的危害主要是通過(guò)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(chǎng)直接作用于設(shè)備上的效應(yīng)；通過(guò)連接導(dǎo)線傳導(dǎo)感應(yīng)浪涌；雷電流泄放時(shí)，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(chǎng)影響分析

雷電電磁場(chǎng)中雷電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)線路和設(shè)備影響較大，而雷電電場(chǎng)影響通常較小，雷電產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(huì)在建筑物內(nèi)構(gòu)成不同空間的環(huán)路，在雷擊發(fā)生時(shí)，設(shè)備及線路上會(huì)耦合出瞬時(shí)高壓或瞬時(shí)大電流。當(dāng)雷電電磁脈沖的干擾磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)191.04 A/m 時(shí)，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(chǎng)效應(yīng)時(shí)，可能會(huì)被損壞或誤動(dòng)作。

3.5 雷擊RTU 機(jī)柜間電磁環(huán)境影響分析

磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減按下列方法計(jì)算。

閃電擊于建筑物以外附近時(shí)，LPZ0 區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度（H0）按下式計(jì)算：

式（1）中：i0為雷電流，A；Sa為雷擊點(diǎn)到屏蔽空間中心的距離，m。

LPZ1 區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度按式（2）計(jì)算：

根據(jù)LPZ0 區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算H1可得，3 次雷擊最近點(diǎn)造成LPZ1 區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為4.208 A/m、3.452 A/m、3.125 A/m。

通過(guò)分析計(jì)算和實(shí)地勘查，該RTU 機(jī)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(jī)柜用金屬屏蔽，機(jī)柜良好接地，因而機(jī)柜間內(nèi)設(shè)備抗電磁干擾能力較強(qiáng)，符合雷電防護(hù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)結(jié)合閃電定位系統(tǒng)、雷達(dá)資料和現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，在11：43：48 遭受一次雷電流強(qiáng)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(jī)柜內(nèi)空調(diào)插座損壞，機(jī)柜間門口處聲光報(bào)警器被雷電引起的過(guò)電壓擊穿。③按照雷電流峰值24 kA 計(jì)算得到，RTU機(jī)柜間內(nèi)設(shè)備抗電磁干擾能力較強(qiáng)，符合雷電防護(hù)要求；但雷擊點(diǎn)的架空供電線路上的最大過(guò)電壓為2 400 kⅤ，因?yàn)槲催M(jìn)行線路埋地處理，該線路進(jìn)入機(jī)房將造成設(shè)備損壞。④該閥室現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量結(jié)果最大值為6.6 Ω，雷擊閥室外架空供電線路點(diǎn)上的入地瞬間入地點(diǎn)的最大電壓為158.4 kⅤ。此電勢(shì)差足以擊穿所有設(shè)備和線路的絕緣保護(hù)，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的安全。