天然气调压站防雷工程设计方案

1、南京气象学院毕业论文系别：电子工程系专业：电孑信息工程（防雷与电磁兼容方向）姓名： 吴萌 学号 200405252论文题目 天然气调压站防雷工程设计方案指导老师巫尊群二OO四年五月二十日天然气调压站防富工程设计吴萌南京气象学院电子工程系摘要 本方案通过对天然气调压站实地勘测，进行包括防直击雷，雷电波侵入及雷 击电磁脉冲干扰等方面的系统防雷工程设计。关键字天然气防雷工程设计一、引言雷电是一种发生在大气层中的声、光、电物理现象。雷电灾害是客观存 在的自然灾害，有史以来雷电给人类的生活、工作带来很大的影响。雷击释 放的强大的瞬间脉冲电流产生巨大的热能、机械能并诱发脉冲过电压、过电 流，这对建筑物、人

2、畜以及电子、微电子设备会造成干扰和永久性损坏。十余年前，黄岛油库因雷电防护措施不完善而受雷击引起爆炸，所导致 的损失难以计数。2002年7月15日，岱山原油中转站遭受连续雷击，击坏 控制室可编程序控制模块（PLC）数台，现场雷达液位计三台，火焰探测器数 台，视频监控探头两台等设备，影响了中转站的正常运行，造成损失。因此 对于天然气站、油库、加油站等具有爆炸危险环境的建（构）筑物的雷电防 护显得尤为重要。二、概述天然气调压站分布在天然气管网沿线，是天然气输配系统的一部分。天 然气输配系统包括生产、转运、销售三个过程。调压站是转运过程中的重要 环节，它的主要任务是将天然气门站输送过来的高压力（40

3、kg/mm2、 16kg/mm2）天然气降压后送至天然气销售公司，继而送入千家万户。上海地处北纬31度10分、东经121度26分。年平均雷暴日达49.9天/ 年，属雷击多发地区。上海每年因雷击而造成建筑物毁坏，人员伤亡，设备损 坏以及各种通信、监控系统、计算机网络等信息系统通信中断、系统瘫痪的 事例常有发生。上海淞滨路天然气调压站是上海天然气管网系统数拾个调压站中的一 个，每个调压站的现场布置和设备配置基本一致。该站位于上海松江区，周 围环境空旷，无高层建筑物。在雷击发生时可能造成地面管索区燃气泄漏，引起燃烧乃至爆炸。现场 仪表和调压站仪控室内的可编程序控制系统（PLC）也很有可能遭受雷击，致

4、 使仪表失控，通信中断，影响天然气管网系统的正常运行，所以需对天然气 调压站进行雷电防护。三、雷电危害及侵入的主要途径雷电危害主要由直击雷击和雷击电磁脉冲干扰产生。1、直击雷雷电直接击中建筑物或暴露在空间的各种设备、各种架空金属线缆（如 电力电缆、通信线路、网络布线等），会产生热效应、冲击波及电动力效应。 它可能在数微秒之内产生数万伏乃至数拾万伏的高压，引起火花放电，形成 巨大的热能和机械能量，摧毁建筑物、设备，危及人身安全。2、雷击电磁脉冲干扰雷击电磁脉冲包括雷电的静电感应、电磁感应、地电位反击和引入高电 位。雷电放电时，由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场， 使附近导体上感应出

5、很高的电动势，产生强大的雷击电磁脉冲，经感性耦合、 容性耦合或电磁辐射产生脉冲过电压和过电流损坏有关设备。由于直击雷在建筑物及其直击雷防护装置或其附近入地时，在地网上会 产生高电位，这高电位通过电力系统的零线、保护接地线和通信系统的地线 引入室内，当设备没有采取等电位接地措施的情况下，由于各接地系统本身 的接地途径不同，冲击接地电阻差异，以及在泄放雷击电流时，所通过的雷 击电流存在差异，导致地电位升高和不平衡，当地电位差超过设备的抗电强 度时，即引起反击，损坏设备。高电位引入地电位反击四、雷电防护措施现代防雷技术是一个系统工程。强调全方位防护、综合治理、层层设防的 原则，除了架设防直击雷设施（

6、避雷针、避雷带等）外，还必须在建（构） 筑物的电源系统、信号系统作可靠有效的防护，在拦截、分流、均压、屏蔽、 接地、综合布线等六大方面做完整的、多层次的防护。雷电防护措施I建筑F防雷等电位连接：-非带电金属导 体等电位接地带电金属导体等电位接地页外部防雷内部防雷接闪器等电位连接引下线内部屏蔽接地装置建筑物外部屏蔽随着科学技术的发展，大量采用微电子技术的、先进的计算机信息系统、 监控、通信等网络日益广泛地应用于各种建筑物中。而微电子设备的高度集 成化，低工作电平和小工作电流的特点，又带来绝缘强度低，耐过电压、过 电流的能力差等致命弱点。美国研究报告AD-722675指出：当雷电活动时， 磁感应强

7、度达到0.03GS时，计算机发生误动作，当磁感应强度超过2.4GS 时，计算机发生永久性损坏。因而雷电所产生的雷电电磁脉冲对微电子设备 将产生严重的危害。根据统计，雷电对微电子设备的破坏而造成的损失，已 远远超过了雷击火灾的损失，成为当今电子时代的一大公害。因此对综合雷 电防护提出了更高的要求。1、建筑物直击雷防护建筑物应按GB50057-94建筑防雷设计规范（2000年版）一、二、 三类防雷建筑物的要求安装完善的直击雷防护措施，防止雷击直接危及建筑 物。对于设有信息系统的建筑物，GB50057-94第条规定，“在设有信 息系统的建筑物需防雷击电磁脉冲的情况下，当建筑物没有装设防直击雷装 置和

8、不处于其它建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取 防直击雷的防雷措施。即按GB50057-94的要求安装接闪装置（如避雷针、 避雷带、避雷网等）和接地装置。使建筑物及屋顶设备（卫星天线等）在接 闪器的保护范围内。2、雷电波侵入和雷击电磁脉冲干扰防护供电系统防护措施GA267-2000第7.8条要求，“计算机信息系统设备机房的供电系统宜 采用三相五线制，引入计算机信息系统设备机房建筑物的低压电力线路宜用 电缆由地下引入机房。电缆埋地部分不应小于15米，电缆外护套应与保护接 地连结。”以防止或减少直接雷击和感应雷击电磁脉冲。GA267-2000第8.1条要求，“凡设在年平均雷电日大于

9、5的地区的计 算机信息系统，原则上均应装设防雷保护器，以防止雷电电磁脉冲过电压和 过电流侵入计算机信息系统设备。”因此信息系统的供电系统应安装电涌保护 器，采用多级防护的方式，逐级分流，降低残留电压，保护系统用电设备。信号系统防护措施GA267-2000第7.5条要求，“进入机房的电线路宜用有屏蔽层的电缆， 非屏蔽电缆应穿钢管敷设。”因此引入或引出机房的全部信号电缆，包括电话通 信线路、网络线路、卫星馈线及其他信号线路在室外布线时，应穿金属钢管， 金属钢管必须做良好接地。起到对信号线路的屏蔽作用，防止或减少直接雷 击和感应雷击电磁脉冲。也可以采用线路埋地敷设的方法，达到同样的防护 目的。IEC

10、61312-1，2，3要求，“进入信息系统的信号线均应加装信号SPD 后，再接入通信设备。”即在各类信号线、网络数据线进出机房应在设备端安装 SPD （电涌保护器），建筑物内的信号、数据线应根据布线长度在其一端或两 端安装电涌保护器。屏蔽与接地系统屏蔽技术是减少电磁干扰（场形式）的基本措施。信息系统需要安全生 存的环境，所以将需保护的空间划分为不同的防雷区（LPZ），以界定具有不 同的LEMP严酷程度的各个空间，同时也指明了各防雷区界面上等电连结点 的位置。各防雷区以其边界处电磁条件有明显变化为特征。LPZ0A :本区内物体易遭到直接雷击，因而可能必须传导全部的雷电流。 本区内电磁场没有衰减。

11、LPZ0B :虽然本区内物体不以遭到直接雷击，但区内产生未被衰减的电 磁场。LPZ1 :本区内物体不易遭到直接雷击，本区内所有导电部件上的雷电 流比在LPZ0B区内的雷电流进一步减小。本区内的电磁场也可能被衰减，取 决于屏蔽措施。后续防雷区（LPZ2等）：如果要求进一步减小传导电流或电磁场，就应引入若干后续防雷区。LPZ0A区电源线路信息系统设备的接地系统应采用共用接地系统，宜利用建筑物基础钢筋地网或桩基网作为共用接地系统的基础接地装置。机房内设置环型接地体或接地母线，环型接地体与建筑物基础接地系统 （或独立接地体）连接。电涌保护器地线、电源保护地（PE线X机房防静 电地板、金属走线架、机架、

12、重要设备不带电金属机壳、金属穿线管道、大 面积金属门窗、吊顶和间隔用金属龙骨以及其它金属管线，均应与均压环连 接，形成等电位网。布线布局机房供电线路与信号线路应分开布线，并采用屏蔽电缆。非屏蔽电缆应 穿钢管或走金属布线槽。钢管、金属布线槽与环型接地体连接，连接处应进 行有效跨接。机房内信号传输线路和低压电力线的排列应远离建筑物有引下线、格栅 或接地主筋的墙体。机房设备不宜放置在外墙窗口，且离外墙至少0.83米。五、现场勘测情况说明天然气调压站内主要设施包括天然气地面管索区（15x7.5x4m X仪控室 （4x4x2.5m）及卫星天线、DDN专线和电话通信线路。调压站设一组接地网络 但无直击雷防

13、护措施。一路380V低压架空进入仪控室总配电柜。供电系统采用TN - C-S制式。 总配电柜为UPS供电。24V直流稳压电源位于可编程序控制（PLC ）柜内， 它将UPS输出的220V交流电转换为24V直流电源，供给PLC以及现场仪 表。PLC负责将现场采集的压力、温度、流量等信号进行处理、调制，控制 现场阀门。卫星通讯专线负责将信号送至总部控制室，由控制室进行监测。 DDN专线是卫星专线的备份线路。卫星通讯专线、DDN专线及电话通信线路 均架空进入仪控室，线路未采取屏蔽措施。天然气地面管索区内设有温度变送器、压力变送器、差压变送器。流量计 独立设在仪控室内。这些仪表均采用直流24V供电，并将

14、动态参数变换成 4-20mA模拟信号。地面管索区仪表与控制室之间的连接电缆均埋地敷设。电池组配电柜可编程控制柜卫星天线六、雷击隐患1、仪控室、地面管索区及卫星天线均无直击雷防护措施，处于LPZ0A区，可能遭受直击雷击。2、供电线路采用架空形式，未采取雷击电磁脉冲防护措施，雷击脉冲过 电压、过电流可能经配电系统侵入，损坏设备。3、卫星天线、DDN专线及电话线未采取雷击电磁脉冲防护措施，雷击 脉冲过电压、过电流可能经通信系统侵入，损坏设备，造成通讯受阻。4、PLC柜内信号系统及现场仪表未采取雷击电磁脉冲防护措施，存在隐 患。5、仪控室无等电位接地系统，易引起地电位反击，损坏设备。七、设计方案1、直

15、击雷防护部分根据GB50057-94建筑物防雷设计规范（2000年版）第条规定： 制造、使用或贮存爆炸物质的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨 大破坏和人身伤亡者，应划为第二类防雷建筑物，滚球半径为45m。天然气 地面管索区应属于二类建筑物。根据GB50057-94第条规定，“在设有信 息系统的建筑物需防雷击电磁脉冲的情况下，当建筑物没有装设防直击雷装 置和不处于其它建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑物采取 防直击雷的防雷措施。仪控室应属于三类建筑，滚球半径为60米。依据第二、三类防雷建筑物的防雷设计要求，直击雷防护拟实施普通避 雷针和提前预放电避雷针两种保护方案，供比较选择

16、。方案一根据天然气调压站实地勘测情况地面管索区（15x7.5x4m X仪控室（4x4x2.5m）、卫星天线（1.5x1.5x2m ）,现利用滚球法计算避雷针保护范围： 1.单支避雷针保护范围的确定避雷针在hx高度的平面上保护半径rx的计算公式为：rx=Jh（ 2hr-h）_ Jhx（ 2hr-hx）式中：h为避雷针高；hr为滚球半径；hx为该点到地面的高度；按照GB50057-94建筑物防雷设计规范（2000年版）的规定，避雷针 在地面上的位置必须离开被保护物3m。所以将单针安装在距地面管索区及卫 星天线各3m处。按二类建筑物防雷计算，hr取45m，考虑保护范围要留有 余量，这里hx应大于4m

17、，所以hx=5m ,rx=18m。经计算可得针高h=22m（见 图1 ）。图1为横切面图。取此针高时，纵切面图内被保护物仍处在保护范围 内（见图2）。_也_十2叫此-E|2.双支等高避雷针保护范围的确定珈双针分别安装在天然气地面管索区横向两侧3m处。纵切面图内被保护物 的保护范围按单针计算，hr取45m，考虑保护范围要留有余量，这里hx应大 于4m，hx=5m，rx=7.5m。经计算可得针高h=10m （见图3 ）。h=10nhx = 4n在图4中，两针之间保护范围的最低点高度hx的计算公式为：hx=hr _ V( hr _ h ) 2 +(D/2) 2 式中：D为两针之间的距离。h为避雷针高

18、；hr为滚球半径；hx为该点到地面的高度；当针高取10m时，两针之间的最低点高度为8.4m。被保护物处于保护范 围内(见图4)。根据计算可知，选取双针保护，更为经济合理。方案二采用提前预放电避雷针。工作原理在雷云对地放电中，90%的地闪是在带负极性的雷云和正极性的大地之间 发生的。放电开始时，其微弱发光的通道以1001000km/s的平均速度、断 续脉冲形式向地面延伸。在通道前端接近地面10-100米时该部位的空间场 强会增加，地面上突出处会被激发，出现正电荷上行先导，并向天空发展迎 击下行先导。当下行先导与上行先导回合时，发生闪电雷鸣。提前预放电避 雷针正是利用这一现象，将地电位提高到避雷针

19、顶端，并利用其特殊设计使 之能较其他邻近高点提前产生上行先导，从而达到最先放电的目的。提前放 电避雷针发出的上行先导平均启动时间对于简单避雷针发出的上行先导平均 启动时间之差，就是预防电时间，经多次试验验证其值为乙丁=60饵。注；E为电击中心D=10+I2/3I为首次先辱故电电流 共 12 ML=V+ATV为平均先辱传播速氐,AT为预城电时冏如图所示，Rp=V(D+AL)2-(D-h)2 习 Rp=Jh(2D-h)+ V*AT(2D+V*AT)根据法国标准NFC17-102闪电保护应用“提前预放电接闪器”向建筑物 与开阔地区提供闪电保护中规定：避雷针有效高度h：为提前预放电避雷针高处被保护物体

20、表面的距离。当h5m时，按下表计算h(m)234保护Level 1324864半径Level 2405978Rp(m)Level 3446587当hN5m时，须使用公式：Rp=Jh(2D-h)+ AL(2D+AL)式中：h:避雷针超过被保护物的高度D:电击距离(第二类防雷建筑物为45米)在天然气地面管索区左侧3m，卫星天线上方3m的交点处安装预放电避 雷针1根，安装高度为9米(高出被保护物5m)，采用镀锌钢管支撑杆。底座 与接地网络连接，形成共用接地系统。安装位置及保护范围见图3。Rp=Vh(2D-h)+ AL(2D+AL)=J5= 74259000=97当避雷针高于被保护第二类防雷建筑物5米

21、时，根据计算保护半径为97 米，考虑安全系数按75%计算取72米，1根针可以覆盖天然气地面管索区、 仪控室及卫星天线。2、供电系统雷击电磁脉冲防护按GB50057-94第条，将架空电缆电杆的铁横担(含绝缘子铁 脚、金具)接地。使低压电缆经绝缘子与地之间形成一个放电间隙。仪控室总配电柜选用法国 EUROTECT PU100-400 Res( 100KA,8/20 us )三相电涌保护器，作为供电系统雷击电磁脉冲第一级防护措施。在UPS输出端安装法国EUROTECT SP4011(40KA,8/20us)单相电 源电涌保护器一台，作为供电系统的第二级防护措施。在24V直流稳压电源(SITOP )输

22、出端安装法国 EUROTECT PO-24VT串联型直流电源保护器一台，可作为供电系统的第三级防护。3、信号系统雷击电磁脉冲防护各种仪表输出信号均为4 - 20mA模拟信号。对于4 - 20mA模拟信号 线路的电涌保护器，我们选用了法国EUROTECT SI024-TR1,其主要参数为：工作电压：24V工作电流：300mA额定放电电流(8/20us ):5kA频带宽度：2MHz相应时间： 10Ns环境温度：-40 + 80C在PLC柜内各仪表的模拟信号接入端分别安装法国EUROTECTSI024-TR1 一台,共 10 台。仪表控制信号是24V电源的开关信号。对于24V开关信号及24V直 流电

23、源，我们选用了法国EUROTECT PO-24VT串联式直流电源电涌保护器, 其主要参数为：工作电压：24V最大工作电流：5A标称导通电压：36V额定放电电流(8/20us ):20kA相应时间：10Ns环境温度：-40+ 80C在PLC柜内仪表控制信号输出端安装法国EUROTECT PO-24VT 一台 共51台。卫星天线接入PLC柜端口处安装法国EUROTECT TCN50C-130C - 台。备用DDN专线接入PLC柜端口处安装法国EUROTECT FMRJ11-100A 一台。(5)电话专线接入端安装法国EUROTECT FMRJ11-180A 一台。4、屏蔽与等电位接地天然气地面管索

24、区主要采用塑钢板构成。钢筋、金属框架等自然构件应 构成格栅形大空间屏蔽，并和地网连接，构成良好电气连通，减少了电磁噪 声对内部设备的干扰。在闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的 无衰减磁场强度Ho，相当于处于LPZ0区内的磁场强度，应按下式计算：Ho=io/（2x n xSa）（A/m）式中io雷电流（A）;Sa雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（m ）当有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ1区内的磁场强度Ho从 减为Hi，其值应按下式计算：H1=Ho/10SF2（A/m）式中 SF 屏蔽系数（dB ） SF=20 x|og（8.5/W）该公式的计算值仅对在LPZ1区内距屏蔽层有一安全距离ds/i的空间Vs内有 父攵，ds/1应符合下式的要求：ds/1=WxSF/10 （ m ）式中 W LPZ1区格栅形屏蔽的网格宽（m ）地面管索区磁场强度的计算：地面管索区为二类建筑，i=150kA,假设雷 击发生在距屏蔽空间20m处（即Sa=20m，避雷针保护范围之外），由此得出