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易燃易爆场所的雷电防护分析 杜 娟, 杜 艳, 马永兵, 汤维科(陕西省防雷中心, 西安 710014)
随着我国交通事业和人民生活水平的不断提高, 城乡加油站、加气站、天然气、液化气等易燃易爆场所的建设越来越快, 尤其是随着科学技术的发展易燃易爆场所的油气储存、采集、运输等设备, 在工艺上大量采用了高性能的先进控制设备, 如: 生产自动化控制系统、数据采集系统、火灾自动报警系统等。而这些现代化的控制设备对雷电更加敏感, 因油气产品的特殊性对火灾和雷电的防护要求极为严格, 稍有不慎可能出现重大事故,雷电灾害问题近年来就日益突显出来。加强对防雷装置的监管、检测力度。提高人们对雷电灾害防护意识, 克服侥幸心理和麻痹思想, 使雷电造成的损失降低到最低程度。本文通过对靖边长庆油田第一采气厂和加油(气)站的雷电防护进行分析, 以及本人几年来对于易燃易爆场所雷电防护方面积累的经验, 提出目前易燃易爆场所雷电防护存在的问题及应该采取的防护措施。1 概况
易燃易爆场所通常设在城区开阔地带或郊区、山区、乡村、高速公路等道路边的开阔地带。如长庆油田第一采气厂各集气站主要分布在陕西省靖边县、安塞县和志丹县, 位于毛乌素沙漠的边沿和陕北黄土高原丘陵区。由于集气站和净化厂所处位置都在高土壤电阻率的山区和丘陵区,年雷暴日多。这些厂、站的地下和地面都有大量的金属管道和金属设备, 尤其是两个净化厂, 占
5.2 近3 a地闪活动日分布呈现双峰形式, 最高峰值出现在17: 00— 19: 00之间, LIS观测的总闪电峰值出现在上午。
5.3 从青岛地区闪电活动的空间分布来看,闪电多发生在靠近青岛市的四个边缘地带, 而青岛市中部闪电发生较少。青岛地区的平均总闪电密度为5.95次· km-2a-1 , 平均地闪密度为1.077次· km-2 a-1 , 闪电密度的高值中心位于青岛北面的大泽山的山地和丘陵地区,最大值为24.2次·km-2a-1。
5.4 通过计算得到青岛地区的平均云地闪比例为4.52, 正地闪占总地闪的百分比为5.9%。正闪的平均强度为51.63 kA, 最大值为561 k A;负闪的平均强度为34.53 k A, 最大值为481 kA。地面积大、金属设备多、四周比较开阔, 还有高达百米的酸气焚烧炉和放空火炬;根据雷击选择性的特点, 这些厂、站每年有多站发生雷电灾害。经检测发现均不同程度的存在雷电防护设施不完善, 从雷电防护的角度看, 均处于“高风险” 的环境下,因此需要及时采取有效的雷电防护措施。雷电防护现状和存在问题
一般易燃易爆场所雷电防护范围包括: 储罐区、设备区、装卸区、工艺管道、供配电系统、通信(控制)系统等六大部分。陕西易燃易爆场所许多防雷工程建设不规范, 防雷设施不完善, 尤其是弱电设备未能严格按照国家技术规范要求进行防护, 导致严重的雷击事故频繁的发生。部分单位即使安装了防雷装置, 也没有定期检测或者防雷装置经检测发现隐患也未及时整改。防雷工程和产品市场不规范,防雷产品达不到质量要求,滥用假冒伪劣或无证生产的防雷器材等情况依然存在。以集气站、加油(气)站为例, 无论在城区还是乡村, 加油(气)站和各集气站建筑往往都不完全具备符合要求的防雷设施(包括外部防雷、内部防雷和地网)。
(1)一个集气站包括管道系统、通信系统、监控系统、控制和测量系统, 对长途输气管道的加压站, 还有微波系统。目前, 集气站仅仅做到对直击雷的防护,对雷击电磁脉冲的防护还是空白。油气储存、采集、运输等设备, 在工艺上大量采用高性能的先进控制设备, 如: 生产自动化控制系统、数据采集系统、火灾自动报警系统等。控制设备对雷电更加敏感, 因油气产品的特殊性对火灾和雷电的防护要求极为严格, 如操作不当就有可能出现重大事故。(2)集气站周围的避雷塔, 都是按照第一类防雷建筑物设计和施工的直击雷防护。避雷塔可
以防止直接雷击, 但也可将雷电电磁脉冲引向周围的物体。在避雷塔引雷入地的瞬间, 雷电流沿避雷塔泄入地下, 强大高频率的雷电流在避雷塔周围的空间产生交变的空间电磁场, 该电磁场会在周围金属导体内产生感应电流造成危害。
(3)某些油田测量控制系统的流量计为进口设备, 采用电磁感应式采集数据。该仪表紧靠一大的电动机, 仪表外部导线的金属屏蔽管与仪表连接处断开, 接地通过导线与50 m外的接地端子连接后再与接地网络连接。仪表附近有大的干扰源、仪表线路的屏蔽有漏洞、接地不合格均会导致流量计输入到计算机的信息失真和不稳定现象。
(4)无论在城区还是乡村, 加油(气)站建筑的防雷实施(包括外部防雷、内部防雷和地网等等)往往不完善不符合规范要求。(5)加油(气)站的380 V交流供电线路常常是架空明线接入至站区附近再地埋引入建筑。部 分加油站由10 kV电力线架空接入, 经变压器后再地埋引入建筑。在乡村和山区有时根本没有地埋措施, 易感应雷电电磁脉冲。
(6)引入加油站的ISDN 等通信线路通常也是由户外架空明线引入, 并且通常未安装专用电涌保护器(SPD)做雷电防护措施。(7)加油(气)站电源、信号系统宜将其分为三个防雷区分别加以考虑。液位仪控制线、加油
机总控制线、PSTN(电话网络)拨号网络通讯线等也应采用相应的电涌保护器进行保护。3 易燃易爆场所雷电防护的应对措施
通过几年来对易燃易爆场所防雷电装置检测
工作实践研究,认为除了做好直接雷击防护外,还应该根据国家规范做好对雷电电磁脉冲的防护。必须建立系统防雷, 采取接闪、分流、屏蔽、等电位连接、共用接地、合理布线等综合防雷措施。具体防护措施[1-2 ]: 完善直接雷击防护;电源及信号线缆均屏蔽并两端接地;大的金属构件做等电位连接;如果没有采取共用接地系统, 则在不同接地系统之间安装地电位均衡装置;所有信号线路的进出,均按相应接口及电压做浪涌保护;信息设备共用的U PS前面加装电源浪涌保护。4 易燃易爆场所雷电防护要求
易燃易爆场所的雷电防护按等级综合防护[3 ]。要求场内所有建筑, 均应在直击雷防护区(LPZOB区)内, 特别是放散管、通风孔、储存罐呼吸阀均应在独立避雷针保护范围内。(1)加油(气)站的站房和罩棚应采用避雷带(网)保护。接闪器的高度、规格尺寸、防护 范围、接地电阻值、引下线的材料及规格(直径、截面积、厚度)焊接处焊接良好;引下线的数量(不少于2根)、布局(对称分布)、规格尺寸(8～ 12 mm)、扁铁截面积≥ 48 mm2、引下线间距(一类12 m、二类18 m、三类25 m)以及弯曲处必须符合要求。
(2)当储存易燃、可燃油品的装有阻火器的露天钢储罐顶板厚度
形距离不应> 30 m, 接地体距罐壁的距离应> 3m。输油管道中阀门、法兰盘等电位连接处的金属线跨接(> 6 mm2铜编织线), 当法兰盘用5根以上螺栓连接时, 在非腐蚀环境下, 可不跨接, 但必须构成电气通路。(3)检测易燃易爆场所装、卸场地旁, 供槽车装、卸车时用的防静电接地装置, 该装置与防雷接地等宜共用接地装置, 电阻值≤ 4Ψ。若接地不共用, 其防静电接地电阻
(4)电子信息系统供电线路应安装过电压保护器(SPD)。供电架空线在进入工作区的建筑物
处应做等电位接地处理, 在配电柜和重要设备前要加装电源浪涌保护器(SPD)保护。一般供电线路第一级应安装10 /350μs通流量60～ 100 k A(SPD), 要求SPD相线应采用截
面积≥ 16 mm2 的铜芯线, 地线截面积≥ 25 mm2的铜芯线。第二级应安装8 /20 μs通流量40 kA(SPD), 要求SPD相线应采用截面积≥ 10 mm2的铜芯线, 地线截面积≥ 16 mm2的铜芯线。第三级应安装8 /20μs通流量20 k A(SPD),要求SPD相线应采用截面积≥ 6 mm2 的铜芯线, 地线截面积≥ 10 mm2的铜芯线。无论电源线路还是信号线路的SPD, 其接至等电位连接板的导线要短而直, 长度不应大于0.5 m。若因条件限制, 且长度不能满足要求, 应增大接地导线的截面积。供电线路是采用铠装电缆埋地引入, 第一级应安装8 / 20μs通流量40 k A(SPD)。5)电脑加油机、加气机控制板、刷卡机及计价器和天然气输送场站的采集生产现场集中监视系统、生产自动控制系统、数据采集系统、火灾自动报警系统、安防监控系统等等, 必须安装相应的SPD。易燃易爆场所的雷电防护必须按照《建筑物防雷设计规范》、《电子信息系统防雷设计规范》及《输气管道工程设计规范》等有关国家标准的防雷要求, 采取接闪、分流、接地、等电位连接、电磁屏蔽等防护措施, 才能减少或消除相应雷电灾害事故。
宜春市宜丰县某炸药厂仓库防雷设计方案
雷电是大气中的放电现象，有极大的破坏力，其破坏作用是综合的，包括电性质、热性质和机械性质的破坏。根据雷电的产生和和危害特点的不同，雷电可分为直击雷、球形雷、雷电感应，其对人员、建筑物及构筑物以及仪器设备和线路的损害主要有直击雷、雷电波侵入、雷电感应和地电位反击四个途径。危险品仓库以及生产企业遭受雷电灾害的事例从中央到地方，光媒体报道的就历历在目，损失触目惊心。从近几年广东、江西、浙江等省的统计数据看，危险品仓库通讯设备事故的95%由雷电引发，非正常供电故障78% 由雷电引发，重大灾害发生56%由雷电引发。1998 年8 月，湖北南漳县化建公司炸药库发生特大爆炸事故，造成人员伤亡197 人，直接经济损失近千万元。事故发生后，经公安部爆破专家现场分析，认定爆炸是该炸药库防雷装置不符合国家规范所致。几年来，通过对多起爆炸事故分析，对爆炸和火灾危险环境下的防雷设计有了更深入的理解，在工程实践中取得了良好的效果。炸药库通常具有以下特点: 1)地理位置: 炸药库通常建立在较无人烟的郊外、山区等地;2)实施条件: 无论在郊外还是山区往往不具备符合要求的防雷措施;3)土壤电阻: 由于地处山区土壤电阻率较大;4)内部环境: 内部储存的大量炸药让它显得更加危险。从以上几个特点不难发现，从雷电防护角度来看，炸药库一般都运行于“高风险”环境下，即对于雷害风险的“暴露程度”很高，炸药的妥善存储是安全生产的头等大事，雷电防护是炸药库设计中必须考虑的重要环节。而防雷设计在这一领域的重视程度也达到了一个新的高度。此次通过对宜丰县某炸药厂仓库现场实际情况的勘测，结合相应防雷设计规范，而制定一套安全、经济、合理的雷电防护措施。1 设计思想及指导原则在符合有关现行国标规范、技术标准的前提下，从该建筑物的重要性、特殊性、所处地区的多雷性出发，力求满足安全可靠、技术先进、经济合理、重点保护的原则设计出最佳方案，防止或减轻因雷击所造成的财产损失、人身伤亡等损失。2 设计依据
1)《建筑物防雷设计规范》GB50057 － 94(2000 年版);2)《民用爆破器材工厂设计安全规范》GB50089 －98;3)《防止静电事故通用导则》GB12158 － 90;4)《防雷与接地安装》国家建筑标准设计D501 － 1 ～ 4;5)《建筑物防雷设施安装》99D501 － 1;6)《接地装置安装》03D501 － 4。3 现场勘测 3.1 地理位置
宜丰，位于赣西北九岭山脉中段之南麓，状呈菱形，介于东经114.30 度至115.08 度、北纬28.17 度至28.40 度之间，属中亚热带温暖湿润气候区，地质情况复杂、分布小矿带多 以及多水系特点，地表土壤电阻率变化差异大、落雷机率大。因此，属雷电灾害多发区，且该炸药库地处位于较无人烟的山区，地势高，四周空旷，易遭受雷电的入侵。3.2 气候环境
宜丰县属中亚热带温暖湿润气候区。气候温和，雨量充足，四季分明，无霜期长达260 多天，年平均气温17.1℃、相对湿度84%、日照时数1634.8 小时，气候资源优越，温暖多雨、光热充足等气候特征，由于水热同期，极利于作物的生长，但也是气象灾害频繁之地，尤以雷电灾害为主给安全生产带来极为不利的影响。年平均雷暴日(20 年年平均)有65.3 天，4－ 8 月是宜丰县雷电灾害事故高发时期。3.3 地质条件
丘陵，地表覆盖黄土，有少量岩石。土壤电阻率测得为800Ω·m。3.4 周边环境
该炸药库地处山区，人员较少，围墙外有一门卫房，周边较远处有树木，无其他建筑物。3.5 内部结构该炸药库主要有两个建筑物，分别为炸药库和雷管库(见图1)，均为砖混结构。炸药库长10.5m，宽8m，高3.5m;雷管库长6m，宽4m，高3.5m。炸药库内存放TNT 炸药，雷管库内存放雷管和电雷管。存放物均为易燃易爆品。炸药库及雷管库内不设电气设施和电气照明，亦没有架空金属管道、埋地或地沟内的金属管道进出。门卫房内
有普通照明设施，线路采用埋地引入。炸药库和雷管库均为金属门窗(见图
2、图
3、图4)。窗户加铁栅，铁丝网，各自两道门均向外开启，由里望往外第一道门为包铁皮的 木板门，第二道门为防火门。
3.6 勘测分析及结论该地区年平均雷暴日为65.3 天，属于强雷暴区和雷电灾害多发区。据《建筑物防雷设计规范》规定: 凡制造、使用或储存炸药、火药、火工品等大量爆炸物质的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者，防雷类别应划为第一类防雷建筑物。且根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三 类，一类滚球保护半径为30m，应装设独立避雷针或架空避雷网进行保护，金属门窗等金属物均应做好防雷电感应措施［1］，该建筑物内不设电气设施和电气照明，亦没有架空金属管道、埋地或地沟内的金属管道进出，故不考虑防雷电波侵入。由于易燃易爆品易因电火花引起爆炸，故应做好防静电措施，勘测现场，绘制图纸如下: 4.1 直击雷防护
接闪器: 由于炸药库与雷管库距离较远无法采用单根针一起保护，故分别采取保护措施。具体操作: 炸药库的屋长的两侧，屋宽的中线上，距离建筑物4m 处分别装设一根独立避雷针，则两针距离18.5m，避雷针高10m，D ＜ 2槡h(2hr － h)，故采用双支等高避雷针进行计算保护范围。避雷针可保护最低点高度:hx = hr －(hr － h)2 +(D2)槡2 =30 －(30 － 10)2 +(18.62)槡2 ≈7.96m ＞ 3.5m在地面可保护的最窄宽度:b0 = h(2hr － h)－(D2)槡2 =10 ×(2 × 30 － 10)－(18.62)槡2 ≈20.33m ＞ 5.5m在该建筑物屋面所在平面上最小保护宽度:bx = h’(2hr － h’)－(D2)槡2 ≈6.30m ＞ 5.5m 由于雷管库较小，采用单根独立避雷针就足以保护。在雷管库屋长的中线上，距离建筑物后墙4m 设一根高为12 米的独立避雷针，在该建筑物3.5m 高度的保护半径rx: rx=槡h(2hr － h)－ hx槡(2hr － hx)≈9.94m＞ 9.1m 引下线: 独立避雷针采用自身的杆塔作为引下线。接地装置: 每座独立避雷针均应有其独立的接地装置，沿避雷针基座做闭合接地装置，避雷针与接地装置应不少于两处连接，接地电阻不应大于10Ω;采用长为2.5m，规格为50mm × 50mm × 5mm 的热镀锌角钢作为垂直地体，水平接地体采用40mm × 4mm 的镀锌扁钢，两垂直接地体之间的距离为角钢长度的两倍;三基独立避雷针的接地装置分别采用5 根角钢打入地中，距地面0.8m 深，并利用扁钢连接。扁钢与角钢的连接处应做好可靠焊接，并做好防腐措施［2］。具体的设计详图(见图5): 图5 炸药库防雷设计图1 ︰ 100 4.2 防雷电感应措施
炸药库和雷管库分别做一套防雷电感应接地装置: 在炸药库后面及两边距离建筑物1m 处，挖深为0.8m 的沟，在沟内每隔5m 打入一根角钢，共打入5 根，并利用扁钢将它们连在一起，可靠焊接。在雷管库后面及两边距离建筑物0.5m 处，挖深为0.8m 的沟，在沟内每隔5m 打入一根角钢，共打入4 根，并利用扁钢将它们连在一起，可靠焊接。以上防雷电感应接地装置与独立避雷针接地装置距离均大于3m。接地装置工频接地电阻不应大于10Ω。仓库内各金属部件，金属构架，金属门窗等均应采用截面不小于35 mm2 的铜导线就近接到等电位排上，再与防雷电感应接地装置相连。分别在炸药库、雷管库进门处安装防静电门帘以消除人员进出带来的静电，在炸药库库房卸车点设置一个静电泄放装置，供汽车装载和卸货时清除静电使用。防静电门帘及静电泄放装置都必须采用截面不小于25 mm2的多股铜芯导线与防雷电感应接地装置可靠连接［3］。建筑物与接地装置应不少于两处连接。(下转第127 页)(上接第113 页)4.3 其他
门卫房处于避雷针保护范围内，故不再另设直击雷防护。门卫房内有普通照明设备，通过一根线引入，在电线进线处应安装一套电源避雷器，为单相电源避雷器，通流量为20KA，并应做好接地。线路应埋地引入，埋地长度应满足L≥2槡ρ，且不小于15m。应预留几处检测点。5 防雷效果分析及运行维护
根据《建筑物防雷设计规范》的要求结合该仓库的实际情况设计，完全符合规范的要求。其防雷保护效果符合标准。防雷装置安装合格，投入使用之后，平常还需定期检查及维护，易燃易爆场所的防雷装置每半年检测一次。
