摘　要：介绍了现代防雷保护的三道防线(外部保护、内部保护、过电压保护)，结合工程实例，论述了天然气厂站控制系统防雷设计中电源线路和信号线路电涌保护器的选取。

关键词：天然气厂站  防雷控制系统  电涌保护器  雷电电磁脉冲  短路电流

Selection of Surge Protector in Control System of Natural Gas Station

Abstract：Three defense lines for modem lightning protection including external protection，internal proteetion and ovexwoltage protection are introduced．The selection of surge protector for power line and sighal line in lightning protection design of control system of natural gas station is described with an engineering example．

Key words：natural gas station；lightning protection；control system；surge protector；lightning eleetromagnetic pulse；short circuit current

1　概述

在天然气厂站设计中，以计算机通信技术和微电子技术为主的厂站控制系统得到广泛应用。厂站控制系统最常使用的可编程控制器(PLC)往往工作在小电流和低电压状态下，绝缘强度较低，容易受到雷电电磁脉冲(LEMP)的冲击导致破坏。本文以南方某天然气储配站项目为例，结合GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》对电子系统选用电涌保护器(SPD)的要求，对天然气厂站控制系统的防雷设计及SPD的设计进行分析。

2　天然气厂站控制系统防雷设计

现代的防雷技术理论基础是，雷电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流(包括LEMP辐射)对地泄放的合理的阻抗路径，而不能让其随机地选择放电通道。换句话说，防雷技术就是要控制雷电能量的泄放。

现代防雷保护的三道防线：第一道为外部保护，就是将绝大部分雷电流直接引入大地泄放；第二道为内部保护，就是阻塞沿电源线、数据线或信号线侵入的雷电波对设备的危害；第三道为过电压保护，就是限制被保护设备上的雷电过电压幅值。

①第一道保护就是在建筑物上装设外部防霄装置。它虽能将雷击电流安全泄放入地，保护建筑物不被雷电直接击坏，但不能保证建筑物内的电气、电子信息系统设备免遭雷电冲击过电压、雷电感应产生的瞬态过电压冲击。、

因此，建筑物内的电子信息系统必须采取等电位连接与接地保护措施。采取等电位连接可以避免电子设备之间以及电子设备内部出现危险的电位差；采取接地保护可以有效地分流和泄放直接雷击电流和LEMP能量。

②第二道保护主要是指根据实际要求的电磁场环境等情况选择合理的电磁屏蔽措施，以便阻塞和减少LEMP在电子信息系统内产生的浪涌。这些屏蔽措施主要包括建筑物屏蔽、机房屏蔽、设备屏蔽、线缆屏蔽等。

③第三道保护主要指根据需要保护的设备数量、类型、重要性、耐冲击电压额定值等因素，选用能量适配的SPD，限制被保护设备上的雷电过电压幅值，进一步减小LEMP的影响。

3　SPD的选取

对于天然气厂站控制系统，主要涉及控制系统的电源线路SPD和信号线路SPD。

①电源线路SPD

在可能出现雷电冲击过电压的建筑物电气系统内，在雷电防护区LPZOA(或LPZOB)与LPZl区交界处，其电源线路进线的总配电箱内应设置第一级SPD，用于泄放雷电流并将雷电冲击过电压降低，其电压保护水平Up应不大于2.5kV。一般此处应选用通过10／350ms波形(规定的波头时间T1为l0ms、半值时间T2为350ms的冲击电流)、短路电流为Iimp的I类试验的SPD。结合现场情况，也可选用通过8／20ms波形(规定的波头时间T1为8ms、半值时间T2为20ms的冲击电流)、标称放电电流为In的Il类试验的SPD作第一级保护。如果这一级SPD未能将电压保护水平Up限制在2.5kV以下，则需在下级分配电箱处设置第二级SPD来进一步降低冲击电压。第二级SPD应为通过8／20ms波形、标称放电电流为In的Il类试验的SPD，并能将电压保护水平Up限制在2.0kV以下。

在控制系统仪表专业设备间的配电箱内或在其电源插座内设置第三级SPD，此级SPD应为通过8／20ms波形、标称放电电流为In的Il类试验或复合波IIl类试验的SPD，其电压保护水平Up应低于控制设备所能承受的冲击电压的水平，或不大于l.2kV。

为了提高电子信息系统的电源线路电涌保护的可靠性，应保证局部雷电流大部分在雷电防护区LPZ0与LPZl的交界处转移到接地装置，同时限制各种途径入侵的雷电浪涌，限制沿进线侵入的雷电波、地电位反击、雷电感应。

综上，建筑物内的电源线路电涌保护通常是多级配置，以防雷区分级，每级SPD的通流容量足以承受在其位置上的雷电浪涌电流，且对雷电能量逐级降低，最终使过电压限制在设备耐冲击电压额定值以下。

如果电源线路进线的总配电箱内设置了第一级SPD，其电压保护水平Up小于2.5kV，且其后的线缆采取了良好的屏蔽措施，那么这种情况下只需在控制系统仪表专业设备间配电箱内设置第二级SPD即可。

②信号线路SPD

天然气厂站控制系统信号线路SPD一般设置在控制系统接线柜内，也即雷电防护区LPZ0和LPZl区交界处。GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GB 50057—2010{建筑物防雷设计规范》均对信号线路SPD作出了规定。要想选取信号线路能量适配的SPD，关键是确定其短路电流值。尤其对于第二类防雷建筑物来说，如果不进行计算，只能保守地选择短路电流为l.5kA的SPD。若经过计算，也许只需选用用于第三类防雷建筑物的短路电流为1.0kA的SPD即可满足设计要求，节省了单台SPD的费用。

下面以南方某天然气储配站为例，对工程设计中所选用的信号线路SPD短路电流进行计算。

该储配站包含LNG气化和天然气储配两个功能，涉及气化工艺区、LNG储罐区、工艺装置区、消防水泵房、消防水池、生产辅助用房等区域，工艺过程中所有控制信号通过控制电缆全部送至生产辅助用房一层仪表专业设备间内的接线柜。按照GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》对建筑物的防雷分类要求，综合考虑该站发生雷电事故的可能性和后果、厂站控制系统的重要性、建筑物的使用性质，对该站进行防雷建筑分类后确定该储配站生产辅助用房为第二类防雷建筑，所有接入生产辅助用房仪表专业设备间接线柜内的仪表信号线路均需配置适配的SPD。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4．3．8条，如果我们不进行计算，SPD的短路电流需要选取1.5kA。

若根据实际情况进行计算，则应根据GB50057—2010第4．3．8条第7款要求，接入该储配站生产辅助用房仪表专业设备间接线柜内的SPD短路电流按该规范公式4．2．4-6进行计算：

式中Iimp——短路电流，kA

I——雷电流，kA

n——直埋或架空引入的仪表保护套管和电缆的总数

m——每一保护套管或电缆内导体总芯数

雷电流，，根据GB 50057—2010第4．3．8条第7款的要求，取值为l50kA；按照该储配站的实际模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)、数字量输入(DI)和数字信号RS485通道总数统计，n取值为172；按标准两线通道使用两芯线计，m取值为2。

将各参数代入规范中公式4．2．4-6，计算出该储配站短路电流Iimp约为0.22kA。

由于规范中公式4．2．4-6为无屏蔽层的短路电流计算公式，本项目设计的电缆均有屏蔽层或铠装，若按照规范中公式4．2．4-7计算，考虑电缆屏蔽层及电缆电阻的因素，该储配站短路电流Iimp将小于0.22kA。

在施工图设计中，对于直埋敷设的电缆，其实际芯数总会大于计算芯数，则m值通常会大于2，这样SPD的短路电流还会进一步减小。也就是说，该储配站选用的SPD的短路电流Iimp=0.22kA为理论计算的最大值。

根据上述计算结果，结合GB 50057—2010和GB 50343—2012中对SPD的要求，得出如下结果：该储配站生产辅助用房仪表专业设备间接线柜内信号线路SPD，选用Dl类高能量试验类型、短路电流为1.0kA、10／350ms波形的产品即可满足设计要求。

一般来说，对于Dl类高能量SPD，短路电流越大价格也越高。因此在条件允许的情况下，对SPD短路电流进行计算，选取能量适配的SPD，可以为用户节省资金。以上述储配站为例，通过计算，SPD短路电流只需要选用l.0kA即可满足防雷要求，而不需选用SPD短路电流为1.5kA的产品。该储配站信号线路SPD共需200多个，若按照每台SPD节省300元计算，可为用户节省资金逾6×10⁴元。对于中等或更大的控制系统来说，信号线路SPD的数量可能需要几千或者更多，通过计算选取适配的SPD将会为用户节省更多的资金。

4　 SPD不同参数之间的关系

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》和GB50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中均对电子信息系统信号线路SPD的短路电流提出了具体要求，但生产厂家铭牌上最常标注的是“冲击电流Iimp”和“标称放电电流In”，而很少标注“短路电流”，很容易给选型计算带来混乱。那么，SPD参数中“短路电流”、“冲击电流Iimp”以及“标称放电电流In”之间有何关系呢?

根据GB／T l8802．21—2008《低压电涌保护器第22部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD)选择和使用导则》第6．2．1．3款的内容可知，信号类SPD的短路电流应根据制造商指出的SPD的通流容量选择电流水平，可见对于信号类SPD的短路电流与通流容量(通流容量通常是Iimp或In)具有直接的关系。

由GB／T l8802．21—2008《低压电涌保护器第22部分：电信和信号网络的电涌保护器(SPD)选择和使用导则》第6．2．1．3款的表3可知，在进行短路电流测试时所使用的冲击波形cl、c2类为8／20ms波形，Dl类为l0／350ms波形。通常在SPD测试时Iimp就是指用l0／350ms波形进行冲击试验得出的电流值In就是指用8／20ms波形进行冲击试验得出的电流值。

综合以上两点可以得出以下结果：信号类SPD在进行Dl类试验时得出的短路电流值等同于信号线路SPD的Iimp值，在进行Cl、C2类试验时得出的短路电流值等同于信号线路SPD的In值。

本文作者：刘兰慧

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院第四设计研究院