L-CNG汽车加气站的雷电防护

摘 要

摘要：分析了L-CNG汽车加气站的生产特点，结合湛江地区雷电活动的特征及危害特性，提出了L-CNG汽车加气站的雷电防护措施。关键词：雷电防护；L-CNG汽车加气站；防雷措施Lightning Prote
摘要：分析了L-CNG汽车加气站的生产特点，结合湛江地区雷电活动的特征及危害特性，提出了L-CNG汽车加气站的雷电防护措施。
关键词：雷电防护；L-CNG汽车加气站；防雷措施
Lightning Protection for L-CNG Vehicle Filling Station
YE Ming，WU Youxiang
Abstract：The production characteristics of L-CNG vehicle filling station are analyzed.Combined with the features and harmfulness of lightning action in Zhanjiang area，the lightning protection measures for L-CNG vehicle filling station are proposed.
Key words：lightning protection；L-CNG vehicle filling station；lightning protection nleasllres
    近年来，因雷击引起的燃气、石化企业火灾和爆炸事故时有发生，给人民生命和国家财产造成了损失。做好雷电防护工作非常重要，国内外学者在这方面做了许多研究工作。文献[1]根据雷电流的特性，结合CNG加气站工艺和设备的特点，提出了CNG加气站的综合防雷措施。文献[2]依据防雷规范标准，对汽车加油站的防雷措施及安全检测、验收等注意事项进行了论述。文献[3]分析了CNG加气站压缩机的防雷要求。文献[4]研究了CNG加气标准站仪表自控系统的防雷。本文结合工程实例，对L-CNG汽车加气站防雷措施进行阐述。
1 建设项目规模
    湛江市L-CNG汽车加气站位于湛江市麻章公交车站内，占地面积为4527.34m2，建设加气岛1个，30m3LNG卧式储罐1台，气化工艺装置1套，压缩天然气储气瓶组(3×1.8m3)1套，双枪加气机2台，单枪加液机2台以及辅助工程和公用工程设施。
    湛江市地处热带气候带的北缘，纬度较低，濒临南海，经常受到来自内陆西风带天气系统(高空槽、切变线、低涡等)和海洋热带天气系统(东风波、辐合带、热带气旋等)的影响，天气复杂多变，强对流天气较多，雷暴天气频繁出现，一年四季都有，年雷暴日数为95.6d。
2 L-CNG汽车加气站的生产特点
    ① LNG低温储罐压力为0.8MPa，介质温度为-196℃，属于Ⅲ类压力容器。储罐增压气化器压力为1.0MPa，介质温度为-196～60℃。CNG储气瓶组压力为32MPa，介质温度为-29～93℃。加气枪单枪流量为1900m3/h，压力为3～25MPa，介质温度为-25～75℃。生产装置大部分为低温、高压连续生产的装置，如发生雷击停产、爆炸事故，将会造成巨大的经济损失和社会影响。
    ② 依据《常用危险化学品的分类及标志》GB 13690—92第3.1.2条，按危险特性分类，L-CNG汽车加气站生产、储存的天然气为第2.1类易燃易爆物质，储存区域属Ⅱ级爆炸危险区。液化天然气深冷绝热储存，若发生泄漏，比气相泄漏强度大得多，泄漏的液化天然气急剧蒸发并迅速扩散至周围空间，形成低温高浓度雾状蒸气云，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇火源即发生燃烧爆炸。天然气可造成头昏、头疼、呕吐、乏力、昏迷，长时间接触，将出现神经衰弱综合症。按GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)的有关规定[5]，生产区、加气岛为第二类防雷区域，生产辅助用房为第三类防雷建筑物。
    ③ 生产、储存装置由储罐、天然气压缩机、泵及管道组成，储罐按照《钢制压力容器》GB 150—1998、管道按照《输送流体用无缝钢管》GB/T 8163—2008的有关规定进行设计、制造。
    ④ 供电负荷等级为三级，由市政10kV高压电网提供一回路10kV高压电源，经高压铠装电缆引入厂站的室外箱式变电站，经变压后，向站内提供380/220V低压电源。低压配电系统采用中线与保护线分开的TN-S系统(T表示电源配电侧的一点直接接地，N表示用电设备的外露导电部分与电力系统的接地点直接电气连接或与从配电侧接地点引出的导体相连)，变压器中性点直接接地。为保障控制系统的供电可靠性，控制系统设置不间断供电电源(UPS)，站内设一组备用柴油发电机组。
    ⑤ 自控系统由可编程控制器、彩色操作面板、工控机、接线端子柜、操作台、打印机等组成。电子设备的耐压和抗电磁干扰性能比较低，雷电产生的强大的感应电磁场以及在金属导体中产生的感应过电压，影响着电子设备的正常工作甚至损坏设备。
3 雷电的危害
    雷电的危害主要表现在具有巨大的破坏性上，其特点是雷电放电电压高，闪电电流幅值大，变化快，放电时间短，闪电电流波形陡度大。雷电的破坏作用在于强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场以及强烈的电磁辐射等物理效应，造成人员伤亡、建(构)筑物和设备巨大破坏、起火爆炸等严重事故及损失。
    雷电侵入主要形式有：①直接雷击，在雷电活动区内，雷电直接通过人体、建(构)筑物、设备等对地放电而产生电击现象。②间接雷击，雷电流通过静电感应、电磁感应、电磁脉冲辐射、雷电过电压入侵、雷电反击等(统称感应雷)形式侵入建(构)筑物内，使建(构)筑物、设备部件损坏或人身伤亡。
4 雷电防护措施
4.1 接闪
    是采用接闪器(避雷针、避雷带和避雷网)截获闪电，防止建筑物本体被雷电直接击中的措施。
    加气岛罩棚、生产辅助用房屋顶设置避雷带和网格，网格尺寸为10m×10m或12m×8m。屋顶装饰金属物与防雷装置连接。室外灯塔利用金属灯罩接闪，但灯塔立柱应布置在爆炸危险2区之外。由于生产、储存装置的材质为金属体，且厚度≥4mm，对雷电有自身保护能力，不需要装设避雷针保护，可利用金属罐体做为接闪器[6]。
4.2 分流
    分流是通过引下线和接地导体将雷电流引入大地，从而使被保护物达到防雷的措施。
    ① 加气岛罩棚利用基础桩、承台作为防雷接地体，柱主筋作为引下线。具体施工做法如下：a.基础为多桩结构，单桩利用2根主筋作为基础接地体，桩的利用率不小于建筑物总桩数的50%。b.将作为引下线接地点的承台的下层外圈钢筋焊接连通构成闭合环，闭合环下与作为垂直接地体的桩筋焊接，上与作为引下线的柱内结构主筋焊接连通。c.将地梁内2条平行主筋与引下线柱基础主筋焊接，并且各段地梁之间主筋连成一个环路，作为水平接地体。d.用建筑物柱子内两条直径≥12mm的对角主筋上、下焊通作为引下线。
    ② 灯塔利用金属杆作为防雷引下线。
    ③ 储罐的防雷引下线材质采用40mm×4mm以上的镀锌扁钢，接地点数量≥2处，沿罐体四周均匀敷设。
4.3 接地
    为了工作和安全的需要，将设备与大地相连称为接地，其中埋入大地并直接与土壤接触的金属导体为接地体，设备的接地部分同接地体相连的金属导体为接地线，接地体和接地线合为接地装置[7]。
    各种设备均应接地处理，用电设备集中的场所应设置电气接地预留端子，以给设备、SPD接地及等电位连接用。总配电间及各楼层配电箱处均应设计接地预留端子。大型设备接地点数量≥2处，管道的始末端、分支处及直线段每隔30m接地1处，露天管架、线架应接地处理。加气岛、储罐区设环形接地装置，并与相邻的接地装置用2根40mm×4mm以上的镀锌扁钢在地下土壤中连接。自控系统的接地应按《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343—2004第5.2.5条规定处理[8]：“防雷接地应与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置，接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。”罐区卸车场地应装设能检测跨接线及监测接地状态的静电接地仪。
4.4 等电位连接
    等电位连接是将各分开的设备、导电体用金属导线连接以减少它们之间的电位差。
    爆炸危险区域等电位连接非常重要，设备外壳、相邻导体间，只要存在电位差，存在空气间隙，就存在火花放电的危险，存在雷击爆炸的隐患。根据GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》(2000版)第3.2.2条第2款，“弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03Ω时，连接处应用金属线跨接。对有不少于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。”湛江地区属沿海地带，环境对金属的腐蚀严重，故连接处应用金属线跨接。
4.5 屏蔽
    屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。户外装置接闪后，大部分雷电流沿接地引下线泄入地中，有一部分雷电流按各种金属管线的波阻分配流动，当它通过电气设备或电子系统设备时，有可能损坏设备。利用金属网、箔、壳等导体把线路屏蔽包围起来，使闪电的电磁脉冲入侵的通道截断，是减少闪电时空间磁场电磁入侵的基本措施。
    具体措施如下：供电电缆采用铠装电缆或导线穿钢管配线，信号线路传输全部采用套金属线槽敷设，电缆金属铠装及屏蔽保护管两端均接地处理。
4.6 设备安全距离
    因建筑物的引下线敷设在外墙处，雷电流经过引下线引入接地装置，在外墙处会形成强磁场，所以设备的电源和信号主线路应尽量远离外墙，配线柜不应安装在柱上或柱附近，配线柜为金属外壳时应接地屏蔽。设备最好设置在室内的中心位置。
4.7 综合布线
    电源线、网络线不同槽架设；当电缆敷设在其他管线的下面时，垂直净距≥25cm。设备的电源线与信号线所形成的回路面积要尽量小，避免产生大的回路感应过电压和过电流。数据插座与电源插座保持一定距离，其距离＞30cm。
4.8 安装SPD
    SPD是用于带电系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件，用于保护耐压水平低的电器或电子系统，使其免遭雷击及雷击电磁脉冲或操作过电压的损害。
    在供电线路上，由于直击雷、感应雷和雷击电磁脉冲的影响，产生对供配电设备和电子系统设备有破坏性质的瞬态雷电过电压和雷电电涌。为了限制瞬态雷电过电压和引导电涌电流泄入大地，还应在以下位置安装SPD。在低压配电间内低压配电系统总出线处，装设标称放电电流≥60kA(8/20μs)的第一级SPD，(视在波前时间t1=8μs，半峰值时间t2=20μs的雷电波波形，记作8/20μs)。在总配电箱进线处，装设标称放电电流≥40kA(8/μs)的第二级SPD2；在UPS进线处，串联安装标称放电电流≥20kA(8/20μs)的第三级SPD3。各仪表进线处安装适配的信号SPD，其电压保护水平应不小于设备工作电压的1.2倍，同时不大于设备工作电压的1.7倍。
参考文献：
[1] 李家启，李良福，廖路.压缩天然气汽车加气站防雷技术[J].煤气与热力，2006，26(11)：18-19.
[2] 刘磊，于振波.加油加气站的防雷电技术措施与安全验收[J].山东气象，2005，25(3)：46-47.
[3] 陈杰，李求进，吴宗之.100起CNG加气站事故的统计分析及对策研究[J].中国安全生产科学技术，2009，5(1)：71-75.
[4] 牛虎勋.CNG加气标准站仪表自控系统设计总结[J].煤气与热力，2009，29(8)：B12-B16.
[5] 中华人民共和国机械工业部.GB 50057—1994建筑物防雷设计规范(2000版)[S].北京：中国计划出版社，2001.
[6] 中国石油天然气集团公司.GB 50183—2004石油天然气工程设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2004.
[7] 解广润.电力系统接地技术[M].北京：中国电力出版社，1996.
[8] 四川省建设厅.GB 50343—2004建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.
 
(本文作者：叶明1 吴友香2 1.湛江市防雷设施检测所 广东湛江 524001；2.湛江市港务管理局 广东湛江 524027)