中石油管道有限责任公司西气东输分公司武汉管理处 湖北 430074
摘要：现如今，我国的科技发展十分迅速，对天然气集输站场常见的雷电危害进行分析，总结了这些事故存在的共性问题。通过对集输站场的现场隐患排查和电磁环境仿真计算分析，找出天然气集输站现有防雷设施在设计和安装中存在的问题，提出了机柜接地连接方式等可行技术措施，以有效减少天然气集输站场雷击事故的发生。
关键词：天然气；集输站场；雷击；电磁辐射
引言
伴随着国内工业化进程的不断深入，我国对于天然气的采集，以及天然气的运输需求变得越来越大，天然气站场也对天然气的计量设备，向着自动化、智能化、以及网络化方向发展。如果天然气集输站没有做好相应的防护方式，轻微的会使得仪表无法正常、稳定地动作，并且还会导致仪表设备无法使用，或者出现重大损坏，严重的会造成不同程度的人员伤亡或者事故，严重地影响天然气集输站的正常运行。所以想要确保天然气集输站自动化仪表系统能够正常工作，就必须要做好相应用的防雷设计。那么要采取什么的防雷方式，就成为当前广大一线从业人员亟待解决的难题。
1天然气流量自动计量现状
天然气流量自动计量就是通过现场仪表取得天然气的压力、温度、差压、天然气组份等参数通过一定的计算方法得到标准状况下的体积流量。天然气自动计量组成模式有多种，我厂主要采用现场智能仪表和后台工控机、PLC组合的模式，数据处理由智能仪表或工控机或PLC完成，数据传送采用RS485总线方式，传送协议根据需要分别采用HART协议、ROC协议、MODBUS协议。智能仪表采用：（1）多参数仪表：FloBoss103流量管理器、Roc407流量管理器，ABB2010TC、MVS205多变量变送器等；（2）单参数仪表：EJA系列差压、压力变送器，Rosemount系列差压、压力变送器；（3）温度传感器：Pt100系列。其中FloBoss103流量管理器是美国埃莫森公司推出的新一代流量计算机，开创了孔板计量天然气的新纪元，是集成度极高的流量计量系统。由于微电子器件采用较多使得其受恶劣天气影响较大，也是因雷击损害最多的仪表。
2集输站场电磁效应分析
由于安全生产的需要，集气站场周围一般设置火炬，火炬高度一般为60m以上。火炬可以实现接闪器的功能，减少保护区域的生产装置雷电直击的危害，但是火炬在引雷的同时，会产生强烈的电磁辐射。因此，认为雷电直击火炬后造成周围电磁环境增强，耦合在传输线路上造成线路电压过高引起设备过电压损坏是事故发生的主要诱因。雷电的电磁效应包括静电感应和电磁感应。带电雷云产生的电场在金属导线上感应出大量束缚电荷，当雷云放电时，电场瞬间变化，束缚电荷失去束缚，沿线路阻抗最小的通路流向大地，产生过电压、冲击电流。这种冲击过电压波的持续时间与线路与地之间的阻抗、电容有关。电压衰减符合ＲC电路放电规律：式中：U———雷击发生后导体与大地的电压，V；U0———雷击发生时导体与大地间的瞬时电压，V；t———雷电放电时间，s；Ｒ———导体与大地的电阻，Ω；C———导体与大地的电容，F。高压输电线路感应过电压可以达到300～400kV，低压输电线路一般为100kV左右，通讯线路的感应过电压为40～60kV。通过对雷击火炬后周围电磁环境的分析可以看到，当雷击通过火炬时，在大电流情况下，距离通道10m处的水平电场峰值达到了150kV/m以上，垂直电场峰值达到了200kV/m以上。设备极易受到电磁感应，局部产生电位差，造成设备损坏。通过雷击电磁脉冲在电缆上的耦合计算，可以看出，雷击火炬时，在线缆终端负载上产生很强的电磁耦合，电压达到了几百千伏，电流达到数百安培，随线缆长度的增加，耦合增强。过电压会通过线缆传入设备中，造成设备损坏。
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3仪表系统防雷的有效策略
3.1均压
在雷电事件发生的过程当中，雷电会在较短的时间内，对于电流所经过的位置会有不同程度的感应，而且这条电流经过的路径会在短时商内产生极高的电，而这种情况的出现，就会导致所在区域内的瞬间的金属电信差。但是由于这种均压的方式效果并不稳定。若是出现的电位差明显大于双方的绝缘耐受效果，那么就会造成介质出现被放电击穿现象。这种放电击穿不仅会导致天然气集输站场自动化仪表系统被直接破坏，而且还能够形成强烈的电磁脉冲，而电磁脉冲还会给其他仪表系统的正常、稳定运行造成极大的干扰。如果想要有效地排解雷电瞬态电流路径，和大型物体间的击穿放电问题，应用当要将现场所使用仪表的金属壳或者支架，以及所有与金属相关的仪器设施，控制室内的组件以及金属外壳等等相关组件，和仪表控制室的防雷接地系统进行有效连接，以构建出一个健全的等电位连接。
3.2屏蔽
石油化工仪表系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。仪表系统的防雷屏蔽主要包括三个方面：控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。（1）控制室屏蔽控制室内的控制系统是仪表系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。将房屋墙壁中的结构钢筋交点处电气连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。（2）现场仪表屏蔽现场仪表可采用金属的仪表箱（罩）实现防雷屏蔽，仪表箱（罩）要与其它现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。（3）信号线和电源线屏蔽为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。就瞬态过压防护而言，需要信号线或电源线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地。当采用多点接地后，各接地点之间的屏蔽层沿线路之间形成回路，低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层，在电缆的芯护套回路产生低频干扰，这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地。为了防止由多点接地所产生的低频干扰，可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆，将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层采取多点接地，金属管内或双屏蔽电缆的内屏蔽层可以采用一端接地，这样既保证安全，又有利于抑制低频干扰。
3.3多点接地
多点接地的方式是将指仪表、PLC等等精密度较高的设备，和保护接地进行区分开来，该种接地方式所具备的优势就是能够实现就近接地。但值得注意的是，若是出现强烈的雷电波时，那么可能会进入到防雷系统当中，电子线路会由于高压力的侵入而受到严重破坏。按照上文中的内容可以了解到，这两种防雷效果并不能够达到良好的效果，所以应当要把保护地和工作地进行连接，然后再接入防雷接地系统，这样防雷问题就可以迎刃而解了。
结语
综上所述，对于天然气集输站场自动化仪表系统防雷问题，应当要及时地对自动化仪表系统的防雷机制进行全面性改造，不仅加装了避雷针用以防雷，而且还在电源总配电箱加装保护器，室外接地箱内也加装了直流电源保护器，以及RS564信号浪涌保护设备；而在通讯线路的防雷工作方面，则是运用双屏蔽电缆，同时采用全线穿管的形式来确保线路不会受到雷电的浪涌侵袭；对于各类仪表设备进行了对等电信连接。在经过以上的改造之后，就能够有效地提高天然气集输站场自动化仪表系统的防雷效果。
参考文献：
[1]GB50174—94（2000年版），建筑物防雷设计规范［S］．
[2]GB50093—2002，自动化仪表工程施工及验收规范［S］．
[3]02D501—2，等电位联结安装［S］．
论文作者:谢春辉
论文发表刊物:《房地产世界》2019年10期
论文发表时间:2019/10/28
标签：防雷论文; 过电压论文; 天然气论文; 屏蔽论文; 仪表论文; 雷电论文; 电磁论文; 《房地产世界》2019年10期论文;