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对加油站防雷装置检测的一些认识 |
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许卫东 |
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本文通过对汽车加油站所处环境特点、系统特点中雷电灾害各因素的分析，根据其特点对加油棚、油罐及附属建筑的直击雷防护和接地，加油站电源、信号系统的雷电防护等，依据GB 50057、IEC61312标准对雷电防护的要求，提出了系统的解决方案。 引言 随着我国经济的快速发展，城市的综合灾害防御规划与城市的建设规划共同进行已成为各地政府规划城市建设的主要内容之一。伴随地方经济的发展和人民生活水平的提高，各地的机动车辆也在迅速增加，城市机动车公共加油站这一为之提供能源的配套服务设施也在的速度的增加。加油站在城市交通建设中起着重要的作用，也是城市灾害救助中的重要能源基地，但是近年来加油站的雷电灾害事故频繁发生，直接威胁到加油站周围人群和建筑物的安全，削弱了加油站作为城市能源枢纽的功能，因此对加油站的雷电综合防护是非常重要的。 1、汽车加油站的环境特点 加油站通常具有以下几个特点：1）地理位置：加油站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；2）实施条件：无论在城区还是乡村，这些加油站建筑往往都不具备符合要求的防雷实施（包括外部防雷、内部防雷和地网等等）。此外，加油站营业建筑的面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施；3）电源系统：一般加油站的380V交流供电线路是架空明线接入至站区附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由10KV电力线架空接入，经变压器后再地埋引入建筑的。在乡村和山区有时根本没有地埋措施，因此非常容易感应雷电电磁脉冲；4）通信网络系统：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的，并且通常未安装专用电涌保护器（SPD）做雷电防护措施。 从以上几个特点不难发现，从雷电防护角度来看，加油站一般都运行于“高风险”环境下，即对于雷害风险的“暴露程度”很高，因此需要采取强有力的防护措施。根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》、GB15599-95《石油与石油设施雷电安全规范》、GB 50074-2002《石油库设计规范》等国家标准及IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》标准，其电源线路至少应采取两级雷电防护，信号线路至少应采取一级雷电防护才能达到雷电防护的要求。但目前的情况是，大多数加油站都没有进行电源线路和信号线路的雷电过电压防护。
鉴于加油站的上述特点和要求，一般认为对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日40天以上），应选用{zd0}标称放电电流大于15KA（10/350μS）的电涌保护器作为电源系统的{dy}级雷电防护，其保护水平应小于2000V，同时满足这两个方面的要求才能保证加油站设备用电电源的可靠运行。通信信号线路由于多是由外部进线，因此同样会受到雷击的威胁，因此也需要采用专用通信信号系列电涌保护器进行雷电防护。下图为加油站系统图： 根据以上年预计雷击次数参数，对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日40天以上）地区位于公路旁边四级以下的面积3000平方米左右，建筑高度小于15米的常规加油站的预计雷击次数为： N = kNgAe≈0.15次/a 依据以上计算，参照GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》第2.0.3条的要求，其属于标准规定的“具有1区爆炸危险环境的建筑物，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”。因此应定为二类防雷建筑物，其防爆防火等级应定为Ia(ia)ⅡAT3。 3、汽车加油站直击雷防护设计 1）站区的防雷设计 依据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》，由于汽车加油站的建筑物的防雷类别为二类，所以用滚球设计接闪器时滚球半径R=45m；由于加油站的建筑物包括加油棚、宿舍楼及其它附属建筑物，这些建筑物在设计和施工时，利用其框架结构的桩作为垂直接地体，利用地梁与承台作为水平接地体，利用桩内两条对角主筋作为引下线，利用天面板筋作为接闪网格（通常为10m×10m或8m×12m），因此只需要沿天面四边设避雷带，在四角设避雷50cm短针进行防护即可。如加油站为尖顶型结构，需要在尖顶部位安装避雷针，常规设计为高度为100cm避雷针。 2）油罐区的防雷设计 依据GB50074-2002《石油库设计规范》第14.2章、防雷的要求：金属油罐必须作环形接地，其接地点不应少于两处，其间弧形距离不宜＞30m，接地体距罐壁应不小于3m。钢油罐顶板厚度＜4mm时，应装防直击雷设施，当顶板厚度≥4mm，可不装防直击雷设施。但对于位于多雷区（年平均雷暴日数多于40天）的油罐和铝顶油罐，应安装独立避雷针做防直击雷设施。独立避雷针与被保护油罐的水平距离不应小于3m，保护范围应高于呼吸阀2m以上。 依据GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》第三章、建筑物防雷设施和GB 50074-2002《石油库设计规范》第14.2章、防雷的要求：油罐区的防雷类别应设定为一类，用滚球法计算常规油罐区的保护范围，当滚球半径R=30m时，两支对角线分布的等高避雷针的高度一般为9.5m，其导流面积应大于100mm2 ，根据安装需要可进行焊接或螺栓紧固在避雷针铁塔顶部。 3）引下线的设计 站区的避雷针和避雷带可用建筑物内的钢筋作引下线，将屋面避雷带按标准要求分别接在四个角上，将避雷带与建筑混凝土内的钢筋相连。油罐区的避雷针可用铁塔作引下线，因铁塔已良好接地，所以只需在安装避雷针时保证避雷针与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理即可， 4）地网的设计 加油站的地网分为直击雷保护接地（其接地电阻要求≤10Ω）、防静电接地（其接地电阻要求≤10Ω）、电源工作接地（其接地电阻要求≤10Ω）、信号线路直流工作接地（其接地电阻要求≤4Ω）四个部分。 依据GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》第三章、建筑物防雷设施和GB 50074-2002《石油库设计规范》第14.2章、防雷的要求：加油站的接地应采用统一接地的接地形式，并在各处做等电位连接，既油罐的罐体及罐的金属构件以及呼吸阀、量油孔等金属附件，电力电缆外皮和瓷瓶铁脚，装于钢油罐上的信息系统的配线电缆外皮，加油机地脚螺钉等均应与接地系统做可靠的电气连接，其统一接地电阻要求≤4Ω。 考虑到地网使用的长期性和耐腐蚀性，建议使用非金属接地模块制作地网。地网布置依据地形进行设计。水平接地体使用40×4mm镀锌扁钢，埋深0.6米；垂直接地体使用L50×50×5×2000mm镀锌角钢；垂直接地体间使用非金属接地模块。地网引出地网测试极到地面上，以便以后检测地网情况。铁塔的应通过四个脚与地网相连，机房和变电房的基础内的钢筋应在四角处与地网相连。 4、电源配电系统雷电防护设计 1）外来导体的布置 外来导体包括：金属水管、通讯电缆线及电力电缆铠装外皮或电缆金属管等。所有的水管和电缆应埋地进入机房，水管和电缆铠装外皮和保护金属管应在进入机房时接地，电缆应选用铠装电缆或穿金属管埋地进入机房电缆相线和中线应通过电涌保护器接地。 2）电源系统电涌保护器的布置和选择： A、电涌保护器的布置原理 在LPZ0和LPZ1区交界：U2 =U1-I2R2 可以看出：U2这样就可以通过多级钳位使残压逐步降低，以有效地抑制外来雷电波入侵和雷电电磁脉冲的危害。
b）通过电涌保护器的雷电流逐级减少，还为安装电涌保护器提供了方便如（图3）所示，我们在安装电涌保护器时总会使用导线进行连接，而导线电感在雷电波的频率下不能忽略，于是有： c）SPD4必须尽量靠近设备，这是因为GB 50057-94（2000版）和IEC 61312表明电涌保护器距被保护设备的距离过大会由于雷电波的反射效应而在被保护设备上引起高频振荡，使得设备上的电压超过电涌保护器上的残压而损坏设备。这个距离应小于10米。 B、电涌保护器的选择 a）动作电压的选择 变压器低压侧的电涌保护器其三相电压为动作电压；U0 = 400V b)电涌保护器的通信容量选择 首级电涌保护器标称放电电流的选择 GB 50057-94（2000版）和IEC 61312指出：二类保护要求,应按总雷电流150KA(10×350μS波)来考虑电涌保护器选择，按照其建议的雷电流分配方式其中50%即75KA是通过接地系统（水管、铠装电缆外皮或导线的我属保护管等）直接入地；另外50%通过安装在相线和中线上的电涌保护器入地。 依据以上标准考虑到50%雷电流分配到电源系统的最恶劣环境，按照GB
50057-94（2000版）标准表6.1提供的雷电流参数电涌保护器每相上的雷电流约为： 对于本系统电源线路的特点，按《建筑物防雷设计规范》第六章：第四节：第6.4.7条要求每线标称放电电流不宜小于15KA的要求。首级电涌保护器的每相标称放电电流应大于15KA（10/350μS）。 次级电涌保护器标称放电电流的选择 依据国标GB 50057-94第6.4.8条：在前级按第6.4.7条要求安装的10/350μs SPD 所得到的电压保护水平加上其两端引线的感应电压以及反射波效应不足以保护距其较远处的被保护设备的情况下，尚应在被保护设备处装设 SPD。且该 SPD 的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的 80%。根据被保护设备的特性（如高电阻型、电容型）或开路时，反射波效应{zd0}可将侵入的电涌电压加倍。 依据国标GB 50057-94第6.4.9条：当按第6.4.7条和第6.4.8条要求安装的 SPD 之间设有配电盘时，若{dy}级 SPD 的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备，应在该盘内安装第二级SPD。后级线路的SPD称放电电流 In的选择应考虑到前级SPD启动后线路残压和其两端引线的感应电压以及反射波效应。 对于本系统采用的非屏蔽电缆线路，次级电涌保护器的每相标称放电电流应大于20KA（8/20μS）。精密设备保护需选用防雷插座，其体积小，可以与设备靠得很近。 带潜油泵、液位仪加油站布线图 3）加油站电源系统设计方案 根据IEC 61312《雷电电磁脉冲的防护》、GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》、GB 50074-2002《石油库设计规范》及GB 50058-92《爆炸和火灾危险环境电力设计规范》中防雷及过电压规范有关防雷分区的划分和各级电源系统雷电及过电压保护要求，针对汽车加油站配电系统的特点，可将其分为三个防雷区分别加以考虑。由于如前所述单级防雷可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大或者保护能力不足引起的设备损坏。因此选用电源系统多级保护，可防范从直击雷到操作浪涌的各级过电压的侵袭。 A、电源一级防雷[LPZOA-LPZ1区]： 依据《建筑物防雷设计规范》第六章：防雷电电磁脉冲；第三节屏蔽、接地和等电位连接的要求：第6.3.4条及第四节对电涌保护器和其他的要求：第6.4.7条规定，在LPZOA或LPZ0B区与LPZ1区交界处，从室外引来的线路上安装SPD当线路有屏蔽时，每个SPD的雷电流按雷电流的幅值的30%考虑，汽车加油站为二类防雷建筑物，首次雷电流幅值为150KA，电源线路为非屏蔽埋地的TN配电模式，因此首次直击雷在低压配电线路上每线的分配电流为：在建筑物已安装合格的防直击雷措施后，有50%的雷电流通过引下线流入接地装置，因此每线分配电流为：In =[150 KA×50%]÷4 =18.75KA，按《建筑物防雷设计规范》第六章：第四节：第6.4.7条要求每线标称放电电流不宜小于15KA。同时，依据《建筑物防雷设计规范》第六章：第四节第6.4.4条及IE C61312《雷电电磁脉冲的防护》第三部分：浪涌保护器的要求，浪涌保护器可以将数万伏的感应雷击过电压限制到4KV以下。 综上所述,应在380V低压总配电箱安装标称通流容量25KA的10/350μs波形的开关型模块式电源电涌保护器,用于整个加油站所有用电设备的{dy}级电源防护。笔者推荐使用采用多层石墨间隙技术和特殊的材料工艺的10/350μs波形的开关型模块式电源电涌保护器，此类SPD较火花间隙型SPD的优点在于: 1)它的雷电能量泻放能力较强；2)它的脉冲响应时间较火花间隙型SPD短；3)它的脉冲点火电压较火花间隙型SPD低，保护水平小于2000V，而火花间隙型SPD的保护水平等级通常为4000V；4）多层石墨间隙型SPD无工频续流，避免了火花间隙型SPD的续流和灭弧问题，工作状态更稳定。 B、电源二级防雷[LPZ1-LPZ2区]： 根据《建筑物防雷设计规范》第六章：防雷击电磁脉冲；第四节，第6.4.1至6.4.12条LPZ1区对电涌保护器（SPD）的要求及GB 50054-95《低压配电设计规范》第四章的有关规定，依据雷电分流理论，需使用8/20μs波形，通流容量20KA。《建筑物防雷设计规范》第六章对于配电盘、断路器、固定安装的电机等第Ⅲ类耐冲击过压，其耐压为4KV。为防止浪涌保护器遭受雷击后损坏后，电源对地短路，需要在浪涌保护器前安装空气开关作为短路保护装置。 可在潜油泵控制线、潜油泵加油机、税控加油机或一般加油机电源配电箱和营业大厅电源配电箱内分别安装具有防火功能的8/20μs波形通流容量20KA的电源防雷箱，电源线选用耐油性能良好的带塑料护套的RVV型4×2.5mm2绝缘线引入。 C、电源三级防雷[LPZ2-LPZ3区]： 根据IEC 61312-3雷电电磁脉冲的防护第三部分：浪涌保护器的要求，在LPZ2-LPZ3区内，浪涌保护器可将浪涌电压限制到一千多伏，防雷器通流容量为（8/20μs）：≥10KA。可在营业大厅计算机管理设备、UPS电源、票据打印设备、加油机数据传输设备及其它精密设备的电源开关处使用插座式电源防雷器。 5、信号系统保护方案 在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1KM范围内的金属环路，如网络、信号及通讯金属连线等都会感应到雷击，将会影响网络、信号及通讯系统的正常运行甚至彻底破坏系统。对于网络、信号及通讯方面的防雷工作是较易被忽视的，往往是当系统受到巨大破坏、资料损失惨重时才想到应该做预先的防范。本方案中网络、信号设备防护方面，依据GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》、YD/T5098 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》、GB 2887-89《计算机场地安全要求》中信号系统雷电及过电压防护要求，应在从营业厅液位仪检测仪引出的液位仪控制线上安装额定负载电流1～1.5A的大功率特殊信号电涌保护器，用于液位仪检测仪信号线路的保护。应在从营业厅加油机总控制线上安装精密的控制信号电涌保护器，用于加油机总控制线路的保护。应在PSTN拨号网络通讯线MODEN前和电话通讯系统进线端分别安装电话线路通信线电涌保护器，用于各设备网卡及电话通信线路的防雷保护。 结束语
汽车加油站所属环境为雷电高风险地区，依据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》标准的要求，应该按二类建筑物雷电防护要求来考虑，其油罐区应按一类建筑物雷电防护要求来考虑。该区域的直击雷防护和接地应该严格按GB
50057-94《建筑物防雷设计规范》和GB
50074-2002《石油库设计规范》的要求进行设计。汽车加油站配电电源系统宜将其分为三个防雷区分别加以考虑，首级保护宜采用标称放电电流值25KA的10/350μs波形的多层石墨间隙开关型模块式电源电涌保护器。液位仪控制线、加油机总控制线、PSTN拨号网络通讯线等也应采用相应的电涌保护器进行保护。 相关资料： |
如何防御直击雷、感应雷
雷电是大气中自然放电现象，云层的放电可对飞行器发生危害，云层对大地的放电则对建筑物和人畜危害极大。现代防雷的技术原则是强调xxx防护，综合治理、多层设防，把防雷作为一个系统工程来设计。由于雷电的危害无孔不入，雷电的破坏作用主要由以下几种方面引起：
直击雷：直击雷是雷电直接击在建筑物上。由于雷击时，雷电压高达几百万-几千万伏，雷电流高达几万到几十万安，强大的雷电流所经物体上的水分受热汽化膨胀，而产生强大的热效应和机械效应，从而使建筑物遭受到破坏，同时可能会引起火灾。
感应雷：感应雷是指当雷云来临时地面上的一切物体，尤其是导体，由于静电感应，都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷，在雷云对地或对另一雷云闪击放电后，云中的电荷就变成了自由电荷，从而产生出很高的静电电压（感应电压）其过电压幅值可达到几万到几十万伏，这种过电压往往会造成建筑物内的导线，接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花，从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或对供电系统造成的危害。另一种情况是，在雷电闪击时，由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近就形成了一个很强的感应电磁场，对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，又或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾。另外，当架空线遭受直击雷或产生感应雷，高电位便会沿着导线电源线以及信号侵入变电站或建筑物内，这种雷电波侵入也会对电气设备造成危害或使建筑物内的金属设备放电，引起破坏作用。
要使建筑物内部设备不受雷电损害的根本办法，就是使建筑物具有一套完善的防雷设施，为了实现其对不同雷害的防护目的，必须采用接闪、分流、屏蔽、均压、接地等技术措施。建筑物的防雷设施应包括接地体、引下线、避雷网格、避雷带、避雷针、均压环、等电位、避雷器共八个技术环节。有效利用建筑物架构相互焊接成网，做好笼式屏蔽和等电位处理。这种设计不仅经济实惠而且符合现代防雷的思路，为电气和电子设备防止雷电电磁脉冲（LEMP）破坏提供了基础条件，利用建筑物的基础桩、梁柱等结构钢筋，作为引下线和接地装置，具有经济、美观和利于雷电流散流以及不必维护和寿命长的优点。将建筑物的桩筋、地梁内的主筋和柱内的主筋焊接起来，并把地梁外圈梁中间（网格）钢筋焊接成一个闭合环路，组成一个完整的接地系统。这种接地系统与大地接触面广，接地电阻低，而且钢筋得到混凝土的保护，受侵蚀作用减少，接地电阻比较稳定。
现代雷电的综合防护，不但要解决建筑物的直击雷防护，还有对进入建筑物内的各种金属管道、电源线、信口线的LEMP防护，以确保建筑物内电器、电子设备等的安全。利用建筑物屋顶的避雷带、网和四周墙面内的柱钢筋作为引下线，以及梁钢筋相互焊接，把进入建筑物的水管、金属管道等金属构件作良好电气连接。这样，整座建筑物就形成了一个理想的“法拉第笼”屏蔽网，不但能使雷电流有良好的散流途径，均压分流、接地电阻小、而且整座建筑物形成统一的等电位系统，保持均压作用。利用地下建筑物基础接地体，由于接地体面积大，大大降低了接地电阻。利用柱筋作为引下线，由于引下线多，分流效果好，可大大减少了各引下线的电流值。在高层的建筑物防雷中，考虑到雷电流的散流途径长。从接闪器到引下线到接地装置的电位梯度大，为了均衡电位，降低电位梯度，对高层外圈梁的钢筋焊接成闭合回路，构成水平避雷带，可有效地防范侧击雷。
防雷小常识
1、留在室内，关好门窗；在野外无法躲入有防雷设施的建筑物内时，要将手表、眼镜等金属物品摘掉，千万不要在离电源、大树和电杆较近的地方避雨；尽量降低身体的高度，以减少直接雷击的危险；双脚要尽量靠近，与地面接触越小愈好，以减少“跨步电压”；野外{zh0}的防护场所是洞穴、沟渠、峡谷或高大树丛下面的林间空地。
2、不宜使用无防雷措施或防雷措施不足的电视、音响等电器，不要靠近打开的门窗、金属管道，要拔掉电器用具插头，关上电器和天然气开关。切忌使用电吹风、电动剃须刀等。不宜使用水龙头。
3、切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙等带电设备或其它类似金属装置，不要收晒衣绳或铁丝上的衣服。不要从事栅栏、电话或输电线、管道或建筑钢材等安装工作。切勿处理开口容器盛载的易燃物品。
4、不要或减少使用电话和手提电话，不宜停留在铁栅栏、金属晒衣绳、架空金属体以及铁轨附近，切勿站立于山顶、楼顶上或接近导电性高的物体。不宜进入和靠近无防雷设施的建筑物、车库、车棚、临时棚屋、岗亭等低矮建筑。
5、切勿游泳或从事其它水上运动或活动，不宜停留在游泳池、湖泊、海滨、水田等地和小船上。不宜进行室外球类运动，在空旷场地不宜打伞，不宜把锄头、铁锹、羽毛球拍、钓鱼杆、高尔夫球杆等扛在肩上。
6、当感觉到身体有电荷时，如头发竖起，或者皮肤有显著颤动感时，要明白自己可能就要受到电击，应立刻倒在地上，等雷电过后，呼叫别人救护。
7、不宜骑马、骑自行车、驾驶摩托车和敝蓬拖拉机，汽车往往是极好的避雷设施，因有屏蔽作用，及时被闪电击中汽车，也不会伤人。单位应该怎样进行雷电灾害防范？
8、单位应定期由有资质的专业防雷检测机构检测防雷设施，评估防雷设施是否符合国家规范要求。
9、单位应设立防范雷电灾害责任人负责防雷安全工作，建立各项防雷安全工作规范，建立各项防雷设施的定期检测制度。雷雨后要进行安全检查，做好设施的日常维护工作。如雷雨过后，应检查安装在电话程控交换机、电脑等电器设备电源和信号线上的过压保护器有无损坏，发现损坏时应及时更换。
10、建设单位在防雷设施的设计和建设时，应根据地质、土壤、气象、环境、被保护物的特点以及雷电活动规律等因素综合考虑，采用安全可靠、技术先进、经济合理的设计施工方式。
11、应采用技术和质量均符合国家标准的防雷设备、器件、器材，避免使用非标准防雷产品和器件。
12、新增加建设和新增加安装设备应同时对防雷系统进行重新设计和建设，如重新铺设电脑网络线、室外天线的移位和加高等都应该重新设计和建设防雷设施。
13、雷灾发生时应及时向有关部门上报情况，以便及时处理，避免再次遭受雷击。
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