曼型储气柜的防雷接地设计

中国市政工程华北设计研究总院有限公司　侯　彪

曼型储气柜的防雷接地设计

中国市政工程华北设计研究总院有限公司侯彪

明确了曼型储气柜属于第二类防雷建筑物，介绍了相应的雷电参数和防雷措施，并给出了曼型储气柜内部活塞不会产生和积聚静电的理由。

雷电流参数防雷措施联合接地静电

0　概述

曼型储气柜也叫稀油密封干式储气柜，具有储气压力稳定、使用寿命长等优势，其在钢铁、焦炭、煤层气开发等领域被广泛应用。曼型储气柜筒体是由钢板焊接而成的全钢结构，筒体内有随储气柜内部压力变化上下移动的活塞，从而实现对燃气的内存或外输功能。

1　防雷设计

1.1防雷分类

曼型储气柜因其所储存介质的爆炸性气体危险属性被确定为第二类防雷建筑物，该分类并非通过风险评估获得，而是因可能的雷害会产生严重后果人为确定。

1.2　雷电流参数

依据国际大电网会议(CJGRE)报告中的雷电流参数统计分析结果：雷电流的峰值电流有99%不超出200 kA，有99%不小于3 kA。第二类防雷建筑物防护的雷电流最大峰值为150 kA，电荷量75 C，单位能量5.6 MJ/Ω；雷电流时间参数为10 us/350us；雷电流的峰值电流有98%不超出150 kA。这些参数被用来确定外部防雷系统材料截面积、有效厚度及其安装固定方法，确定LPZ0B与LPZ1界面处等电位连接的雷电防护器件和确定模拟雷电流对这些器件影响的测试参数。第二类防雷建筑物防护的雷电流最小峰值为10 kA，由此确定滚球半径为45 m；雷电流的峰值电流有91%不小于10 kA。

由于雷电防护系统外部防雷措施的效率等于雷电流参数在这个范围内的概率，因此第二类防雷建筑物外部防雷装置拦截直击雷的效率为0.89。

1.3防雷措施

诚如《雷电防护 第1部分：总则》(GB/T 21714.1—2008)所描述的，建筑物和服务设施的理想防雷措施应该是把被保护对象置于接地良好的、有足够厚度的、良好电气贯通的屏蔽体内，并在连接到建筑物的服务设施进入屏蔽体的入口处做适当的等电位连接。很显然，曼型储气柜要达到如此理想防雷效果是不经济的，也是不现实的。为减少雷电活动对储气柜及其附属设施的直接或间接不利影响，雷电防护系统通常由外部防雷系统和内部防雷系统两部分组成。

外部防雷系统通常由接闪器、引下线、接地装置三部分组成。接闪器的功能是拦截直击建筑物的雷电，同时利用雷电流最小参数和相应的滚球半径确定LPZ0B防御区域的几何边界，使需要保护的建筑物至少处在LPZ0B雷电防护区域内部。需要明确指出的是接闪器不允许采用具有放射性的物质。引下线的功能是安全引导雷电流流入接地装置。接地装置的功能是使雷电流入地流散。

内部防雷系统是在建筑物内利用等电位连接或经SPD与等电位体连接，及使建筑物内导电部件与外部防雷系统中的引下线隔开一段有效距离，使建筑物内电气电子系统处在与其额定绝缘耐受电压水平要求的电磁环境相适应的LPZ分区内。

在假设雷电流的阻性发热及电弧发热全部用来加热直径8 cm圆形面积钢质金属体前提下，遭首次正极性雷击时雷击点金属熔化深度0.06 mm，且能达此最大值的概率低于10%。因此当储气柜壁厚不小于4 mm时，按照《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)的有关规定利用其本体做外部接闪器，否则应安装外部接闪器。

镀锌钢材具有较好的经济性、耐腐蚀性和广泛的环境适应性等优异特性，因此在需要安装接闪器的场合常被用作外部接闪器材料。通过校核雷电流热效应作用效果，第二类防雷建筑物防雷装置的钢导体截面积为93 mm2，因此外部接闪器选用D12热镀锌圆钢。

对于服务于储气柜的电气电子系统，除考虑外部防雷系统外，正常情况下非带电导电部件及与之相连接的线路金属保护管或金属屏蔽层应与储气柜作等电位连接。

2　接地设计

2.1接地装置材料选型

一般接地装置都有防护性和功能性两大功能，但应优先满足防护性要求。目前接地装置所用材质主要有铜材和钢材，在土壤环境中铜材具有较好的耐腐蚀性和导电性，但由于铜的价格比较高、矿藏量比较小、在土壤环境中会加速附近钢材的腐蚀等因素，以及相对铜材铁矿矿藏量更加丰富、钢材也更加经济、在土壤中具有更好的热稳定性、通过热镀锌处理的钢材抗土壤腐蚀性更强等因素，国内建设项目的接地装置大部分用的是镀锌钢材。

选择接地装置首先应满足对其热稳定性要求。现阶段除第一类防雷建筑物外的其他建筑物的接地装置均是兼顾防护性和功能性的联合接地，曼型储气柜的接地装置一般采用联合接地。在额定电压230～400V供配电系统中，150 kA的雷电流远大于实际工程中的三相短路电流值，因此按满足雷击热稳定性要求的第二类防雷建筑物的接地装置均满足230～400 V供配电系统在短路条件下的热稳定性要求，亦即曼型储气柜接地装置采用40×4热镀锌扁钢和50×5×2 500热镀锌角钢完全能够满足联合接地装置热稳定性要求。

其次接地装置应满足对其预期寿命的要求。接地装置的寿命应综合考虑其保护对象的寿命及其维护维修周期和本身维护维修周期及其在土壤中的受腐蚀程度。通常曼型储气柜经济寿命约50年，机电设备经济寿命约20年。曼型储气柜的检修周期一般情况下为3～5年。按照2013年6月1日起施行的《防雷减灾管理办法》(中国气象局令第24号)第十九条规定曼型储气柜的接地装置应每半年检测一次。

由于大多数情况下工程所在地的土壤电阻率都在50 Ω·m以上，钢质接地装置的受腐蚀程度比较轻。现取钢质接地装置腐蚀速率为0.4 kg/(m2·a)，通过计算可知接地装置在20年寿命期内腐蚀深度为1.02 mm；在50年寿命期内腐蚀深度为2.55 mm。综合上述因素可以看出，在考虑适当富裕量的前期下曼型储气柜接地装置采用40×4热镀锌扁钢和50×5×2 500热镀锌角钢，其20年的使用寿命期是有保障的，并且20年的寿命期也是合理的。

2.2接地装置施工

依据《建筑物防雷设计规范》第4.3.10条规定，曼型储气柜“两接地点间距离不宜大于30 m”。此款规定应理解为“沿曼型储气柜周长计算两接地点间距离不宜大于30 m”，理解成两接地点间直线距离不宜大于30 m是不正确的。举个极端的例子，如果曼型储气柜直径是30 m，那么在任一直径线上的两点接地是不满足《建筑物防雷设计规范》第4.3.10条的要求的，其正确性可以通过规范《建筑物防雷设计规范》第4.2.4条2款、第4.3.3条、第4.4.3条及《石油库设计规范》(GB 50074—2002)第14.2.2条的明确规定得到验证。

为确保接地装置附近的人员安全，曼型储气柜接地电阻值一般不大于4 Ω，接地装置埋设深度为1.0 m。在埋设接地装置地表处铺设植草砖，或者在埋设接地装置之外适当距离处设置围栏都是增加接地装置附近安全性的有效措施。工程实践和工程计算都表明，接地装置在满足接地电阻值要求的前提下适当深埋是最有效、最经济、又容易实施的降低跨步电压的方法。

2.3活塞静电接地

在保障曼型储气柜柜体完好接地的前提下，气柜内部活塞是否会产生和积聚静电是活塞与柜体用导线连接的前提。首先，曼型储气柜的活塞因其结构上存在诸如导轮、滑板、弹簧压紧装置、防回转机构等的作用能够保证在任何情况下活塞与储气柜筒体具有紧密接触，因此活塞在沿储气柜筒体上下移动的过程中不可能产生静电。其次，曼型储气柜活塞处在封闭的全钢金属构造的筒体内部，不会因外界电磁场感应使其表面产生不平衡电荷分布。第三，与储气柜连通的进出气管道均安装有可靠的防雷防静电接地装置，储气柜内气体不可能将在生产加工、输送过程中产生的静电荷带给活塞。其四，假设储气柜内气体与柜体侧板、底板、活塞存在因相对运动产生一定量的静电电荷，如果将储气柜内气体所带静电电荷看作是一电压源V，柜体侧板及气柜底板是与该电压源相连接的电阻R1，活塞是与该电压源并联连接的电阻R2，很明显曼型储气柜会因结构上的缘故使R1远小于R2，电压源V将通过低电阻R1放电，即储气柜内气体所带静电电荷通过柜体侧板及气柜底板泄放入地。既然储气柜内气体所带静电电荷可以通过柜体侧板及气柜底板的良好接地被泄放入地，活塞中就不可能存在所谓的静电电荷。因此，不论是否考虑曼型储气柜密封油因素的影响，内部活塞都不会产生和积聚静电电荷，也就不需要使用导线与柜体进行连接。

到目前为止，曼型储气柜密封油对活塞是否产生和积聚静电的影响一直没有明确结论。曼型储气柜密封油标准只对“运动粘度、粘度指数、倾点、闪点、酸值、水分、机械杂质、腐蚀试验、抗乳化性、液相锈蚀、密度、氧化安定性”等质量指标及试验方法进行了明确，对于反映“电连续性”或者“静电导通性”指标的电阻率(或者电导率)没有涉及。由于历年的工程实践没有报告显示曼型储气柜密封油会对活塞是否产生和积聚静电造成一定影响，因此曼型储气柜活塞不会产生和积聚静电电荷，不需要使用导线与柜体进行连接。

3　结语

综上所述，曼型储气柜防雷接地设计在按照满足150 kA雷电流热效应选择的外部防雷系统前提下，结合内部防雷系统的等电位连接措施就可以对储气柜实现可靠保护，并满足对储气柜和外部防雷系统预期寿命值的要求。同时，曼型储气柜活塞不需要使用导线与柜体进行连接。

Lightning Protection & grounding Design of M.A.N Gasholder

North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd.Hou Biao

That the M.A.N gasholder belongs to the second lightning protection building was clarified, lightning protection parameters and countermeasures introduced, and the reason that the internal piston does not produce and accumulate static electricity has been given as well.

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