天然气场站自动控制系统防雷接地技术研究

2022-02-22陈苏东

石油和化工设备 2022年1期

陈苏东

（湖北省天然气发展有限公司，湖北武汉 430000）

1 引言

随着天然气工业技术的不断进步，天然气场站的处理计量设备向自动化、网络化和智能化方向发展。场站内各种智能化设备采用电缆方式连接供电和传输数据，无法承载过大的电流和电压，绝缘强度较低。当智能仪表自身或周边区域受到雷击时，雷电所产生的高强度电流、电压和电磁场通过线路管道、电缆线、电源线等不同的路径传输至仪表设备内，影响设备的正常工作[1-3]。天然气场站应设置相应的防雷电防电涌等防护措施，若防护措施出现问题，可能导致智能化仪器仪表无法正常运行，测量数据显示出错，严重时设备会产生重大损坏，甚至产生工作人员伤亡和安全生产事故[4,5]。因此，在正确评估雷击对自动控制系统危害程度的基础上，天然气场站必须设计合理的防雷接地保护措施，保障场站的正常安全生产。

2 雷击对自动控制系统的危害原理

2.1 直击雷电

当现场智能化仪表或者与其相连接的电缆等线路被雷电直接击中时，仪表设备内部的电路板、传感元件等模块会遭受不同程度的损坏。雷电电流沿着仪表连接管流向大地时，形成高强度的感应磁场，通过仪表电缆传输至控制室，破坏控制室内的控制装置。

2.2 雷电感应

雷电形成云团时，地面上导电设备表面大量电荷会聚集在一起产生静电感应，电荷量到达一定程度时发生放电，当放电电流流入智能仪表内部时，对设备内部电子元件造成损坏。

雷电电流通过电磁感应产生强大的电磁场向周边辐射电磁波，控制室内的控制装置、计算机、电路及智能化仪表受到电磁波影响，产生感应电流，对仪表设备造成不同程度的破坏，甚至导致自动控制系统瘫痪。

2.3 反击电流

雷电电流通过防雷装置的引下线进入接地装置时，由于地面本身存在一定的电阻，强大的电流无法短时间内流入地下被释放，导致接地装置与地面之间的接触位置电势急剧升高。当周围的接地装置与此点距离较近时，较高的电势差产生较大的反击电流，直接击穿周围用电设备的绝缘装置，影响自动控制系统正常运行。

2.4 过电压侵入

直击雷电和感应雷电均会在金属设备表面产生过电压，过电压在电势差的作用下向仪表设备内部流入，仪表设备内部在过电压的高电位影响下，测量功能失效，电路遭到破坏。

2.5 其他危害因素

在整个电网系统中，当大型用电设备切换投运、启动、停运时，电网内会产生较大瞬态的浪涌过电压，成为自动控制系统的最大威胁。

3 自动控制系统防雷保护措施

3.1 直击雷防护技术

在雷电损坏天然气场站自动控制系统的事故中，直击雷损坏所占比例最高，危害破坏程度较大。针对直击雷的主要防护方法是设置接闪杆，将雷电吸引至接闪杆上并引导其流入地下。接闪杆主要结构为连接杆、避雷针、引下线和接地线等，如图1所示。接闪杆的保护范围可按照滚球法进行计算，一般接闪杆设置在天然气场站内相对的两角或者四角处，要求站场内所有装置在保护范围内。当直击雷电流流至站外天然气管道上时，直击雷电流可通过管道流入站内设备上，为避免此种情况发生，站内与站外的管道连接处应设置绝缘法兰等绝缘措施。

图1 接闪杆结构

3.2 接地保护技术

防雷防电涌工程中，接地作为极其重要的环节发挥着不可替代的作用。在自动控制系统接地设计与施工时，应严格按照国家相关标准建立接地系统，选择接地种类、接地连接方式、接线方式等。接地装置设置时，应尽量降低接地体的电阻，加快电流向大地释放过程，减小接地线的长度，缩短雷电电流流动释放距离。天然气场站所在的土壤具有一定的腐蚀性，在设置接地系统之前应提前测量土壤的酸碱度。土壤的基本组成和基本性质如果较为复杂，应设计特殊的接地工艺或者采用降阻剂，并且在易腐蚀的薄弱点设置防腐蚀措施。