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城镇燃气自控系统安全防雷措施

日期:2022-02-27 20:03:01


随着科技的快速发展和城市燃气企业的数字化转型,城市燃气自动控制系统(包括现场仪表系统)SCADA系统和安全系统)设备的数字化和精度越来越高,对防雷技术的要求也越来越严格。本文阐述了雷电对城市燃气自动控制系统的危害形式,分析了自动控制系统容易被雷击破坏的原因,并在此基础上提出了一些防雷电破坏的安全措施。

文 | 李振悦

0 引 言

雷电是一种常见的灾害性天气现象,在春季和夏季频繁发生,在极短的放电瞬间产生极高的电压和瞬电流,高磁场和高辐射对各种建筑、通信系统、自动控制系统、计算机网络等都有很大的破坏作用,甚至危及人们的生命财产安全。城市燃气自动控制系统(包括现场仪表系统)SCADA系统和安全系统)是保证城市安全可靠供气的重要设施,其分布点广泛,涉及成千上万的煤气安全,大部分系统设备安装在露天环境中,容易遭受雷击破坏,不仅造成重大经济损失,而且给城市煤气管网运行带来重大安全风险,严重甚至造成火灾或爆炸事故。因此,城市煤气自动控制系统必须高度重视雷电的影响,对容易发生雷电的设备采取相关防雷措施,避免或减少雷电损坏,确保城市煤气的安全运行。

1 雷电对城市燃气自动控制系统的危害形式

雷电可分为直接雷击和感应雷击[1],对城市燃气自动控制系统的危害可分为以下三种:

(1)直接雷击。雷电直接击中安装在城市燃气门站、压力调节站或阀室的仪器设备,主要损坏电动阀、流量计、变送器、气体泄漏探测器、监控摄像头等仪器仪表的传感器部件和控制主板。

(2)感应雷击。城市燃气门站、压力调节站或阀室设有避雷针(塔)或避雷线。由于防雷设计或安装不合理,在引下线和接地网中通过强瞬时电流对周围电缆产生电磁感应;或雷电流在通道周围空间产生强电磁场,向外辐射电磁波,耦合到附近的各种电子仪表设备和各种金属导体上,感应高瞬时过电压,通过金属管道和电缆将高电位引入自动控制系统,造成各种设备故障或损坏,甚至瘫痪。

直接雷击或感应雷击可能会对城市燃气门站、压力调节站或阀室等现场的金属导线或金属管道产生过电压。过电压沿各种金属管道和电缆线路将高电位引入调度中心的自动控制系统,干扰系统,甚至损坏设备。

(3)雷电反击[2]。当避雷针(塔)或避雷线等避雷装置连接闪电时,引导强雷电流流入地面。在此过程中,雷电流在其引线、接地体、接地网和连接金属导体上立即产生非常高的电压。如果周围的自动控制系统设备及其接地体与这些避雷装置没有足够的安全距离,两者之间会出现高电压和放电现象,可以直接突破自动控制系统仪器和连接电缆的绝缘部分,干扰甚至损坏系统设备。

2 城市燃气自动控制系统雷击缺陷分析

城市燃气自动控制系统的仪器设备大多安装在室外露天环境中。如果不严格按照规范进行设计、安装和验收,则很容易遭受雷击损坏。分析城市燃气自动控制系统频繁雷击损坏的现象,发现这些系统容易雷击的缺陷主要表现在以下几个方面:

(1)避雷装置安装不合格。城市燃气门站、调压站、阀室设置的独立避雷针(塔)或架空避雷线支柱与受保护建筑物、管道、电缆等金属物体之间的距离过小,不符合防雷规范要求,使避雷装置成为引雷装置

(2)防雷接地不合格。仪器仪表、连接电缆的屏蔽层或金属套管未安装接地装置,或者接地装置的接地电阻过大,远大于相关规范中接地电阻小于4 Ω的要求。

(3)自动控制系统未安装电涌保护装置(SPD)。供电自动控制系统的配电室和配电柜未安装浪涌保护装置,各仪器设备的电源端和信号端未安装浪涌保护装置,无法将强雷电流泄漏到地面,使自动控制系统的设备设施遭受雷击损坏。

(4)自动控制系统中的设备设施不符合等电位连接要求。有些设备设施没有等电位连接,不能迅速消除雷电造成的高电位差,损坏设备。

(5)防雷屏蔽设施不完善。自动控制系统的设备非常精确,对雷电非常敏感。即使是几公里外的高空闪电或地雷闪电也可能导致这些自动控制系统的薄弱环节(如计算机)CPU)损坏或误动作。根据国外资料,3×10-6 T(0.03 Gs)磁感应强度会导致计算机误动,2.4×10-4 T(2.4 Gs)的磁感应强度即可使元件击穿,造成永久损坏。另外,无屏蔽保护的电缆也有可能传导雷电感应电波。

3 城市燃气自动控制系统防雷电损坏安全措施

城镇燃气自控系统安全防雷措施

通过对雷电危害形式和城市燃气自动控制系统防雷缺陷的分析,可以认识到城市燃气自动控制系统雷电损坏的原因有很多。因此,为了保护自动控制系统免受雷击损坏,必须消除各种可能产生雷击的因素,并采取综合防治措施,尽量减少雷击损坏。以下结合工作经验,对城市燃气自动控制系统的安全防雷措施进行了具体的讨论。

3.1 防雷闪光装置按规范要求完善

闪电是按照防雷系统的规定通道,一般是避雷针(塔)或避雷线,将雷电能量泄漏到地面,城市燃气站、压力调节站、阀室安装避雷针(塔)或避雷线,必须严格按照《建筑防雷设计规范》(GB 50057-2010)[ 3] 设计安装、避雷针(塔)或避雷线柱及其接地装置与受保护建筑物、设备设施、管道、电缆等金属之间必须有足够的间隔距离,最小安全净距不小于3 m,避雷针(塔)或避雷线应设置独立的接地装置,接地电阻应小于10 Ω。此外,城市燃气各门站、调压站、阀室的集中放空管在雷击时也可能起到引雷的作用Ω连接接地网,确保安全防雷无盲区。

3.设备设施接地及等电位连接

设备设施的接地和等电位连接可以减少雷电反击对自动控制系统的危害。所有金属(包括金属围栏、风向标、灭火器柜等)必须在城市燃气门站、压力调节站、阀室生产现场接地,所有仪器仪表均接地,防雷、防静电、接地保护共用接地装置,采用联合接地形式。接地电阻必须小于4 Ω,接地网可以通过增加地网面积、降阻剂和深井来降低接地电阻。对于等电位连接,所有少于5个连接螺栓的法兰均采用铜片跨接;平行安装(敷设)间距小于100 mm金属管每间隔不大于25 m交叉间距应小于100 m金属管道应采用金属导线跨接,所有仪表外壳和生产装置的金属设施应与防雷接地系统连接;自动控制系统机房内的设备、部件、部件的金属外壳与金属设施连接,与机房等电位排和防雷接地系统连接,形成完美的等电位连接。

3.3 完善屏蔽设施

使用屏蔽体防止雷电强电磁场影响电子设备是一种有效的保护措施。城市燃气调度中心机房是自动控制系统的心脏,在整个系统中发挥着重要作用。机房周围的墙壁可铺设镀锌钢板,主接地汇流排。接地汇流排的材料采用合适的铜片,接地良好。所有机柜接地均接地汇流排;机房内的设备柜为金属柜,应等电位接地。机房内的所有金属屏蔽套和外壳都需要接地。

采用上述手段处理后,雷电对机房的影响就主要体现在进出电屏柜的电源和信号线路,包括机房与场站现场仪表设备连接的电源和信号线路,需要对线路进行屏蔽,一般的屏蔽方式是采用带金属屏蔽层的铠装线路电缆,套管采用金属套管,禁止采用PVC套管和塑料软管。将铠装层和屏蔽层接地,线路屏蔽层应全程引导,防止中间中断。屏蔽层应沿线多点或至少在线路的第一端和最后两端接地,金属套管也必须接地;现场未接地的仪表外壳可采用金属仪表箱进行防雷屏蔽,仪表信号线和电源线的套管也必须采用金属套管。仪表箱和金属套管应与其他现场金属设施等电位连接,并连接到防雷接地系统。

3.4 设置电涌保护器(SPD)

首先,在系统电源线路上设置电源电涌保护器,从总配电、分配电、重要设备配电等方面综合考虑完善的系统配电线路防雷方案。一级电源电涌保护器的标称冲击电流不小于12.5 kA/ 线(10/ 350 μs),电压保护水平Up不能大于2.5 kV,要求具有相线对地线和中线对地线的保护功能;设备前端电涌保护器的标称冲击电流≥5 kA/ 线(8/ 20 μs),残压≤1.25 kV,要求具有相线对地线和中线对地线的保护功能。这可以保证系统外的电涌被隔离。

其次,在自动控制系统的信号线上设置信号电涌保护器,限制瞬时过电压和浪涌电流,保护无法屏蔽的信号线。信号电涌保护器的排放电流不小于5kA/线(8/20μs),信号传输要求应满足残压、频率、阻抗和接口。

4 结 语

本文提出了防雷电损坏的一些安全措施,在实际应用中被证明是可行的,减少了雷击对城市燃气自动控制系统的损坏,具有良好的推广价值。

鉴于雷击对城市燃气自动控制系统的巨大破坏会影响燃气管网的安全运行,燃气工程建设中必须高度重视防雷设计和防雷设施的安装,合理可靠,符合规范,避免防雷缺陷;同时,在日常工作中,防雷设备设施的维护和定期检查也非常重要。只有这样,才能避免城市燃气自动控制系统的雷击破坏,确保燃气管网的安全运行,确保人民生命财产的安全。

参考文献:

[1] 王琳、张彦生、宋红蓉.谈电力系统的安全防雷[J].山西科技,2011,26(5)-129.

[2] 吴建新、燕荣江、吴宏.雷电反击的分析和讨论[J].2010年9(5)现代科技:27-29.

[3] 建筑防雷设计规范:GB 50057—2010[S].

来源:能源互联网时代


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