一種加油站系統(tǒng)防雷設(shè)計方案

本文通過對汽車加油站所處環(huán)境特點(diǎn)、系統(tǒng)特點(diǎn)中雷電災(zāi)害各因素的分析，根據(jù)其特點(diǎn)對加油棚、油罐及附屬建筑的直擊雷防護(hù)和接地，加油站電源、信號系統(tǒng)的雷電防護(hù)等，依據(jù)GB 50057、IEC61312標(biāo)準(zhǔn)對雷電防護(hù)的要求，提出了系統(tǒng)的解決方案。

　　引言

　　加油站在城市交通建設(shè)中起著重要的作用，也是城市災(zāi)害救助中的重要能源基地，但是近年來加油站的雷電災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，直接威脅到加油站周圍人群和建筑物的安全，削弱了加油站作為城市能源樞紐的功能，因此對加油站的雷電綜合防護(hù)是非常重要的。

　　1.加油站的環(huán)境特點(diǎn)

　　加油站通常具有以下幾個特點(diǎn)：

　　1)地理位置：加油站通常設(shè)在城區(qū)開闊地帶或郊區(qū)、山區(qū)、鄉(xiāng)村、高速公路等道路邊的開闊地帶;

　　2)實施條件：無論在城區(qū)還是鄉(xiāng)村，這些加油站建筑往往都不具備符合要求的防雷實施(包括外部防雷、內(nèi)部防雷和地網(wǎng)等等)。此外，加油站營業(yè)建筑的面積一般都很小，不便于多級防雷方案的實施;

　　3)電源系統(tǒng)：一般加油站的380V交流供電線路是架空明線接入至站區(qū)附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由10KV電力線架空接入，經(jīng)變壓器后再地埋引入建筑的。在鄉(xiāng)村和山區(qū)有時根本沒有地埋措施，因此非常容易感應(yīng)雷電電磁脈沖;

　　4)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：引入加油站的ISDN等通信線路通常也是由戶外架空明線引入的，并且通常未安裝專用電涌保護(hù)器(SPD)做雷電防護(hù)措施。

　　從以上幾個特點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，從雷電防護(hù)角度來看，加油站一般都運(yùn)行于“高風(fēng)險”環(huán)境下，即對于雷害風(fēng)險的“暴露程度”很高，因此需要采取強(qiáng)有力的防護(hù)措施。根據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、GB15599-95《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》、GB 50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)及IEC61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)，其電源線路至少應(yīng)采取兩級雷電防護(hù)，信號線路至少應(yīng)采取一級雷電防護(hù)才能達(dá)到雷電防護(hù)的要求。但目前的情況是，大多數(shù)加油站都沒有進(jìn)行電源線路和信號線路的雷電過電壓防護(hù)。

　　鑒于加油站的上述特點(diǎn)和要求，一般認(rèn)為對于中等以上雷暴強(qiáng)度地區(qū)(年均雷暴日40天以上)，應(yīng)選用最大標(biāo)稱放電電流大于15KA(10/350μS)的電涌保護(hù)器作為電源系統(tǒng)的第一級雷電防護(hù)，其保護(hù)水平應(yīng)小于2000V，同時滿足這兩個方面的要求才能保證加油站設(shè)備用電電源的可靠運(yùn)行。通信信號線路由于多是由外部進(jìn)線，因此同樣會受到雷擊的威脅，因此也需要采用專用通信信號系列電涌保護(hù)器進(jìn)行雷電防護(hù)。下圖為加油站系統(tǒng)圖：

　　2.加油站防雷等級的確認(rèn)

　　依據(jù)GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)按下式計算： N = kNgAe;Ng = 0.024Td 1.3 式中　N 建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a);

　　k 雷擊次數(shù)校正系數(shù);在此類型情況下取2;

　　Ng 建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/(km2•a)];

　　Ae 與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2);

　　Td 該地區(qū)的年平均雷電日數(shù)

　　在下列情況下k取相應(yīng)數(shù)值：

　　a.位于曠野孤立的建筑物取2;

　　b.金屬屋面的磚木結(jié)構(gòu)建筑物取1.7;

　　c.位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風(fēng)口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5;

　　根據(jù)以上年預(yù)計雷擊次數(shù)參數(shù)，對于中等以上雷暴強(qiáng)度地區(qū)(年均雷暴日40天以上)地區(qū)位于公路旁邊四級以下的面積3000平方米左右，建筑高度小于15米的常規(guī)加油站的預(yù)計雷擊次數(shù)為： N = kNgAe≈0.15次/a

　　依據(jù)以上計算，參照GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第2.0.3條的要求，其屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“具有1區(qū)爆炸危險環(huán)境的建筑物，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者”。因此應(yīng)定為二類防雷建筑物，其防爆防火等級應(yīng)定為Ia(ia)ⅡAT3。

3.加油站直擊雷防護(hù)設(shè)計1)站區(qū)的防雷設(shè)計

　　依據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，由于汽車加油站的建筑物的防雷類別為二類，所以用滾球設(shè)計接閃器時滾球半徑R=45m;由于加油站的建筑物包括加油棚、宿舍樓及其它附屬建筑物，這些建筑物在設(shè)計和施工時，利用其框架結(jié)構(gòu)的樁作為垂直接地體，利用地梁與承臺作為水平接地體，利用樁內(nèi)兩條對角主筋作為引下線，利用天面板筋作為接閃網(wǎng)格(通常為10m×10m或8m×12m)，因此只需要沿天面四邊設(shè)避雷帶，在四角設(shè)避雷50cm短針進(jìn)行防護(hù)即可。如加油站為尖頂型結(jié)構(gòu)，需要在尖頂部位安裝避雷針，常規(guī)設(shè)計為高度為100cm避雷針。

　　2)油罐區(qū)的防雷設(shè)計

　　依據(jù)GB50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》第14.2章、防雷的要求：金屬油罐必須作環(huán)形接地，其接地點(diǎn)不應(yīng)少于兩處，其間弧形距離不宜>30m，接地體距罐壁應(yīng)不小于3m。鋼油罐頂板厚度<4mm時，應(yīng)裝防直擊雷設(shè)施，當(dāng)頂板厚度≥4mm，可不裝防直擊雷設(shè)施。但對于位于多雷區(qū)(年平均雷暴日數(shù)多于40天)的油罐和鋁頂油罐，應(yīng)安裝獨(dú)立避雷針做防直擊雷設(shè)施。獨(dú)立避雷針與被保護(hù)油罐的水平距離不應(yīng)小于3m，保護(hù)范圍應(yīng)高于呼吸閥2m以上。

　　依據(jù)GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第三章、建筑物防雷設(shè)施和GB 50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》第14.2章、防雷的要求：油罐區(qū)的防雷類別應(yīng)設(shè)定為一類，用滾球法計算常規(guī)油罐區(qū)的保護(hù)范圍，當(dāng)滾球半徑R=30m時，兩支對角線分布的等高避雷針的高度一般為9.5m，其導(dǎo)流面積應(yīng)大于100mm2 ，根據(jù)安裝需要可進(jìn)行焊接或螺栓緊固在避雷針鐵塔頂部。

　　3)引下線的設(shè)計

　　站區(qū)的避雷針和避雷帶可用建筑物內(nèi)的鋼筋作引下線，將屋面避雷帶按標(biāo)準(zhǔn)要求分別接在四個角上，將避雷帶與建筑混凝土內(nèi)的鋼筋相連。油罐區(qū)的避雷針可用鐵塔作引下線，因鐵塔已良好接地，所以只需在安裝避雷針時保證避雷針與鐵塔有良好的電氣連接，并做防腐處理即可， 4)地網(wǎng)的設(shè)計

　　加油站的地網(wǎng)分為直擊雷保護(hù)接地(其接地電阻要求≤10Ω)、防靜電接地(其接地電阻要求≤10Ω)、電源工作接地(其接地電阻要求≤10Ω)、信號線路直流工作接地(其接地電阻要求≤4Ω)四個部分。

　　依據(jù)GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第三章、建筑物防雷設(shè)施和GB 50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》第14.2章、防雷的要求：加油站的接地應(yīng)采用統(tǒng)一接地的接地形式，并在各處做等電位連接，既油罐的罐體及罐的金屬構(gòu)件以及呼吸閥、量油孔等金屬附件，電力電纜外皮和瓷瓶鐵腳，裝于鋼油罐上的信息系統(tǒng)的配線電纜外皮，加油機(jī)地腳螺釘?shù)染鶓?yīng)與接地系統(tǒng)做可靠的電氣連接，其統(tǒng)一接地電阻要求≤4Ω。

　　考慮到地網(wǎng)使用的長期性和耐腐蝕性，建議使用非金屬接地模塊制作地網(wǎng)。地網(wǎng)布置依據(jù)地形進(jìn)行設(shè)計。水平接地體使用40×4mm鍍鋅扁鋼，埋深0.6米;垂直接地體使用L50×50×5×2000mm鍍鋅角鋼;垂直接地體間使用非金屬接地模塊。地網(wǎng)引出地網(wǎng)測試極到地面上，以便以后檢測地網(wǎng)情況。鐵塔的應(yīng)通過四個腳與地網(wǎng)相連，機(jī)房和變電房的基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋應(yīng)在四角處與地網(wǎng)相連。

　　4.電源配電系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計

　　1)外來導(dǎo)體的布置

　　外來導(dǎo)體包括：金屬水管、通訊電纜線及電力電纜鎧裝外皮或電纜金屬管等。所有的水管和電纜應(yīng)埋地進(jìn)入機(jī)房，水管和電纜鎧裝外皮和保護(hù)金屬管應(yīng)在進(jìn)入機(jī)房時接地，電纜應(yīng)選用鎧裝電纜或穿金屬管埋地進(jìn)入機(jī)房電纜相線和中線應(yīng)通過電涌保護(hù)器接地。

　　2)電源系統(tǒng)電涌保護(hù)器的布置和選擇：

　　A.電涌保護(hù)器的布置原理

　　在LPZ0和LPZ1區(qū)交界：U2 =U1-I2R2 可以看出：U2這樣就可以通過多級鉗位使殘壓逐步降低，以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害。

　　a)通過電涌保護(hù)器的雷電流逐級減少，還為安裝電涌保護(hù)器提供了方便如(圖3)所示，我們在安裝電涌保護(hù)器時總會使用導(dǎo)線進(jìn)行連接，而導(dǎo)線電感在雷電波的頻率下不能忽略，于是有：

　　Uc=UL1+Us+UL2 Uc=Is(ZL1+ZL2)+Us

　　這樣的殘壓將會附加上一個額外的Is(ZL1+ZL2)，如果只有一級電涌保護(hù)器，雷電流的大部將從這一級電涌保護(hù)器泄放入地則Is非常大，這樣要保證U額外Is(ZL1+ZL2),否則則ZL1+ZL2要非常地小,也即導(dǎo)線要非常短,在安裝時往往很難做至,安裝條件就會非?？量?。多級布置使這個部題得至解決。

　　b)SPD4必須盡量靠近設(shè)備，這是因為GB 50057-94(2000版)和IEC 61312表明電涌保護(hù)器距被保護(hù)設(shè)備的距離過大會由于雷電波的反射效應(yīng)而在被保護(hù)設(shè)備上引起高頻振蕩，使得設(shè)備上的電壓超過電涌保護(hù)器上的殘壓而損壞設(shè)備。這個距離應(yīng)小于10米。B.電涌保護(hù)器的選擇

　　a)動作電壓的選擇

　　變壓器低壓側(cè)的電涌保護(hù)器其三相電壓為動作電壓;U0 = 400V

　　b)電涌保護(hù)器的通信容量選擇

　　首級電涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流的選擇

　　GB 50057-94(2000版)和IEC 61312指出：二類保護(hù)要求,應(yīng)按總雷電流150KA(10×350μS波)來考慮電涌保護(hù)器選擇，按照其建議的雷電流分配方式其中50%即75KA是通過接地系統(tǒng)(水管、鎧裝電纜外皮或?qū)Ь€的我屬保護(hù)管等)直接入地;另外50%通過安裝在相線和中線上的電涌保護(hù)器入地。

　　依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)考慮到50%雷電流分配到電源系統(tǒng)的最惡劣環(huán)境，按照GB 50057-94(2000版)標(biāo)準(zhǔn)表6.1提供的雷電流參數(shù)電涌保護(hù)器每相上的雷電流約為：

　　當(dāng)線路無屏蔽時，Iimp =[150 KA×50%]÷4 =18.75KA

　　當(dāng)線路有屏蔽時，Iimp =[150 KA×50%×30%]÷4 =5.625KA

　　對于本系統(tǒng)電源線路的特點(diǎn)，按《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第六章：第四節(jié)：第6.4.7條要求每線標(biāo)稱放電電流不宜小于15KA的要求。首級電涌保護(hù)器的每相標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于15KA(10/350μS)。

　　次級電涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流的選擇

　　依據(jù)國標(biāo)GB 50057-94第6.4.8條：在前級按第6.4.7條要求安裝的10/350μs SPD 所得到的電壓保護(hù)水平加上其兩端引線的感應(yīng)電壓以及反射波效應(yīng)不足以保護(hù)距其較遠(yuǎn)處的被保護(hù)設(shè)備的情況下，尚應(yīng)在被保護(hù)設(shè)備處裝設(shè) SPD。且該 SPD 的電壓保護(hù)水平加上其兩端引線的感應(yīng)電壓小于被保護(hù)設(shè)備耐壓水平的 80%。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的特性(如高電阻型、電容型)或開路時，反射波效應(yīng)最大可將侵入的電涌電壓加倍。

　　依據(jù)國標(biāo)GB 50057-94第6.4.9條：當(dāng)按第6.4.7條和第6.4.8條要求安裝的 SPD 之間設(shè)有配電盤時，若第一級 SPD 的電壓保護(hù)水平加上其兩端引線的感應(yīng)電壓保護(hù)不了該配電盤內(nèi)的設(shè)備，應(yīng)在該盤內(nèi)安裝第二級SPD。后級線路的SPD稱放電電流 In的選擇應(yīng)考慮到前級SPD啟動后線路殘壓和其兩端引線的感應(yīng)電壓以及反射波效應(yīng)。

　對于本系統(tǒng)采用的非屏蔽電纜線路，次級電涌保護(hù)器的每相標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于20KA(8/20μS)。精密設(shè)備保護(hù)需選用防雷插座，其體積小，可以與設(shè)備靠得很近。

　　3)加油站電源系統(tǒng)設(shè)計方案

　　根據(jù)IEC 61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》、GB 50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、GB 50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》及GB 50058-92《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力設(shè)計規(guī)范》中防雷及過電壓規(guī)范有關(guān)防雷分區(qū)的劃分和各級電源系統(tǒng)雷電及過電壓保護(hù)要求，針對汽車加油站配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，可將其分為三個防雷區(qū)分別加以考慮。由于如前所述單級防雷可能會帶來因雷電流過大而導(dǎo)致的泄流后殘壓過大或者保護(hù)能力不足引起的設(shè)備損壞。因此選用電源系統(tǒng)多級保護(hù)，可防范從直擊雷到操作浪涌的各級過電壓的侵襲。

　　A.電源一級防雷[LPZOA-LPZ1區(qū)]：

　　依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第六章：防雷電電磁脈沖;第三節(jié) 屏蔽、接地和等電位連接的要求：第6.3.4條及第四節(jié) 對電涌保護(hù)器和其他的要求：第6.4.7條規(guī)定，在LPZOA或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，從室外引來的線路上安裝SPD當(dāng)線路有屏蔽時，每個SPD的雷電流按雷電流的幅值的30%考慮，汽車加油站為二類防雷建筑物，首次雷電流幅值為150KA，電源線路為非屏蔽埋地的TN配電模式，因此首次直擊雷在低壓配電線路上每線的分配電流為：在建筑物已安裝合格的防直擊雷措施后，有50%的雷電流通過引下線流入接地裝置，因此每線分配電流為：In =[150 KA×50%]÷4 =18.75KA，按《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第六章：第四節(jié)：第6.4.7條要求每線標(biāo)稱放電電流不宜小于15KA。同時，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第六章：第四節(jié) 第6.4.4條及IE C61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》第三部分：浪涌保護(hù)器的要求，浪涌保護(hù)器可以將數(shù)萬伏的感應(yīng)雷擊過電壓限制到4KV以下。

　　綜上所述,應(yīng)在380V低壓總配電箱安裝標(biāo)稱通流容量25KA的10/350μs波形的開關(guān)型模塊式電源電涌保護(hù)器,用于整個加油站所有用電設(shè)備的第一級電源防護(hù)。筆者推薦使用采用多層石墨間隙技術(shù)和特殊的材料工藝的10/350μs波形的開關(guān)型模塊式電源電涌保護(hù)器，此類SPD較火花間隙型SPD的優(yōu)點(diǎn)在于: 1)它的雷電能量瀉放能力較強(qiáng);2)它的脈沖響應(yīng)時間較火花間隙型SPD短;3)它的脈沖點(diǎn)火電壓較火花間隙型SPD低，保護(hù)水平小于2000V，而火花間隙型SPD的保護(hù)水平等級通常為4000V;4)多層石墨間隙型SPD無工頻續(xù)流，避免了火花間隙型SPD的續(xù)流和滅弧問題，工作狀態(tài)更穩(wěn)定。

　　B.電源二級防雷[LPZ1-LPZ2區(qū)]：

　　根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第六章：防雷擊電磁脈沖;第四節(jié)，第6.4.1至6.4.12條LPZ1區(qū)對電涌保護(hù)器(SPD)的要求及GB 50054-95《低壓配電設(shè)計規(guī)范》第四章的有關(guān)規(guī)定，依據(jù)雷電分流理論，需使用8/20μs波形，通流容量20KA?！督ㄖ锓览自O(shè)計規(guī)范》第六章對于配電盤、斷路器、固定安裝的電機(jī)等第Ⅲ類耐沖擊過壓，其耐壓為4KV。為防止浪涌保護(hù)器遭受雷擊后損壞后，電源對地短路，需要在浪涌保護(hù)器前安裝空氣開關(guān)作為短路保護(hù)裝置。

　　可在潛油泵控制線、潛油泵加油機(jī)、稅控加油機(jī)或一般加油機(jī)電源配電箱和營業(yè)大廳電源配電箱內(nèi)分別安裝具有防火功能的8/20μs波形通流容量20KA的電源防雷箱，電源線選用耐油性能良好的帶塑料護(hù)套的RVV型4×2.5mm2絕緣線引入。

　　C.電源三級防雷[LPZ2-LPZ3區(qū)]：

　　根據(jù)IEC 61312-3雷電電磁脈沖的防護(hù) 第三部分：浪涌保護(hù)器的要求，在LPZ2-LPZ3區(qū)內(nèi)，浪涌保護(hù)器可將浪涌電壓限制到一千多伏，防雷器通流容量為(8/20μs)：≥10KA。可在營業(yè)大廳計算機(jī)管理設(shè)備、UPS電源、票據(jù)打印設(shè)備、加油機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及其它精密設(shè)備的電源開關(guān)處使用插座式電源防雷器。

　　5.信號系統(tǒng)保護(hù)方案

　　在雷擊發(fā)生時，產(chǎn)生巨大瞬變電磁場，在1KM范圍內(nèi)的金屬環(huán)路，如網(wǎng)絡(luò)、信號及通訊金屬連線等都會感應(yīng)到雷擊，將會影響網(wǎng)絡(luò)、信號及通訊系統(tǒng)的正常運(yùn)行甚至徹底破壞系統(tǒng)。對于網(wǎng)絡(luò)、信號及通訊方面的防雷工作是較易被忽視的，往往是當(dāng)系統(tǒng)受到巨大破壞、資料損失慘重時才想到應(yīng)該做預(yù)先的防范。本方案中網(wǎng)絡(luò)、信號設(shè)備防護(hù)方面，依據(jù)GB 50174-93《電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》、YD/T5098 《通信局(站)雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范》、GB 2887-89《計算機(jī)場地安全要求》中信號系統(tǒng)雷電及過電壓防護(hù)要求，應(yīng)在從營業(yè)廳液位儀檢測儀引出的液位儀控制線上安裝額定負(fù)載電流1～1.5A的大功率特殊信號電涌保護(hù)器，用于液位儀檢測儀信號線路的保護(hù)。應(yīng)在從營業(yè)廳加油機(jī)總控制線上安裝精密的控制信號電涌保護(hù)器，用于加油機(jī)總控制線路的保護(hù)。應(yīng)在PSTN撥號網(wǎng)絡(luò)通訊線MODEN前和電話通訊系統(tǒng)進(jìn)線端分別安裝電話線路通信線電涌保護(hù)器，用于各設(shè)備網(wǎng)卡及電話通信線路的防雷保護(hù)。

　　6.結(jié)束語

　　汽車加油站配電電源系統(tǒng)宜將其分為三個防雷區(qū)分別加以考慮，首級保護(hù)宜采用標(biāo)稱放電電流值25KA的10/350μs波形的多層石墨間隙開關(guān)型模塊式電源電涌保護(hù)器。液位儀控制線、加油機(jī)總控制線、PSTN撥號網(wǎng)絡(luò)通訊線等也應(yīng)采用相應(yīng)的電涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)。