汽车加油加气站的雷电与电涌防护

汽车加油加气站的雷电与电涌防护欧清礼二○○四年十月１摘要：本文通过对汽车加油加气站所处的环境特点，近几年加油加气站雷击事故统计分析，加油加气站雷击事故多为侵入雷与雷电反击造成，提出了系统综合的防雷方案。作者简介：原中国石化工程建筑公司电气高级工程师，曾参加国标“石油库设计规范”及“加油加气站设计与施工规范”编制。主编供配电、防雷、防爆、防静电等有关章节。关键词：汽车加油站、汽车加气站、爆炸危险区、电磁封锁、避雷带（网）一、概述：随着我国经济快速发展，人民生活水平的提高，汽车进入平民百姓家，汽车运输迅猛发展，为之提供能源配套服务的设施——汽车加油加气站的建设，如雨后春笋般的急速增加。它对城市交通起着很重要的作用。随着汽车加油加气站的自动化水平的提高，如计算机计量、计价、油罐液位计量、自动火灾报警等应用越来越普遍，使近几年加油加汽站的雷电事故逐年增加，影响机动车加油加气，削弱了加油加气站作为城市能源枢纽的功能，也给不了解加油加气站安全性能的人们,产生不安全感。因此，对汽车加油加气站的雷电与电涌保护就显得非常重要了。２二、加油加气站的环境特点：加油加气站通常具有以下几个特点：1、地理位置：加油加气站通常应纳入建设总体规划，设置在交通便利的城区开阔地带或郊区、道路干线、主干线、高速公路旁边等地带。2、实施条件：加油加气站的建筑一般都有高大的罩棚，较低一些的营业室、值班室等，一般占地面积不大，不便于多级防雷的实施。加油加气站的油罐都采用直接埋地式，不低于4m的通气管都安装有阻火器（兼有防爆性能）。3、电源系统：一般加油站都用220/380U外接电源，加气站、加油加气合建站都用6～10KV外接电源。并独立设置电能计量装置。电力线路一般都采用电缆直接埋地敷设，进出建筑物及穿越行车道部分都应穿钢管保护。4、电子系统：加油加汽站的电子系统应采用铠装电缆或导线穿钢管配线，配线电缆金属外皮两端，保护管两端均应作屏蔽等电位接地。5、爆炸危险区域划分：汽车加油加气站的爆炸危险区域划分详见《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156—2002，附录B。一般只有加油加气机周围，油罐内部及通气口周围，阀井及油罐车卸车场地有时３可能存在爆炸危险环境，但一般是运营操作时存在，停止运营操作时消失。（卸车场地、加油场地、油罐进油时通气管周围等）。从以上几个特点不难发现，从防雷击事故来看，汽车加油加气站不象有些人说的在“高风险”环境下运行，要采取强有力的防护措施。只要根据国标《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156—2002设防，汽车加油加气站可以安全平稳的运行。三、汽车加油加气站的雷击事故分析：为了防止加油加气站的雷击事故，找出发生雷击事故的原因，采取安全、可靠、经济适用的措施防雷，就能达到少投入、多产出，事半功倍的效果。1、全国加油加气站雷击事故统计：统计年全国雷击事故（次）全国加油加气站雷击事故（次）全国加油加气站事故率%加油机雷击坏事故(次)加油机雷击损坏占加油站雷击事故的事故率%备注20011741220.0261986.320023386540.0644583.320033911790.0936582.3注：1）全国加油加气站按85000座考虑。2）加油机雷击事故主要是电脑加油机主控电路板击坏，占全国加油加气站事故的80%以上。3）在统计加油加气站雷击事故时，没有发现一次由于雷击事故造４成加油加气站（按国标要求建造）爆炸火灾事故的案例。从上面全国加油加气站雷击事故统计情况看出，加油加气站的雷击事故，主要是雷击使电子系统设备损坏事故。其中电脑加油机主控板的雷击事故最多，占80%以上，其次是报警系统，空调、电视机等，分析原因都是侵入雷与雷电反击所为，因此汽车加油加气站必须采取系统的综合防雷措施，特别应加强对侵入雷与雷电反击的防护。四、汽车加油加气站的雷电与电涌防护：汽车加油加气站的防雷，必须采取系统的防护措施：即接闪、分流、接地、均压、电磁封锁、合理布线，安装电涌保护器（SPD）等综合措施，才能有效的防止雷电事故，确保汽车加油加气站平稳安全的运行。加油加气站的建筑物主要包括：埋地油罐、埋地液化气罐、石油液化气泵房、天燃气压缩机房、站房（营业室、值班室、罩棚），地上液化石油气罐、储气瓶房等，爆炸危险区Ⅰ区的范围较小，绝大部分是Ⅱ区。根据国标GB50057—94《建筑物防雷设计规范》，应定为第二类防雷建筑物，它的系统防雷包括以下措施：1、接闪：根据汽车加油加气站所处的气象、地形、地貌、周围环境等因素进行综合分析，当该加油加气站有可能遭受直接雷击时（汽车加油加气站位于高速公路、城市主干道、干道路旁的开阔地段、河流、沿湖、５海边等边沿地段，建造在多雷地区（年雷暴日≥40d/a）。应在其屋面上装设避雷带（网）进行接闪2、分流：加油加气站在其屋面上安装有避雷带（网）接闪后，应利用柱钢筋或敷设扁钢作引下线，为使雷电流分多路引导泄入大地，降低雷电在附近导体或电线、电缆上的感应电势或电流，应尽可能多的布置引下线，均匀布置在加油加气站四周，地下部分与接地网焊接。3、接地：加油加气站的防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地、电子系统的接地（逻辑地、参考地），SPD接地等，宜共用接地装置，其接地电阻值不应大于4Ω。接地应围绕建筑物作环形闭合接地装置，在每根引下线处，布置2—3根垂直接地极，垂直接地极长2.5m，埋深0.7m以下，作用是降低冲击接地电阻及固定环形闭合装置，接地网应在油罐卸车场地，加油机安装处，配电盘进线处，埋地油罐通气管处等焊接出接地支线，为上述设备作接地用。4、电磁封锁：加油加气站的供电电源线路，应采用铠装电缆埋地或导线穿钢管埋地引入，电缆或配线钢管长度不应小于2√ρm,（ρ为当地土壤电阻率），且不应小于15m，电缆铠装及保护管两端均应可靠接地。加油加气站的电子系统也应采用铠装电缆或导线穿钢管配线，配线电缆金属外皮两端，保护管两端均应接地。６5、均压：加油加气站围绕建筑物作环形闭合接地装置后，所有进出环形接地装置的金属管道。电缆金属外皮，导线保护管，均应在与环形接地装置交叉处相连。加油站内的所有需接地的设备与构件，如油罐、加油机、通气管、配电盘、电子系统用配电盘、开关、灯具等都要与接地网相连接，为使相邻的金属导体及设备上的电势（电压）相等。防止雷电反击火花及维护操作人员产生电击，保护设备及人身安全。相邻的金属导体及设备应用导电体跨接。6、合理布线：当汽车加油加气站的屋面上装有避雷带（网）接闪时，动力配线与电子系统配线，应尽量远离避雷带的引下线，最好两者相距2m以上，否则应套钢管加强屏蔽。7．安装SPD在供电线路及电子系统传输线上，经常会产生对其设备有破坏性的电涌波形。为对供电设备及电子系统设备实施保护，需在以下部位安装电涌保护器SPD。①供配电系统的电源端：根据规范要求，加油加气站的220/380U电源宜采TN－C系统，在总配电箱后应采用TN—S系统，总配电箱电源进线处PEN线作重复接地，总配电箱以后N线与PE线严格分开。其SPD接线如图1。７L1L1L2L2L3L3电源PE上级电源柜进线段F2SPD配电箱外壳3RAPENN加油加气站配电柜图（1）电源为TN－C系统时，总配电箱处的接线图注：1、上级电源柜的F1为本回路保护电器（熔丝或断路器）2、加油加气站配电柜中的F2保护电器是保护SPD电涌保护器。F112８3、RA为接地网接地电阻。4、当电源采用TN－S系统时，配电柜前N线不作重复接地，必须在N与PE线之间加装一个SPD（电涌保护器）。②SPD选型要求：A、最大冲击放电电流（Iimp）：应根据建筑物的防雷类别（加油加气站属第二类防雷建筑物），再根据进出建筑物的导电物（金属管线、电力线、通信线）进行分流。每一导电物电流为i1=Is/2/n(KA),(n为导电物路数)，供电电缆每一芯线电流为ir=i1/m(KA)（m为电缆芯线数）。当计算不可靠或有困难时，按Iimp≥12.5KA选取。5、电流波形确定：加油加气站的电源进线，大都采用铠装电缆进线，与架空线T接端的电缆头应装避雷保护，电缆铠装外与避雷器接地端并联再接地，加油加气站的配电端电缆头再接地。因此电缆可以起到屏蔽与分流作用，此种情况可能使外进来的电流小于A项计算值，但仍应按外来分流考虑，即按A项。少数加油加气站的电源线采用架空进线（不符合规范），架空线可能遭受直击雷或附近遭雷击，此种情况的SPD（配电柜侧），也应采用10/350μs试验波。９C、最大持续运行电压Uc的确定：最大持续运行电压Uc，要求SPD在此电压下长期运行不会损坏，而最大持续运行电压Uc，要是雷击产生的过电压，此电压一般都是瞬态过电压，其电压幅值可以很高，但持续时间很短（μs、ms）。通过SPD的能量有限，一般不会使SPD损坏，但电网运行等因素产生的暂态过电压，其幅值比雷电过电压低，但持续时间很长，通过限压型（MOV）SPD时能量会较大，轻则加速SPD老化，重则使SPD过热而损坏或短路爆炸。对开关型SPD虽然没有老化问题，但动作后有续流，当电网的暂态过电压幅值较高时，动作后的续流大而不能自行熄灭，也会使SPD爆炸，所以选择Uc要结合电网接地系统确定，对加油加气站而言，根据规范规定采用的是TN—C—S系统，此时选取Uc≥1.15U0，当接于L与PE或PEN之间或L与N之间的SPD，按相关标准通过做了低压对地短路即1.45U0时间5S的暂态过电压试验时就可以了（U0为供电系统相电压）。D、SPD的保护水平Up值的确定：供电系统安装SPD的目的是保护电气设备。如图（2）１０UpL△Up1NPE△Up2图（2）SPD与被保护设备的关系当SPD动作时，雷电流流过SPD，SPD将过电压降到Up值，而设备所承受的电压是Up+△Up1+△Up2=U，由此可见，被保护设备所承受的电压是SPD的保护水平加上两端的引线电压降。因此要求两端引线越短越好，其总长度不超过0.5m为佳。当满足以下条件时，可仅在电源进户处安装一套SPD：1）电源进线处安装的SPD其保护水平Up≦2.5Kv。2）需保护设备距电源处SPD距离不小于10m，且SPD的保护水平Up加上两端引线的感应电压，对限压型SPD要求（Up＋ΔUp1+ΔUp2）≤0.8Uw.对开关型SPD要求Up或（ΔUp1+ΔUp2）大者≤0.8Uw。对限压开关混和型SPD要求（Up＋ΔUp1+ΔUp2）≤0.8Uw。（Uw被保护设备耐压水平）若在进线处安装设备SPD１１的一套SPD达不到所要求的保护水平时，应在同一处增设附加配合协调好的SPD，以确保达到所要求的电压保护水平。220/380V绝缘配合如下表：设备位置电源处配电线分支线路用电设备特殊需要耐冲击电压类别Ⅳ类Ⅲ类Ⅱ类Ⅰ类耐冲击电压额定值（KV）642.51.5汽车加油加气站防雷接地平面图见图3：8110331211通讯2265电力22水管线3378491.罩棚2.加油机3.立柱4.埋地油罐5.供配电柜6.给加油机配线7.油罐通气管8.卸车静电接地卡9.环形闭合接地网10.避雷带（网）11.UPS柜12.计算系统配电柜图（3）UPS１２注：1、本图为典型4台加油机，4个埋地罐的平面图。2、加油站屋面加装避雷带网防直击雷，此加油站要建在周围有高大的建筑物保护或在雷暴日≤30d/a的地区，加油站可以用避雷带（网）防直击雷。例：上图SPD1的上安与选择户变压UPS外SPD3架SPD1PE空线SPD2SPD1:氧化锌避雷器（户外型）SPD2:powersetbc/3+1（混合型SPD）SPD3:PT2PE/s－230AC图（4）１３根据国标《建筑物防雷设计规范》GB50057—94（2000版）第2.2.3条的规定：加油加气站属第二类防雷建筑物，按其附表6.1和6.2，雷电流幅值分别为150kA和平共处37.5kA，波头时间分别为10μs和0.25μs按图3有3回导体，每回导体电流为：ii1=150kA/2/3=25kAii2=37.5kA/2/3=6.25kA电源电缆电流为：因有电缆段屏蔽：ii1=25kA×0.3=7.5kA对Ⅰ级分类