天然氣站場防雷電接地設計探討

王小輝 傅學明

杭州市城鄉(xiāng)建設設計院有限公司 315040

摘要：天然氣場站接地系統(tǒng)包括防雷電接地、防靜電接地、屏蔽接地、儀器儀表接地、電氣設備保護接地和工作接地，其涉及專業(yè)較多，而各專業(yè)在設計、施工安裝時又需要遵循不同的標準與規(guī)范。文章在對幾種接地類型進行介紹后，提出了一種綜合優(yōu)化的接地辦法。

關鍵詞：天然氣；場站；防雷電防靜電；接地

近幾年我國天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，其利用范圍和使用區(qū)域也逐步擴大，全國各地建成了許多天然氣場站，包括集氣站、凈化站、輸（配）氣站、清管站和加壓站等。天然氣易燃易爆的特點以及不斷增加的儀器儀表、電器和通訊設備，對天然氣場站的安全性提出了更高的要求。因此，正確設計和安裝天然氣場站的接地系統(tǒng)對保證場站及其設施的安全是十分重要的。

一、天然氣場站防雷電接地

1.雷電的種類及危害

雷電是大氣中的一種劇烈放電現(xiàn)象，其具有極大的綜合性破壞力，包括電性質(zhì)、熱性質(zhì)和機械性質(zhì)的破壞。雷電災害具有瞬間性、整體性、毀滅性和多發(fā)性的特點，是國際公認最嚴重的自然災害之一。據(jù)統(tǒng)計，全球每秒鐘造就1800 個陣雷，伴隨600次閃電，這其中就有100個炸雷擊落地面，造成對建筑物和發(fā)電、通訊等設備的破壞，從而引起火災，斃傷人、畜，每年造成的經(jīng)濟損失達數(shù)十億美元，死亡人數(shù)達3000人以上。我國是雷電頻發(fā)國家之一。根據(jù)雷電的產(chǎn)生和危害程度的不同，可將其分為以下3種類型：

（1）直擊雷

直擊雷是由云層與地面凸出物之間的放電形成的。巨大的雷電流流入地下，會在雷擊點及其連接的金屬部分產(chǎn)生極高的對地電壓，這可能會直接導致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故。直擊雷產(chǎn)生的數(shù)十萬至數(shù)百萬伏的沖擊電壓會毀壞電力變壓器等電氣設備絕緣，可能引起短路從而導致火災或爆炸事故。另外，直擊雷巨大的雷電流通過被雷擊物，在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)換成大量熱能，導致易燃易爆物品的燃燒或爆炸。同時雷電產(chǎn)生的熱效應使物質(zhì)和結(jié)構縫隙里的氣體劇烈膨脹，并使水分及其它物質(zhì)分解，從而產(chǎn)生強大的機械力，造成設備損壞。

（2）雷電感應

雷電感應分為靜電感應和電磁感應兩種。由于雷電流的變化梯度很大，會產(chǎn)生強大的交變磁場，使得周圍的金屬構件產(chǎn)生感應電流，這種電流可能向周圍的物體放電，如附近有易燃易爆物就容易引發(fā)火災或爆炸，如果感應到正在聯(lián)機的導線上就會損壞聯(lián)機設備尤其是弱電設備。

（3）雷電侵入波

雷電侵入波是由于雷擊而在架空線路上或空中金屬管道上產(chǎn)生的沖擊電壓沿線或管道的雷電波，其傳播速度為3×108m/s。雷電侵入波可毀壞電氣設備的絕緣，使高壓竄入低壓，造成嚴重的事故。天然氣是易燃易爆氣體，天然氣場站工藝區(qū)一般處于露天環(huán)境，因此場站的管道、設備大多暴露在外，同時自動化設備又需要長期聯(lián)機工作，為確保安全，必須采取防雷電侵入波的措施。

2.防雷電措施

天然氣場站防雷電的常用措施大致有3種：

（1）疏導，即將雷云中的電荷疏導至大地，避免直接雷擊或感應雷擊電流流經(jīng)被保護的建筑物或設備，從而使這些建筑物或設備免受雷擊。

（2）隔離，即將雷電信號和被保護物隔離開從而避免雷電感應。

（3）等電位，即將鐵塔地、工作地、建筑物的公共地等置于同一電位。因此，做好設備的接地是預防雷擊的關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)防雷電的規(guī)范要求，防直擊雷的接地裝置其電阻不得大于（10～30）Ω；防止雷電感應的接地裝置其接地電阻不得大于（5～10）Ω；防止雷電侵入波的接地裝置其接地電阻不得大于（5～30）Ω。另外，上述規(guī)范對接地布線也有相關要求。

二、天然氣場站防靜電接地

1.靜電的產(chǎn)生

產(chǎn)生靜電的原因主要有摩擦、壓電效應、感應起電、吸附帶電等。一般而言氣體都有較大的電阻在壓縮、輸送和生產(chǎn)過程中，由于相互碰撞、與管壁摩擦或受到?jīng)_擊時都可能產(chǎn)生靜電。特別是當輸送管道內(nèi)存在表面粗糙、流速過快等現(xiàn)象時，都會產(chǎn)生很強的摩擦，所產(chǎn)生的靜電荷在沒有良好的導除靜電裝置時，便容易積聚電壓而發(fā)生放電現(xiàn)象，極易引發(fā)火災和閃爆。天然氣通過管道輸送，氣體和管道間的高速摩擦容易產(chǎn)生電荷，尤其是在變徑或彎頭處。如果管道與大地絕緣，就是一種孤立導體，便容易產(chǎn)生靜電積累、放電。長輸管道一般都有強制電流陰極保護，天然氣場站的進出站都有絕緣法蘭，如果不采取有效措施，場站內(nèi)很容易產(chǎn)生靜電。

2.靜電的危害

天然氣場站靜電的危害，一是引起閃爆和火災；二是對操作人員的身體健康有一定的影響，也可能造成其觸電；三是損壞儀器儀表。

3.防靜電措施

因為天然氣場站里的管道、設備都是導體，因而最直接最有效的防靜電措施就是直接將靜電通過導線連接泄放到大地。天然氣場站通常采用的防靜電措施是：為管道、分離器、過濾器及機械設備等容易產(chǎn)生靜電的設備設置良好的接地裝置，以保證其所產(chǎn)生的靜電能迅速導入地下。另外，為防止設備與設備之間、設備與管道之間，管道與容器之間產(chǎn)生電位差，在其連接處特別是在靜電放電可能引起燃爆的部位，用金屬導體將其連接在一起并接地以消除電位差。按照規(guī)范要求，接地裝置的接地電阻應不大于10Ω。

三、電氣設備的接地

電氣設備的接地主要分為交流工作接地和保護接地。

1.交流工作接地

使用交流電的電氣設備，按規(guī)定在工作時要進行工作接地，即交流電三相四線制中的中性線直接接入大地。交流工作接地一般是通過導線接到配電柜的中線上，然后再通過接地母線將其接地。其接地電阻按照規(guī)范不應大于10Ω。

2.保護接地

保護接地就是將電氣設備的金屬外殼或機架通過接地裝置與大地直接連接起來，其目的是防止因絕緣損壞或其他因素使設備的金屬外殼帶電造成觸電。天然氣場站設備的電源多數(shù)是單相的，其電源線采用單相三線電纜，其中一條為火線，一條為中性線（交流工作接地線），一條為地線（保護接地線）。地線在設備中連在金屬外殼上，與設備相連的電源插座應采用三孔插座，并統(tǒng)一連接安全保護地的接點。

四、自控、通訊設備、儀表的接地

自控、通訊設備、儀器儀表的接地主要分為直流工作接地、保護接地、信號回路接地、屏蔽接地和本安儀表接地等。

1.直流工作接地

直流工作接地是自控系統(tǒng)中數(shù)字邏輯電路的公共參考零電位，即邏輯地。邏輯電路一般工作電壓低，信號幅度小，容易受到地電位差和外界磁場的干擾，因此需要一個良好的直流工作接地，以消除地電位差和磁場的影響。按照規(guī)范，其接地電阻應小于等于4Ω。天然氣場站直流工作接地線的接法通常有3 種，即串聯(lián)法、匯集法、網(wǎng)格法。

（1）串聯(lián)法。即在地板下敷設一條截面積為（0.4～1.5）mm×（5～10）mm的青銅（或紫銅）帶，各設備把其直流地就近接在此銅帶上。這種接法的優(yōu)點在于簡單易行，缺點是銅帶上的電流流向單一，阻抗不小，致使銅帶上各點的電位存在差異。

（2）匯集法。即在地板下設置一塊5～20mm厚、500×500 mm大小的銅板，各設備用多股屏蔽軟線把各自的直流地都接在這塊銅板上。這種