海洋石油平臺防雷設計及優化研究

張輝 孟毅 賈紅濤 楊志彬（.中國石油集團海洋工程有限公司；.滄州海事局）

海洋石油平臺防雷設計及優化研究

張輝1孟毅2賈紅濤2楊志彬2（1.中國石油集團海洋工程有限公司；2.滄州海事局）

海洋石油平臺防雷是系統工程，應綜合采取外部防雷和內部防雷措施，同時與陸地常規做法有所不同。海洋平臺的外部防雷一般無需專設接閃器和引下線，可以鋼結構本身兼做接閃器和引下線，但頂部有轉動設備時應設接閃器保護設備；內部防雷要綜合采取屏蔽、等電位連接、線纜敷設和浪涌保護器等措施防止雷擊電磁脈沖入侵。經工程實際檢測，防雷保護設施動作效果良好，系統運行安全可靠。

海洋平臺；防雷設計；浪涌保護器；沖擊電流

1 海洋平臺雷擊風險分析

海洋石油平臺矗立在空曠的海面上進行油氣生產作業，一般都是爆炸和火災危險場所，其裝置規模大、露天化布置，生產區域彌漫著爆炸性氣體混合物，危險程度很大；海洋平臺上的井架、容器、泵和管架等金屬物暴露在室外，遭雷擊概率很大；海洋平臺裝置自動化程度高，規模化的電子信息系統和儀器儀表的使用和多點布設，更增加了雷擊對平臺裝備設施的潛在危害。根據國家氣象局監測，我國海上平均雷暴日普遍高于臨近陸地，對海上油氣生產造成重大安全隱患，如何防止雷擊災害事故的發生顯得尤為重要。

2 防雷設計

海洋平臺的雷擊防護是一個系統工程，應綜合考慮外部防雷和內部防雷設計，見圖1。外部防雷主要防直擊雷，通過設置接閃器、引下線和接地裝置，將強大的雷電流迅速引導入地（海）；內部防雷設計要綜合考慮屏蔽、等電位連接、線纜敷設和布線、浪涌保護器（SPD）的設置。

海洋石油平臺的防雷設計主要遵循防雷設計國家標準、石油石化行業的防雷設計標準，以及中國船級社頒布的建造規范，主要標準包括：GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》、GB 50650—2011《石油化工裝置防雷設計規范》、GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》。

根據上述標準，結合實際工程案例分別對海洋平臺的外部防雷設計和內部防雷設計進行研究。

圖1 海洋平臺綜合防雷系統

2.1 外部防雷設計

建筑物應根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果，將防雷要求分為三類[1]。海洋石油平臺至少應按照第二類防雷建筑物進行防雷設計，具有0區或20區爆炸危險區的海洋平臺應按照第一類防雷建筑物進行防雷設計。

一套完整的防雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。近海油氣開采普遍采用的固定式導管架平臺樁腿入泥深度較深（可達百米），樁腿上部沉浸在海水里，其接地電阻很低，效果良好，因此平臺樁腿可兼做接地裝置。

1）接閃器。石油化工裝置防雷設計規范推薦利用生產設備的金屬實體作為防直擊雷的接閃器，

用作接閃器的生產設備應為整體封閉、焊接結構的金屬靜設備；轉動設備不應用作接閃器[2]。對于金屬結構平臺，上部構件同平臺主體結構形成了固有的對地低電阻通路，故不需另設避雷系統。

2）引下線。陸地建筑物防雷的常規做法一般都專設引下線，規范要求專設引下線與人員活動區域之間的距離應不小于3 m，事實上這在海洋平臺上很難實現。海洋石油平臺一般為鋼結構焊接型式，鋼結構壁厚均大于4 mm，高聳鋼結構（如鉆井井架、火炬臂等）底部與平臺鋼結構可靠焊接，可以利用平臺鋼結構作為引下線。

2.2 內部防雷設計

海洋平臺的內部防雷設計主要從等電位連接、屏蔽與布線、浪涌保護器的設置3個方面考慮。

1）等電位連接。海洋石油平臺整體為鋼結構焊接型式，平臺本身即為一個等電位體，設備外殼以及電纜鎧裝層等均已按要求有效接地，能夠有效限制接觸電壓和跨步電壓，保護人員和設備安全。

2）屏蔽與布線。海洋平臺的中控系統和電氣系統的主要設備均布置在設備房間內，設備房間為大空間屏蔽鋼結構，屏蔽效果良好；海洋平臺電力電纜均采用鎧裝電纜，電纜端頭均已有效接地。這些設計特點體現了對電磁屏蔽的重視，事實證明對雷電電磁脈沖的抑制效果良好。

3）浪涌保護器的配置。浪涌保護器是對平臺上的各種電子設備、儀表、通訊系統提供安全防護的重要裝置，當電氣回路或者通信線路中因雷擊而突然產生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。國際電工委員會標準IEC 62305-1和歐盟標準EN 6199-4-5分別以10/350 μs和8/20 μs來描述模擬直擊雷和感應雷電流的測試波形，見圖2。

圖2 直擊雷和感應雷模擬波形

雷擊產生的瞬時過電壓很高，為有效保護平臺電氣系統和信息系統安全，應將其進行分級防護，使過電壓逐步減小至無害水平。將建筑物的保護空間分成幾個防雷分區（LPZS），在線路由一個分區進入到另一個分區處安裝浪涌保護器，按照不同分區的具體要求安裝相應等級的浪涌保護器。

3 案例分析

渤海某石油平臺上新建海事雷達站，在主甲板上架設雷達塔架，雷達設備布置在底部設備房間內。項目實施后雷達塔高于平臺上其他設備高度，遭雷擊的可能性尤其大，需對雷達天線進行直擊雷防護。由于本項目新增的雷達天線、微波天線等設備接入平臺現有電氣系統和中控系統，防止雷擊電磁脈沖和雷電波入侵對平臺電氣和中控系統的影響是防雷設計的另一重點。

3.1 接閃器

3.1.1 選型設計

按照第一類防雷建筑物進行防雷設計，滾球半徑取30 m，塔架頂部設置接閃器保護設備和人員安全。海洋平臺上推薦使用耐海水和鹽霧腐蝕的不銹鋼或鋁合金接閃器。為降低整個塔架荷載和接閃器的風載，考慮采用單根接閃器，接閃器位置示意如圖3所示，雷達塔頂部平臺布置如圖4所示。

圖3 雷達天線接閃器位置示意

雷達天線安裝高度（含底座）h=1.9 m，接閃器與雷達天線之間距離L1=0.76 m，雷達天線旋轉半徑R=2.93 m，經估算，接閃器突出保護物高度L2至少應大于2.23 m。經計算采用6 m長單根接閃器。

圖4 雷達塔頂部平臺布置

3.1.2 保護范圍計算

根據GB 50057標準，使用滾球法計算所選用的6 m接閃器的保護范圍（圖5）。接閃器在hx高度xx′平面上的保護半徑計算公式：

式中：h——接閃器高度，m；

hx——被保護物高度，m；

hr——滾球半徑（一類防雷建筑物），m；

rx——被保護高度上保護范圍截面半徑，m。

圖5 滾球法計算接閃器保護范圍

3.2 浪涌保護器的選型和設計

項目中除了平臺已有的等電位連接和屏蔽措施以外，合理設置浪涌保護器是雷擊電磁脈沖防護的關鍵措施。

1）浪涌保護器沖擊電流。根據GB 50343標準當采用屏蔽線路時，LPZ0和LPZ1界面處每條電源線路的浪涌保護器的沖擊電流應取大于或等于12.5 kA。

2）浪涌保護器設計。雷達天線電源和天饋線穿入底部設備間，電力電纜從LPZ1區穿入LPZ0B區，應在交界處的電源配電箱內裝設第一級SPD（B級），在雷達天線電源出線回路開關裝設第二級SPD（C級）進一步降低沖擊電壓；但由于設備房間空間有限，無法滿足一、二級保護器級間10 m安裝距離的要求，因此選用了B+C級復合型浪涌保護器。B+C級復合型電涌保護器電涌泄放能力大，電壓保護水平低，可節省兩級保護器之間的退耦器的安裝，優化導線連接。雷達天線電源進線端裝設第三級浪涌保護，所選用的前1級SPD的參考電壓要比后1級SPD高,前1級SPD的通流容量要比后1級大,兩級SPD之間要保持一定距離,這樣能量配合才比較合理,提高防雷可靠性[3]。

4 結論

海洋石油平臺的防雷是一個系統工程，要全面綜合采取措施，海上雷擊頻率和強度普遍較高，平臺上既有高聳的井架、露天布置的機械設備、容器，又集電氣設備、儀表通信設備及各種大型生產設備于一體，其防雷設計全面而復雜，稍有疏忽即可能導致雷擊災害，對人身安全和安全生產造成嚴重隱患。

根據國家標準、行業標準，針對海洋平臺作業特點，結合實際項目案例進行了系統的防雷設計（外部防雷和內部防雷）采取了切實可行的防雷措施，既合理減少投資,又取得較好的防雷效果，為海洋平臺的新建和改擴建項目防雷設計提供了借鑒和參考。

[1]林維勇,黃友根，焦興學，等.建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010[S].北京：中國計劃出版社，2011：8-9.

[2]黃旭,俞俊人，周勇，等.石油化工裝置防雷設計規范：GB 50650-2011[S].北京：中國計劃出版社，2011：11-13.

[3]王祥，王朝暉.石油化工行業電力電子系統防雷要點[J].石油化工自動化，2008（3）：89-90.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.021

2016-05-25

（編輯 杜麗華）

張輝，工程師，2008年畢業于山東大學，從事海洋工程電力系統設計工作，E-mail：zhanghui.cpoe@cnpc.com，地址：北京市朝陽區太陽宮南街23號豐和大廈，100028。