城鎮燃氣自控系統安全防雷措施探究

摘要：隨著科技的高速發展以及城鎮燃氣企業的數字化轉型，城鎮燃氣自控系統（包括場站現場儀表系統、SCADA系統及安防系統）設備的數字化、精密化程度越來越高，對防雷技術的要求也越來越嚴格。現闡述了雷電對城鎮燃氣自控系統的危害形式，分析了自控系統容易遭受雷擊破壞的原因，在此基礎上提出了幾點防雷電破壞的安全措施。

關鍵詞：城鎮燃氣;雷擊;自控系統;防雷措施

0 引言

雷電是一種常見的災害性天氣現象，在春夏季節頻頻發生，其在極短的放電瞬間產生極高的電壓與瞬間極大電流，伴隨產生的高磁場和高輻射對各類建筑物、通信系統、自動控制系統、計算機網絡等均有極大的破壞作用，甚至會危及人們的生命和財產安全。城鎮燃氣自控系統（包括場站現場儀表系統、SCADA系統及安防系統）是保障城市安全可靠供氣的重要設施，其分布點多面廣，涉及千家萬戶的用氣安全，而這些系統設備大部分安裝在野外場站的露天環境下，容易遭受雷擊破壞，不僅會造成重大的經濟損失，還會給城鎮燃氣管網運行帶來重大的安全隱患，嚴重時甚至會造成火災或爆炸事故。因此，城鎮燃氣自控系統必須高度重視雷電的影響，對易遭受雷擊的設備采取相關防雷措施，避免或減小雷擊的破壞，保障城鎮燃氣的安全運行。

1 雷電對城鎮燃氣自控系統的危害形式

雷電從形式上可分為直接雷擊和感應雷擊兩種[1]，對城鎮燃氣自控系統可能產生的危害分為下列三種：

（1）直接雷擊。雷電直接擊中城鎮燃氣門站、調壓站或閥室等現場露天安裝的儀表設備，主要損壞電動閥門、流量計、變送器、燃氣泄漏探測儀、監控攝像儀等儀器儀表的傳感器部件和控制主板。

（2）感應雷擊。城鎮燃氣門站、調壓站或閥室等均設置有避雷針（塔）或避雷線，因防雷設計或安裝不合理，當接雷閃時，在引下線及接地地網內會通過強大的瞬間電流，對周圍一定范圍內電纜產生電磁感應;或者雷電流在其通道周圍的空間產生強大的電磁場，向外輻射電磁波，耦合到附近各類電子儀表設備以及各類金屬導體上，感應出很高的瞬間過電壓，通過金屬管道、電纜就可能將高電位引入自控系統，造成各類設備故障或損壞，甚至使自控系統癱瘓失靈。

直接雷擊或感應雷擊都可能使城鎮燃氣門站、調壓站或閥室等現場的金屬導線或金屬管道產生過電壓，過電壓沿各種金屬管道、電纜線路將高電位引入調度中心的自控系統，對系統造成干擾甚至使設備損壞。

（3）雷電反擊[2]。避雷針（塔）或避雷線等避雷裝置接雷閃時，引導強大的雷電流流入大地。在此過程中，雷電流在它的引下線、接地體、接地網以及與它們相連接的金屬導體上會瞬間產生非常高的電壓，如果周圍自控系統設備及其接地體與這些避雷裝置沒有足夠的安全距離，兩者之間就會出現很高的電壓并發生放電現象，可直接擊穿自控系統儀器儀表及連接電纜的絕緣部分，對自控系統產生干擾乃至使系統設備損壞。

2 城鎮燃氣自控系統遭受雷擊的缺陷分析

城鎮燃氣自控系統各儀器儀表設備大部分安裝在室外露天環境，如果沒有嚴格按照規范進行設計、安裝和驗收，非常容易遭受雷擊的破壞。針對城鎮燃氣自控系統頻頻遭受雷擊破壞的現象進行分析，發現這些系統容易遭受雷擊的缺陷主要表現在如下幾個方面：

（1）避雷裝置安裝不合格。城鎮燃氣門站、調壓站、閥室設置的獨立避雷針（塔）或架空避雷線的支柱及其接地裝置與被保護建筑物、管道、電纜等金屬物之間的距離過小，不符合防雷規范的要求，使避雷裝置變成“引雷裝置”，危害裝置周圍的建筑物和相關設備設施。

（2）防雷接地不合格。儀器儀表、連接電纜的屏蔽層或金屬套管未安裝接地裝置，或者接地裝置的接地電阻過大，遠大于相關規范中接地電阻小于4 Ω的要求。

（3）自控系統沒有安裝電涌保護裝置（SPD）。給自控系統供電的配電房、配電柜沒有安裝電涌保護裝置，各儀器儀表設備的電源端和信號端也沒有安裝電涌保護裝置，無法將強大的雷電流泄流入地，使自控系統的設備設施遭受雷擊而損壞。

（4）自控系統中的設備設施不符合等電位連接要求。部分設備設施未進行等電位連接，無法將雷電造成的高電位差迅速消除，使設備受到損壞。

（5）防感應雷擊的屏蔽設施不完善。自控系統的設備非常精密，對雷電極為敏感，即使幾千米以外的高空雷閃或對地雷閃，都有可能導致這些自控系統的薄弱環節（如計算機CPU）受到損壞或誤動作。根據國外資料介紹，3×10-6 T（0.03 Gs）的磁感應強度可造成計算機誤動，2.4×10-4 T（2.4 Gs）的磁感應強度即可使元件擊穿，造成永久損壞。另外，無屏蔽保護的電纜也有可能傳導雷電感應電波。

3 城鎮燃氣自控系統防雷電破壞的安全措施

通過對雷電危害形式和城鎮燃氣自控系統防雷缺陷的分析，可以認識到造成城鎮燃氣自控系統遭受雷電破壞的原因是多方面的。所以，要保護自控系統免受雷擊破壞，必須針對雷電危害入侵途徑，將各種可能產生雷擊的因素排除，采用綜合防治措施，才能將雷害減小到最低限度。下面結合工作經驗對城鎮燃氣自控系統的安全防雷措施展開具體探討。

3.1 ? ?按照規范要求完善防雷接閃裝置

接閃就是讓在一定程度范圍內出現的閃電按照防雷系統的規定通道，一般是避雷針（塔）或避雷線，將雷電能量泄放到大地中去，城鎮燃氣各門站、調壓站及閥室安裝的避雷針（塔）或避雷線，必須嚴格按照《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）[3]的要求進行設計安裝，避雷針（塔）或避雷線的支柱及其接地裝置與被保護建筑物、設備設施、管道、電纜等金屬物之間必須保證有足夠的間隔距離，最小安全凈距不得小于3 m，避雷針（塔）或避雷線應設立獨立的接地裝置，接地電阻應小于10 Ω。另外，城鎮燃氣各門站、調壓站及閥室的集中放空管在雷擊時也可能起到“引雷”的作用，應設置一個阻值不大于10 Ω的接地網與其相連接，確保安全防雷無盲區。

3.2 ? ?做好設備設施接地及等電位連接

做好設備設施接地及等電位連接，可以減少自控系統受到雷電反擊的危害。城鎮燃氣各門站、調壓站及閥室生產現場所有金屬（包括金屬圍欄、風向標、滅火器柜等）必須全部接地，所有儀器儀表全部接地，防雷、防靜電、接地保護共用一套接地裝置，采用聯合接地形式。接地電阻必須小于4 Ω，接地地網可采用增加地網面積、使用降阻劑、打深井的方式降低接地電阻。對于等電位連接，所有少于5顆連接螺栓的法蘭用銅片進行跨接;平行安裝（敷設）的間距小于100 mm的金屬管道，每間隔不大于25 m應采用金屬導線跨接，交叉間距小于100 m的金屬管道應采用金屬導線跨接;將場站生產現場所有儀表外殼和生產裝置的金屬設施用金屬導線連接在一起，并與防雷接地系統相連接;將自控系統機房內的設備及組件、元件的金屬外殼和金屬設施用金屬導線連接在一起，并與機房的等電位排和防雷接地系統相連接，形成完善的等電位連接。

3.3 ? ?完善屏蔽設施

利用屏蔽體防止雷電強電磁場影響電子設備是一種有效的防護措施。城鎮燃氣調度中心機房是自控系統的“心臟”，在整個系統中有著重要地位。機房四周墻壁可以用鍍鋅鋼板鋪設，機房地面設主接地匯流排，接地匯流排的材料采用合適的銅片并良好接地，所有機柜內接地均接入接地匯流排內;機房內設備柜為金屬柜，應做好等電位接地處理，機房內所有的金屬屏蔽套、殼等均需要接地。

采用上述手段處理后，雷電對機房的影響就主要體現在進出電屏柜的電源和信號線路，包括機房與場站現場儀表設備連接的電源和信號線路，需要對線路進行屏蔽，一般的屏蔽方式是采用帶金屬屏蔽層的鎧裝線路電纜，套管采用金屬套管，禁止采用PVC套管和塑料軟管。將鎧裝層和屏蔽層接地，線路屏蔽層應全程導通，防止出現中間中斷，應將屏蔽層沿線路多點接地或至少應在線路的首、末兩端接地，金屬套管也必須接地;現場未接地處理的儀表外殼可采用金屬儀表箱實現防雷屏蔽，儀表的信號線和電源線的套管也必須采用金屬套管，儀表箱和金屬套管要與其他現場的金屬設施實現等電位連接，并接入防雷接地系統。

3.4 ? ?設置電涌保護器（SPD）

首先，對系統的電源線路設置電源電涌保護器，一個完善的系統配電線路防雷擊方案應從總配電、分配電、重要設備配電等方面全面考慮。第一級電源電涌保護器的標稱沖擊電流不小于12.5 kA/線（10/350 μs），電壓保護水平Up不能大于2.5 kV，要求具有相線對地線、中線對地線的保護功能;設備前端電涌保護器的標稱沖擊電流≥5 kA/線（8/20 μs），殘壓≤1.25 kV，要求具有相線對地線、中線對地線的保護功能。這樣能保證將電涌隔離在系統之外。

其次，對自控系統的信號線路設置信號電涌保護器，用以限制瞬間過電壓和浪涌電流，對無法實現屏蔽的信號線加以保護。信號電涌保護器的泄放電流不小于5 kA/線（8/20 μs），殘壓、頻率、阻抗、接口應滿足信號傳輸要求。

4 結語

本文提出了防雷電破壞的幾點安全措施，其在實際運用中被證明是可行的，減少了雷擊對城鎮燃氣自控系統的破壞，具有很好的推廣價值。

鑒于雷擊對城鎮燃氣自控系統的破壞較大，會影響燃氣管網的安全運行，因此，在燃氣工程建設中必須高度重視防雷設計和防雷設施的安裝，要做到合理可靠，符合規范，避免出現防雷缺陷;同時，在日常工作中，對防雷設備設施的維護保養、定期檢查也是非常重要的，只有這樣才能避免城鎮燃氣自控系統遭受雷擊破壞，保證燃氣管網的安全運行，保障人民群眾的生命、財產安全。

[參考文獻]

[1] 王琳，張彥生，宋紅蓉.淺談電力系統的安全防雷[J].山西科技，2011，26（5）：128-129.

[2] 吳建欣，燕榮江，吳宏.雷電反擊的分析與探討[J].現代科技：現代物業，2010，9（5）：27-29.

[3] 建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010[S].

收稿日期：2021-04-06

作者簡介：李振悅（1971—），男，廣東梅州人，工程師，從事天然氣管道的規劃、施工及運營管理工作。