石油天然氣井站防雷設(shè)施分析和探討



摘要：石油天然氣井站是天然氣開采不可缺少的生產(chǎn)場地，這些井站絕大部分地理位置都處于海拔高度300～600米的山區(qū)丘陵地帶。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，井站自動化、高科技設(shè)備設(shè)施越來越多，為了井站這些設(shè)備、設(shè)施不被雷擊，一般在井場都安裝了避雷針，對電氣設(shè)備安裝了浪涌保護(hù)器，同時對各類設(shè)備還作了人工接地等防雷措施。特別是近兩年天然氣開采行業(yè)，對井站防雷設(shè)施要求越來越高，花去大量人力和物力，將大量資金投入到井站防雷改造工作上，少的幾十萬元，多的上百萬元，已逐步地將原來井站安裝的自制獨立式避雷針改造成鐵塔優(yōu)化式避雷針。
現(xiàn)在井站安裝的這些避雷設(shè)施, 到底起沒起到避雷作用？還存在什么問題？還需不需要投入這么多的資金去搞重復(fù)防雷？這是天然氣開采中的一項重大技術(shù)課題。現(xiàn)本文針對這一課題同時根據(jù)天然氣井站雷擊發(fā)生的實際情況，提出了幾點看法，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析和探討。


主題詞：天然氣 井站 防雷設(shè)施 分析

一、 井站安裝的防雷設(shè)施
　　為了避免井站的設(shè)備、設(shè)施不被雷擊，一般在井場都安裝了避雷針，對電氣設(shè)備安裝了浪涌保護(hù)器。井站安裝的防雷設(shè)施一般有以下幾種：
1、獨立式避雷針（自制避雷針）
　　獨立式避雷針是一基Φ150×10m或Φ190×12m水泥電桿，上面安裝的是自制的渡鋅鐵管長3-5米，有的在尖上安有自制銅尖，有的安裝的就是大小不同的四節(jié)白鐵管，總高度約15-18m，然后用一根裸體鋼鋁線或渡鋅圓鋼與埋在地下的接地裝置相連，接地電阻值要求在10Ω以下。優(yōu)點是每基避雷針全套大約800-1500元/基，安裝簡單；缺點是避雷針渡鋅鐵管一般在2-3 年后生銹，10年左右電桿出現(xiàn)破裂。
2、優(yōu)化式避雷針
　　優(yōu)化式避雷針是我國在2001年研制的一種新型防雷裝置，高度在0.8米左右，安裝在高約20-25米的鐵塔尖上，然后在優(yōu)化避雷針上接有泄漏電纜，計數(shù)器、入地分流線與地面接地裝置相連。優(yōu)化避雷針具有傳統(tǒng)避雷針吸引雷電疏導(dǎo)入地的特點，又能使入地雷電流幅度波長頭陡度同時降低，使雷擊危害減少到最低，雷電能流大，衰減分倍率高，造型美觀，安裝維護(hù)方便，牢固可靠、覆蓋面積寬、耐腐蝕、抗風(fēng)能力強等優(yōu)點，但是不經(jīng)濟(jì)，安裝一基大約4-6萬元，安裝難度大一些，接地電阻值要求在10Ω下。
3、浪涌識別避雷器
　　浪涌識別避雷器有2種，一種是模塊型，另一種是相體型。模塊型安裝在配電箱內(nèi)，箱體安裝在配電箱外，接在配電箱進(jìn)線電源上，它的主要作用是防止感應(yīng)雷和雷電波侵入配電箱內(nèi)，防止雷電的電壓電流升高燒壞電氣設(shè)備設(shè)施。

二、工作原理及安裝要求
1、優(yōu)化避雷針的工作原理
　　DXH01－ZU優(yōu)化避雷針主要由激發(fā)器從自然界的電場中吸收并貯存能量。反射器及避雷針尖與大地有良好的電氣連接，處于等電位狀態(tài)。通常情況下，激發(fā)器與反射器之間有電場強度，每當(dāng)雷電發(fā)生前，電場強度訊猛增大，激發(fā)器與反應(yīng)器之間的電位差大致相當(dāng)于雷云與大地之間的電位，它們之間的電壓降迅速加大造成尖端打火，并使尖端周圍的空氣離子化，形成尖端放電現(xiàn)象。避雷針的中央收集桿和激發(fā)器之間的電場迅速增加，造成尖端產(chǎn)生的空氣離子化可于極短及準(zhǔn)確的時間內(nèi)放電，因大電離子的存在，從而使自然的CORONA效應(yīng)減低，產(chǎn)生一個預(yù)期上行放電通道，可迅速、安全地將電截?fù)舨踩男狗胖链蟮亍?br style="font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: small; white-space: normal;"/>2、避雷針與設(shè)備間安裝距離要求
　　避雷針與易燃油貯罐和氫氣、天然氣等罐體及其呼吸閥等之間的空氣中距離，避雷針及其它接地裝置與罐體、罐體的接地裝置和地下管道的中距離應(yīng)符合要求。避雷針與呼吸閥的水平距離應(yīng)不小于3M，避雷針尖高出呼吸閥不應(yīng)小于3m，避雷針尖的保護(hù)范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應(yīng)小于2m。在空氣中的距離和地中距離必須符合要求。避雷針與5000m3以上貯罐呼吸閥的水平距離，不應(yīng)小于5米，避雷針針高于呼吸閥不應(yīng)小于5m。


3、避雷針的接地要求
　　獨立避雷針和優(yōu)化避雷針必須設(shè)立獨立的接地裝置，在非高土壤電阻率地區(qū)，其工頻接地電阻不宜超過10Ω。接地體長度不得小于15M，獨立式避雷針接地體采用渡鋅圓鋼材料時直徑不得小于Φ8mm,采用扁鋼材料截面積不得小于48mm,厚度不得小于4mm。接地體的連接要求焊接牢固，優(yōu)化避雷針的接地廠家設(shè)有專用線和要求。避雷針不應(yīng)設(shè)在經(jīng)常行走的地方，避雷針及其接地裝置與或出口等的距離不宜小于3M，否則應(yīng)采取均壓措施或鋪設(shè)礫石或瀝青地面。
4、優(yōu)化式避雷針保護(hù)半徑
　　按NFC17－102規(guī)定，避雷針針尖應(yīng)高于被保護(hù)物水平2mh1以上。當(dāng)避雷針高度不同時（h2，h3，…h(huán)n），其保護(hù)范圍（半徑）分別為RP2，RP3…RPN，計算公式應(yīng)考慮被保護(hù)物的防雷等級，保護(hù)半徑與高度（h）有關(guān)，與它的啟動搶先時間（型號）有關(guān)，以及與所選的保護(hù)級別有關(guān)：
當(dāng)h≥5時，
RP=
RP－為所考慮物的水平面上保護(hù)半徑
h－為針尖相對于被保護(hù)物頂部的水平高差
D－為滾球半徑（閃擊距離）
ΔL為上行搶先距離
ΔL＝V（米/微秒）×ΔT（微秒）

三、雷電的產(chǎn)生及危害
　　雷電是雷云之間或雷云對地面放電的一種自然現(xiàn)象。云中的水滴受強烈氣流的摩擦產(chǎn)生電荷，而且微小的水滴帶負(fù)電，小水滴容易被氣流帶走形成負(fù)電云；較大的水滴留下來形成帶正電的云。由于靜電感應(yīng)，帶正電的云層在大地表面會感應(yīng)出與云塊異性的電荷，當(dāng)電場強度達(dá)到一定值時，即發(fā)生雷云與大地之間的放電；在兩塊異性電荷的雷云之間，當(dāng)電場強度達(dá)到一定值時，便發(fā)生云層之間放電。 放電時伴隨著強烈的電光和聲音，這就是雷電。
　　雷電對架空高壓電線路、電氣設(shè)備、設(shè)施和人員等帶來嚴(yán)重的危害，雷電具有電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)等三種破壞作用。數(shù)十萬至數(shù)百萬伏的沖擊電壓可擊毀電氣設(shè)備的絕緣，燒斷電線或劈裂電桿，造成大規(guī)模的停電；絕緣損壞引起短路，使金屬管道燒穿，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故，甚至造成易燃品著火和爆炸；當(dāng)雷電流入地時，在地面上就會因雷電引起跨步電壓，造成人身觸電事故。
　　為了更好的預(yù)防雷擊，有關(guān)部門將防雷等級進(jìn)行了相應(yīng)的劃分：1）一類防雷等級是指凡在建筑物中存在放爆炸物品或經(jīng)常發(fā)生瓦斯蒸汽或空氣的限混合物，因電火花而發(fā)生爆炸，致使房屋毀壞和人員死亡。2）二類防雷等級是指特征同一類，但不致引起巨大破壞和人員傷亡，或當(dāng)發(fā)生事故時，才有第一類的情況出現(xiàn)和具有重要政治意義的民用建筑屋。3）三類防雷等級是指不屬于一類二類的，而又需要作防雷保護(hù)的。

四、天然氣井站發(fā)生雷擊的主要原因分析
　　在天然氣井站常發(fā)生雷擊的設(shè)備、設(shè)施主要是電氣設(shè)施，最常見的是供電線路，變壓器上安裝的避雷器，家用電器、天然氣計量微機等。天然氣井站發(fā)生雷擊的主要原因是由于避雷針的安裝結(jié)構(gòu)、位置、接地、選型等存在問題。
　　雷14井2003－2004年連續(xù)發(fā)生雷擊燒壞計量儀表，主要原因是雷14井安裝的DXH01－ZU優(yōu)化式避雷針直接與鐵塔相連，沒有按要求安裝泄流電纜、計數(shù)器、入地分流線再加上它的接地線又是與設(shè)備連接在一起沒有獨立分開接地。因此它的安裝結(jié)構(gòu)、接地都不符合要求。這種安裝由于雷擊時強大的電流、電壓無法盡快得到失放，強大的感應(yīng)電流通過鐵塔感應(yīng)容易引起電氣設(shè)施、易燃品泄漏起火爆炸和人身安全.。并且雷14井優(yōu)化避雷針，由于安裝位置和安裝結(jié)構(gòu)都不科學(xué)，避雷針對整個井站的設(shè)備、房屋、電氣設(shè)施沒起到防雷保護(hù)作用，使雷電產(chǎn)生時，避雷針沒有完全把雷電流引入大地快速失放，從而使感應(yīng)雷和雷電波侵入，通過鐵塔與工藝設(shè)備感應(yīng)再由接地網(wǎng)和變電設(shè)備、電纜傳入到配電箱。由于配電箱內(nèi)又沒安裝浪涌保護(hù)避雷器，因此使強電流、電壓或電磁場感應(yīng)傳入微機電子儀表，因微機電子儀表的額定電壓有限，所以燒壞微機計量儀表。


鐵山4井站內(nèi)安裝的線路斷路器被雷擊燒壞和井站安裝的天然氣放空管線2002年被雷擊著火。其安裝的DXH01－ZU優(yōu)化避雷針，也同樣存在選型和安裝位置、安裝結(jié)構(gòu)問題，井站本身地處高山，又是雷擊多發(fā)區(qū)，因此在安裝避雷針時，只考慮了工藝設(shè)備區(qū)，忽略了生活區(qū)的防雷，它安裝的距離離設(shè)備區(qū)只有1米左右，所以它的安裝位置是非常不科學(xué)的，它不但安裝位置離設(shè)備達(dá)不到5米遠(yuǎn)的要求，而且方位偏離，浪費了資源，加上安裝結(jié)構(gòu)沒按要求連接泄流電纜、計數(shù)器、入地分流線，所以井場絕大部份沒起到保護(hù)作用，從而造成井場內(nèi)安裝的供電線路斷路器被雷擊燒壞和雷擊引起天然氣放空管線著火。
　　達(dá)縣配氣站的供電埋地電纜，在2003年被雷擊爆，計度箱被雷擊起火，2004年計量微機UPS電源和進(jìn)口的電源保護(hù)設(shè)備被雷擊燒壞，2005年6月全站11臺空調(diào)被雷擊燒壞，其中一臺被雷擊起火燃燒。其安裝的DXH01－ZU優(yōu)化避雷針同樣存在安裝安全距離和安裝結(jié)構(gòu)、接地問題。站內(nèi)安裝避雷針共4基，其中有2基是獨立避雷針，有2基是優(yōu)化避雷針，避雷針安裝距離距工藝設(shè)備區(qū)實際距離不足2米、而且優(yōu)化式避雷針安裝沒有按要求安裝，加上它的接地線又是與工藝、電氣設(shè)備連接在一起沒有獨立分開接地。因此它的安全距離、結(jié)構(gòu)、接地都不符合要求。所以連續(xù)幾年發(fā)生電器設(shè)施被雷擊壞。
　　因為避雷針作用是把雷電引過來對大地進(jìn)行放電，由于雷電流的波形有個陡度，雷電流是一種沖擊波，它有數(shù)十萬至數(shù)百萬伏的沖擊電壓，其幅值和陡度隨各次放電條件而異，一般幅值大的陡度也大。幅值和最大陡度都出現(xiàn)在波頭部分，故防雷設(shè)計時只考慮波頭部分沒考慮波尾。因此為了避免雷擊時在限流阻抗上引起的高電壓，對附近被保護(hù)物造成反擊事故，要求在限流阻抗附鏈附近(r=1.2L范圍內(nèi))不得安裝被保護(hù)物。其中L--限流阻抗鏈高度， r--危險區(qū)半徑
　　DXH01－ZU優(yōu)化式避雷針安裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是接閃器、泄流電纜、計數(shù)器、入地分流線。避雷針的接閃器是把雷電引過來，通過泄流電纜，然后通過計數(shù)器把雷擊次數(shù)記錄下來，再通過入地分流線把雷電快速失放大地，如圖2所示。
　　而雷音鋪氣田的雷11井、雷13井、雷12井、鐵山氣田的鐵12井、鐵山13井等井站安裝的自制獨立避雷針，井站地理位置同樣在海撥300-600米高，同樣是雷擊多發(fā)地區(qū)，設(shè)備、電氣儀表、房屋等設(shè)施沒有被雷擊，這是因為安裝的獨立式避雷針位置選擇有關(guān)，盡管這些避雷針?biāo)膹?fù)蓋面積和防雷效果等優(yōu)點都不如優(yōu)化避雷針，但它安裝位置的選擇、結(jié)構(gòu)、接地合理，所以這些井站的設(shè)備、配、供電設(shè)施、房屋等從沒有被雷擊。

五、天然氣井站防雷設(shè)施安裝的幾點建議
　　目前井站安裝的優(yōu)化避雷針85%以上，安裝位置、距離、結(jié)構(gòu)都沒按要求進(jìn)行安裝。井站的避雷針沒有充分發(fā)揮起到避雷的作用，雷電時沒有完全把整個井站的雷電流引入大地達(dá)到快速失放的目的，這些優(yōu)化避雷針只是一種裝飾、擺設(shè)，相反有的成了引雷作用，浪費了物力資源和財力，為此我們對天然氣井站防雷設(shè)施的安裝提出以下幾點建議。
1、石油天然氣井站防雷設(shè)施今后在設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)井站的防雷類別、井場面積、設(shè)備、生活區(qū)分布情況來統(tǒng)一考慮選擇避雷針的型號，同時對避雷針的安裝距離、位置、接地等要符合防雷規(guī)范，合理利用和充分發(fā)揮避雷針的作用，減少井站重復(fù)安裝防雷設(shè)施，達(dá)到降低投資和防雷的目的。
2、對井站沒按要求安裝的泄流電纜、計數(shù)器、入地分流線和避雷針接地線，沒進(jìn)行獨立接地的優(yōu)化避雷針進(jìn)行整改，讓避雷針充分發(fā)揮作用，從而達(dá)到安全防雷的目的。
3、天然氣井站絕大部分的值班房和住房都是磚混結(jié)構(gòu)平房，瀝青屋面，高度一般在5米以下，井站又安裝了避雷針，根據(jù)防雷保護(hù)要求，這類房屋可以不作接地處理。但對金屬屋面的房屋，應(yīng)安裝防雷接地保護(hù)線，防止感應(yīng)雷和雷電波浸入危害人身安全。
4、采輸工藝設(shè)備區(qū)可以安裝防雷接地網(wǎng)，但接地網(wǎng)不能與電氣設(shè)施房屋防雷接地網(wǎng)絡(luò)相連，防止感應(yīng)雷和雷電波浸入危害人身、設(shè)備安全。

5、天然氣井站的水、電、訊設(shè)備、設(shè)施、電氣儀表等，應(yīng)安裝浪涌避雷器和設(shè)備接地，接地電阻值必須符合各類設(shè)備接地要求，且不能與采輸工藝設(shè)備、強電設(shè)施接地相連，防止感應(yīng)雷和雷電波浸入，損壞電氣儀表，減少雷電災(zāi)害的損失。
6、優(yōu)化避雷針安裝時應(yīng)嚴(yán)格按照說明書要求進(jìn)行安裝，安裝完畢后，每年雷雨季節(jié)前按照下列內(nèi)容進(jìn)行檢查：1）各連接部位的連接應(yīng)可靠，不允許松動。2）檢查從接閃器至底座的阻抗鏈總阻值。應(yīng)≦5Ω。3）優(yōu)化避雷針的引下線接地應(yīng)良好，接地電阻值不大于10Ω。