石油天然氣井站防雷設施分析和探討


文/施銳 殷建成 四川西南油氣田公司川東北氣礦

摘要：石油天然氣井站是天然氣開采不可缺少的生產場地，這些井站絕大部分地理位置都處于海拔高度300～600米的山區丘陵地帶。隨著科學技術的不斷發展，井站自動化、高科技設備設施越來越多，為了井站這些設備、設施不被雷擊，一般在井場都安裝了避雷針，對電氣設備安裝了浪涌保護器，同時對各類設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，對井站防雷設施要求越來越高，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化式避雷針。
現在井站安裝的這些避雷設施, 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防雷？這是天然氣開采中的一項重大技術課題。現本文針對這一課題同時根據天然氣井站雷擊發生的實際情況，提出了幾點看法，并進行了相應的分析和探討。
主題詞：天然氣 井站 防雷設施 分析

一、 井站安裝的防雷設施
　　為了避免井站的設備、設施不被雷擊，一般在井場都安裝了避雷針，對電氣設備安裝了浪涌保護器。井站安裝的防雷設施一般有以下幾種：
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年左右電桿出現破裂。
2、優化式避雷針
　　優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，然后在優化避雷針上接有泄漏電纜，計數器、入地分流線與地面接地裝置相連。優化避雷針具有傳統避雷針吸引雷電疏導入地的特點，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，安裝維護方便，牢固可靠、覆蓋面積寬、耐腐蝕、抗風能力強等優點，但是不經濟，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，箱體安裝在配電箱外，接在配電箱進線電源上，它的主要作用是防止感應雷和雷電波侵入配電箱內，防止雷電的電壓電流升高燒壞電氣設備設施。

二、工作原理及安裝要求
1、優化避雷針的工作原理
　　DXH01－ZU優化避雷針主要由激發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。通常情況下，激發器與反射器之間有電場強度，每當雷電發生前，電場強度訊猛增大，激發器與反應器之間的電位差大致相當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，形成尖端放電現象。避雷針的中央收集桿和激發器之間的電場迅速增加，造成尖端產生的空氣離子化可于極短及準確的時間內放電，因大電離子的存在，從而使自然的CORONA效應減低，產生一個預期上行放電通道，可迅速、安全地將電截擊并安全的泄放至大地。

2、避雷針與設備間安裝距離要求
　　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符合要求。避雷針與呼吸閥的水平距離應不小于3M，避雷針尖高出呼吸閥不應小于3m，避雷針尖的保護范圍邊緣高出呼吸閥頂部不應小于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，不應小于5米，避雷針針高于呼吸閥不應小于5m。



3、避雷針的接地要求
　　獨立避雷針和優化避雷針必須設立獨立的接地裝置，在非高土壤電阻率地區，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，優化避雷針的接地廠家設有專用線和要求。避雷針不應設在經常行走的地方，避雷針及其接地裝置與或出口等的距離不宜小于3M，否則應采取均壓措施或鋪設礫石或瀝青地面。

4、優化式避雷針保護半徑
　　按NFC17－102規定，避雷針針尖應高于被保護物水平2mh1以上。當避雷針高度不同時（h2，h3，…hn），其保護范圍（半徑）分別為RP2，RP3…RPN，計算公式應考慮被保護物的防雷等級，保護半徑與高度（h）有關，與它的啟動搶先時間（型號）有關，以及與所選的保護級別有關：
當h≥5時，
RP=
RP－為所考慮物的水平面上保護半徑
h－為針尖相對于被保護物頂部的水平高差
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象。云中的水滴受強烈氣流的摩擦產生電荷，而且微小的水滴帶負電，小水滴容易被氣流帶走形成負電云；較大的水滴留下來形成帶正電的云。由于靜電感應，帶正電的云層在大地表面會感應出與云塊異性的電荷，當電場強度達到一定值時，即發生雷云與大地之間的放電；在兩塊異性電荷的雷云之間，當電場強度達到一定值時，便發生云層之間放電。 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、電氣設備、設施和人員等帶來嚴重的危害，雷電具有電效應、熱效應和機械效應等三種破壞作用。數十萬至數百萬伏的沖擊電壓可擊毀電氣設備的絕緣，燒斷電線或劈裂電桿，造成大規模的停電；絕緣損壞引起短路，使金屬管道燒穿，導致火災或爆炸事故，甚至造成易燃品著火和爆炸；當雷電流入地時，在地面上就會因雷電引起跨步電壓，造成人身觸電事故。

　　為了更好的預防雷擊，有關部門將防雷等級進行了相應的劃分：1）一類防雷等級是指凡在建筑物中存在放爆炸物品或經常發生瓦斯蒸汽或空氣的限混合物，因電火花而發生爆炸，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，或當發生事故時，才有第一類的情況出現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的。

四、天然氣井站發生雷擊的主要原因分析
　　在天然氣井站常發生雷擊的設備、設施主要是電氣設施，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。天然氣井站發生雷擊的主要原因是由于避雷針的安裝結構、位置、接地、選型等存在問題。

　　雷14井2003－2004年連續發生雷擊燒壞計量儀表，主要原因是雷14井安裝的DXH01－ZU優化式避雷針直接與鐵塔相連，沒有按要求安裝泄流電纜、計數器、入地分流線再加上它的接地線又是與設備連接在一起沒有獨立分開接地。因此它的安裝結構、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，強大的感應電流通過鐵塔感應容易引起電氣設施、易燃品泄漏起火爆炸和人身安全.。并且雷14井優化避雷針，由于安裝位置和安裝結構都不科學，避雷針對整個井站的設備、房屋、電氣設施沒起到防雷保護作用，使雷電產生時，避雷針沒有完全把雷電流引入大地快速失放，從而使感應雷和雷電波侵入，通過鐵塔與工藝設備感應再由接地網和變電設備、電纜傳入到配電箱。由于配電箱內又沒安裝浪涌保護避雷器，因此使強電流、電壓或電磁場感應傳入微機電子儀表，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優化避雷針，也同樣存在選型和安裝位置、安裝結構問題，井站本身地處高山，又是雷擊多發區，因此在安裝避雷針時，只考慮了工藝設備區，忽略了生活區的防雷，它安裝的距離離設備區只有1米左右，所以它的安裝位置是非常不科學的，它不但安裝位置離設備達不到5米遠的要求，而且方位偏離，浪費了資源，加上安裝結構沒按要求連接泄流電纜、計數器、入地分流線，所以井場絕大部份沒起到保護作用，從而造成井場內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電源和進口的電源保護設備被雷擊燒壞，2005年6月全站11臺空調被雷擊燒壞，其中一臺被雷擊起火燃燒。其安裝的DXH01－ZU優化避雷針同樣存在安裝安全距離和安裝結構、接地問題。站內安裝避雷針共4基，其中有2基是獨立避雷針，有2基是優化避雷針，避雷針安裝距離距工藝設備區實際距離不足2米、而且優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、電氣設備連接在一起沒有獨立分開接地。因此它的安全距離、結構、接地都不符合要求。所以連續幾年發生電器設施被雷擊壞。

　　因為避雷針作用是把雷電引過來對大地進行放電，由于雷電流的波形有個陡度，雷電流是一種沖擊波，它有數十萬至數百萬伏的沖擊電壓，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在波頭部分，故防雷設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，對附近被保護物造成反擊事故，要求在限流阻抗附鏈附近(r=1.2L范圍內)不得安裝被保護物。其中L--限流阻抗鏈高度， r--危險區半徑

　　DXH01－ZU優化式避雷針安裝結構，應該是接閃器、泄流電纜、計數器、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，然后通過計數器把雷擊次數記錄下來，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，同樣是雷擊多發地區，設備、電氣儀表、房屋等設施沒有被雷擊，這是因為安裝的獨立式避雷針位置選擇有關，盡管這些避雷針它的復蓋面積和防雷效果等優點都不如優化避雷針，但它安裝位置的選擇、結構、接地合理，所以這些井站的設備、配、供電設施、房屋等從沒有被雷擊。

五、天然氣井站防雷設施安裝的幾點建議
　　目前井站安裝的優化避雷針85%以上，安裝位置、距離、結構都沒按要求進行安裝。井站的避雷針沒有充分發揮起到避雷的作用，雷電時沒有完全把整個井站的雷電流引入大地達到快速失放的目的，這些優化避雷針只是一種裝飾、擺設，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施的安裝提出以下幾點建議。

1、石油天然氣井站防雷設施今后在設計時，應該根據井站的防雷類別、井場面積、設備、生活區分布情況來統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范，合理利用和充分發揮避雷針的作用，減少井站重復安裝防雷設施，達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、計數器、入地分流線和避雷針接地線，沒進行獨立接地的優化避雷針進行整改，讓避雷針充分發揮作用，從而達到安全防雷的目的。
3、天然氣井站絕大部分的值班房和住房都是磚混結構平房，瀝青屋面，高度一般在5米以下，井站又安裝了避雷針，根據防雷保護要求，這類房屋可以不作接地處理。但對金屬屋面的房屋，應安裝防雷接地保護線，防止感應雷和雷電波浸入危害人身安全。
4、采輸工藝設備區可以安裝防雷接地網，但接地網不能與電氣設施房屋防雷接地網絡相連，防止感應雷和雷電波浸入危害人身、設備安全。
5、天然氣井站的水、電、訊設備、設施、電氣儀表等，應安裝浪涌避雷器和設備接地，接地電阻值必須符合各類設備接地要求，且不能與采輸工藝設備、強電設施接地相連，防止感應雷和雷電波浸入，損壞電氣儀表，減少雷電災害的損失。
6、優化避雷針安裝時應嚴格按照說明書要求進行安裝，安裝完畢后，每年雷雨季節前按照下列內容進行檢查：1）各連接部位的連接應可靠，不允許松動。2）檢查從接閃器至底座的阻抗鏈總阻值。應≦5Ω。3）優化避雷針的引下線接地應良好，接地電阻值不大于10Ω。