石油天然气井站防雷设施分析和探讨
石油天然气井站防雷设施分析和探讨超级防雷资料文/施锐 殷建成 四川西南油气田公司川东北气矿
摘要：石油天然气井站是天然气开采不可缺少的生产场地，这些井站绝大部分地理位置都处于海拔高度300～600米的山区丘陵地带。随着科学技术的不断发展，井站自动化、高科技设备设施越来越多，为了井站这些设备、设施不被雷击，一般在井场都安装了避雷针，对电气设备安装了浪涌保护器，同时对各类设备还作了人工接地等防雷措施。特别是近两年天然气开采行业，对井站防雷设施要求越来越高，花去大量人力和物力，将大量资金投入到井站防雷改造工作上，少的几十万元，多的上百万元，已逐步地将原来井站安装的自制独立式避雷针改造成铁塔优化式避雷针。
现在井站安装的这些避雷设施,到底起没起到避雷作用？还存在什么问题？还需不需要投入这么多的资金去搞重复防雷？这是天然气开采中的一项重大技术课题。现本文针对这一课题同时根据天然气井站雷击发生的实际情况，提出了几点看法，并进行了相应的分析和探讨。
主题词：天然气 井站 防雷设施 分析
一、 井站安装的防雷设施
为了避免井站的设备、设施不被雷击，一般在井场都安装了避雷针，对电气设备安装了浪涌保护器。井站安装的防雷设施一般有以下几种：
1、独立式避雷针（自制避雷针）
独立式避雷针是一基Φ150×10m或Φ190×12m水泥电杆，上面安装的是自制的渡锌铁管长3-5米，有的在尖上安有自制铜尖，有的安装的就是大小不同的四节白铁管，总高度约15-18m，然后用一根裸体钢铝线或渡锌圆钢与埋在地下的接地装置相连，接地电阻值要求在10Ω以下。优点是每基避雷针全套大约800-1500元/基，安装简单；缺点是避雷针渡锌铁管一般在2-3年后生锈，10年左右电杆出现破裂。
2、优化式避雷针
优化式避雷针是我国在2001年研制的一种新型防雷装置，高度在0.8米左右，安装在高约20-25米的铁塔尖上，然后在优化避雷针上接有泄漏电缆，计数器、入地分流线与地面接地装置相连。优化避雷针具有传统避雷针吸引雷电疏导入地的特点，又能使入地雷电流幅度波长头陡度同时降低，使雷击危害减少到最低，雷电能流大，衰减分倍率高，造型美观，安装维护方便，牢固可靠、覆盖面积宽、耐腐蚀、抗风能力强等优点，但是不经济，安装一基大约4-6万元，安装难度大一些，接地电阻值要求在10Ω下。
3、浪涌识别避雷器
浪涌识别避雷器有2种，一种是模块型，另一种是相体型。模块型安装在配电箱内，箱体安装在配电箱外，接在配电箱进线电源上，它的主要作用是防止感应雷和雷电波侵入配电箱内，防止雷电的电压电流升高烧坏电气设备设施。
二、工作原理及安装要求
1、优化避雷针的工作原理
DXH01－ZU优化避雷针主要由激发器从自然界的电场中吸收并贮存能量。反射器及避雷针尖与大地有良好的电气连接，处于等电位状态。通常情况下，激发器与反射器之间有电场强度，每当雷电发生前，电场强度讯猛增大，激发器与反应器之间的电位差大致相当于雷云与大地之间的电位，它们之间的电压降迅速加大造成尖端打火，并使尖端周围的空气离子化，形成尖端放电现象。避雷针的中央收集杆和激发器之间的电场迅速增加，造成尖端产生的空气离子化可于极短及准确的时间内放电，因大电离子的存在，从而使自然的CORONA效应减低，产生一个预期上行放电通道，可迅速、安全地将电截击并安全的泄放至大地。
2、避雷针与设备间安装距离要求
避雷针与易燃油贮罐和氢气、天然气等罐体及其呼吸阀等之间的空气中距离，避雷针及其它接地装置与罐体、罐体的接地装置和地下管道的中距离应符合要求。避雷针与呼吸阀的水平距离应不小于3M，避雷针尖高出呼吸阀不应小于3m，避雷针尖的保护范围边缘高出呼吸阀顶部不应小于2m。在空气中的距离和地中距离必须符合要求。避雷针与5000m3以上贮罐呼吸阀的水平距离，不应小于5米，避雷针针高于呼吸阀不应小于5m。
3、避雷针的接地要求
独立避雷针和优化避雷针必须设立独立的接地装置，在非高土壤电阻率地区，其工频接地电阻不宜超过10Ω。接地体长度不得小于15M，独立式避雷针接地体采用渡锌圆钢材料时直径不得小于Φ8mm,采用扁钢材料截面积不得小于48mm,厚度不得小于4mm。接地体的连接要求焊接牢固，优化避雷针的接地厂家设有专用线和要求。避雷针不应设在经常行走的地方，避雷针及其接地装置与或出口等的距离不宜小于3M，否则应采取均压措施或铺设砾石或沥青地面。
4、优化式避雷针保护半径
按NFC17－102规定，避雷针针尖应高于被保护物水平2mh1以上。当避雷针高度不同时（h2，h3，…hn），其保护范围（半径）分别为RP2，RP3…RPN，计算公式应考虑被保护物的防雷等级，保护半径与高度（h）有关，与它的启动抢先时间（型号）有关，以及与所选的保护级别有关：
当h≥5时，
RP=
RP－为所考虑物的水平面上保护半径
h－为针尖相对于被保护物顶部的水平高差
D－为滚球半径（闪击距离）
ΔL为上行抢先距离
ΔL＝V（米/微秒）×ΔT（微秒）
三、雷电的产生及危害
雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。云中的水滴受强烈气流的摩擦产生电荷，而且微小的水滴带负电，小水滴容易被气流带走形成负电云；较大的水滴留下来形成带正电的云。由于静电感应，带正电的云层在大地表面会感应出与云块异性的电荷，当电场强度达到一定值时，即发生雷云与大地之间的放电；在两块异性电荷的雷云之间，当电场强度达到一定值时，便发生云层之间放电。放电时伴随着强烈的电光和声音，这就是雷电。
雷电对架空高压电线路、电气设备、设施和人员等带来严重的危害，雷电具有电效应、热效应和机械效应等三种破坏作用。数十万至数百万伏的冲击电压可击毁电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模的停电；绝缘损坏引起短路，使金属管道烧穿，导致火灾或爆炸事故，甚至造成易燃品着火和爆炸；当雷电流入地时，在地面上就会因雷电引起跨步电压，造成人身触电事故。
为了更好的预防雷击，有关部门将防雷等级进行了相应的划分：1）一类防雷等级是指凡在建筑物中存在放爆炸物品或经常发生瓦斯蒸汽或空气的限混合物，因电火花而发生爆炸，致使房屋毁坏和人员死亡。2）二类防雷等级是指特征同一类，但不致引起巨大破坏和人员伤亡，或当发生事故时，才有第一类的情况出现和具有重要政治意义的民用建筑屋。3）三类防雷等级是指不属于一类二类的，而又需要作防雷保护的。
四、天然气井站发生雷击的主要原因分析
在天然气井站常发生雷击的设备、设施主要是电气设施，最常见的是供电线路，变压器上安装的避雷器，家用电器、天然气计量微机等。天然气井站发生雷击的主要原因是由于避雷针的安装结构、位置、接地、选型等存在问题。
雷14井2003－2004年连续发生雷击烧坏计量仪表，主要原因是雷14井安装的DXH01－ZU优化式避雷针直接与铁塔相连，没有按要求安装泄流电缆、计数器、入地分流线再加上它的接地线又是与设备连接在一起没有独立分开接地。因此它的安装结构、接地都不符合要求。这种安装由于雷击时强大的电流、电压无法尽快得到失放，强大的感应电流通过铁塔感应容易引起电气设施、易燃品泄漏起火爆炸和人身安全.。并且雷14井优化避雷针，由于安装位置和安装结构都不科学，避雷针对整个井站的设备、房屋、电气设施没起到防雷保护作用，使雷电产生时，避雷针没有完全把雷电流引入大地快速失放，从而使感应雷和雷电波侵入，通过铁塔与工艺设备感应再由接地网和变电设备、电缆传入到配电箱。由于配电箱内又没安装浪涌保护避雷器，因此使强电流、电压或电磁场感应传入微机电子仪表，因微机电子仪表的额定电压有限，所以烧坏微机计量仪表。
铁山4井站内安装的线路断路器被雷击烧坏和井站安装的天然气放空管线2002年被雷击着火。其安装的DXH01－ZU优化避雷针，也同样存在选型和安装位置、安装结构问题，井站本身地处高山，又是雷击多发区，因此在安装避雷针时，只考虑了工艺设备区，忽略了生活区的防雷，它安装的距离离设备区只有1米左右，所以它的安装位置是非常不科学的，它不但安装位置离设备达不到5米远的要求，而且方位偏离，浪费了资源，加上安装结构没按要求连接泄流电缆、计数器、入地分流线，所以井场绝大部份没起到保护作用，从而造成井场内安装的供电线路断路器被雷击烧坏和雷击引起天然气放空管线着火。
达县配气站的供电埋地电缆，在2003年被雷击爆，计度箱被雷击起火，2004年计量微机UPS电源和进口的电源保护设备被雷击烧坏，2005年6月全站11台空调被雷击烧坏，其中一台被雷击起火燃烧。其安装的DXH01－ZU优化避雷针同样存在安装安全距离和安装结构、接地问题。站内安装避雷针共4基，其中有2基是独立避雷针，有2基是优化避雷针，避雷针安装距离距工艺设备区实际距离不足2米、而且优化式避雷针安装没有按要求安装，加上它的接地线又是与工艺、电气设备连接在一起没有独立分开接地。因此它的安全距离、结构、接地都不符合要求。所以连续几年发生电器设施被雷击坏。
因为避雷针作用是把雷电引过来对大地进行放电，由于雷电流的波形有个陡度，雷电流是一种冲击波，它有数十万至数百万伏的冲击电压，其幅值和陡度随各次放电条件而异，一般幅值大的陡度也大。幅值和最大陡度都出现在波头部分，故防雷设计时只考虑波头部分没考虑波尾。因此为了避免雷击时在限流阻抗上引起的高电压，对附近被保护物造成反击事故，要求在限流阻抗附链附近(r=1.2L范围内)不得安装被保护物。其中L--限流阻抗链高度， r--危险区半径DXH01－ZU优化式避雷针安装结构，应该是接闪器、泄流电缆、计数器、入地分流线。避雷针的接闪器是把雷电引过来，通过泄流电缆，然后通过计数器把雷击次数记录下来，再通过入地分流线把雷电快速失放大地，如图2所示。
而雷音铺气田的雷11井、雷13井、雷12井、铁山气田的铁12井、铁山13井等井站安装的自制独立避雷针，井站地理位置同样在海拨300-600米高，同样是雷击多发地区，设备、电气仪表、房屋等设施没有被雷击，这是因为安装的独立式避雷针位置选择有关，尽管这些避雷针它的复盖面积和防雷效果等优点都不如优化避雷针，但它安装位置的选择、结构、接地合理，所以这些井站的设备、配、供电设施、房屋等从没有被雷击。
五、天然气井站防雷设施安装的几点建议
目前井站安装的优化避雷针85%以上，安装位置、距离、结构都没按要求进行安装。井站的避雷针没有充分发挥起到避雷的作用，雷电时没有完全把整个井站的雷电流引入大地达到快速失放的目的，这些优化避雷针只是一种装饰、摆设，相反有的成了引雷作用，浪费了物力资源和财力，为此我们对天然气井站防雷设施的安装提出以下几点建议。
1、石油天然气井站防雷设施今后在设计时，应该根据井站的防雷类别、井场面积、设备、生活区分布情况来统一考虑选择避雷针的型号，同时对避雷针的安装距离、位置、接地等要符合防雷规范，合理利用和充分发挥避雷针的作用，减少井站重复安装防雷设施，达到降低投资和防雷的目的。
2、对井站没按要求安装的泄流电缆、计数器、入地分流线和避雷针接地线，没进行独立接地的优化避雷针进行整改，让避雷针充分发挥作用，从而达到安全防雷的目的。
3、天然气井站绝大部分的值班房和住房都是砖混结构平房，沥青屋面，高度一般在5米以下，井站又安装了避雷针，根据防雷保护要求，这类房屋可以不作接地处理。但对金属屋面的房屋，应安装防雷接地保护线，防止感应雷和雷电波浸入危害人身安全。
4、采输工艺设备区可以安装防雷接地网，但接地网不能与电气设施房屋防雷接地网络相连，防止感应雷和雷电波浸入危害人身、设备安全。
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