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本文通過對汽車加油站所處環(huán)境特點、系統(tǒng)特點中雷電災害各因素的分析，根據(jù)其特點對加油棚、油罐及附屬建筑的直擊雷防護和接地，加油站電源、信號系統(tǒng)的雷電防護等，依據(jù)GB 50057、IEC61312標準對雷電防護的要求，提出了系統(tǒng)的解決方案。
引言
加油站在城市交通建設中起著重要的作用，也是城市災害救助中的重要能源基地，但是近年來加油站的雷電災害事故頻繁發(fā)生，直接威脅到加油站周圍人群和建筑物的安全，削弱了加油站作為城市能源樞紐的功能，因此對加油站的雷電綜合防護是非常重要的。
1.加油站的環(huán)境特點
加油站通常具有以下幾個特點：
1)地理位置：加油站通常設在城區(qū)開闊地帶或郊區(qū)、山區(qū)、鄉(xiāng)村、高速公路等道路邊的開闊地帶;
2)實施條件：無論在城區(qū)還是鄉(xiāng)村，這些加油站建筑往往都不具備符合要求的防雷實施(包括外部防雷、內(nèi)部防雷和地網(wǎng)等等)。此外，加油站營業(yè)建筑的面積一般都很小，不便于多級防雷方案的實施;
3)電源系統(tǒng)：一般加油站的380V交流供電線路是架空明線接入至站區(qū)附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由10KV電力線架空接入，經(jīng)變壓器后再地埋引入建筑的。在鄉(xiāng)村和山區(qū)有時根本沒有地埋措施，因此非常容易感應雷電電磁脈沖;
4)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)：引入加油站的ISDN等通信線路通常也是由戶外架空明線引入的，并且通常未安裝專用電涌保護器(SPD)做雷電防護措施。
從以上幾個特點不難發(fā)現(xiàn)，從雷電防護角度來看，加油站一般都運行于“高風險”環(huán)境下，即對于雷害風險的“暴露程度”很高，因此需要采取強有力的防護措施。根據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》、GB15599-95《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》、GB 50074-2002《石油庫設計規(guī)范》等國家標準及IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》標準，其電源線路至少應采取兩級雷電防護，信號線路至少應采取一級雷電防護才能達到雷電防護的要求。但目前的情況是，大多數(shù)加油站都沒有進行電源線路和信號線路的雷電過電壓防護。
鑒于加油站的上述特點和要求，一般認為對于中等以上雷暴強度地區(qū)(年均雷暴日40天以上)，應選用最大標稱放電電流大于15KA(10/350μS)的電涌保護器作為電源系統(tǒng)的第一級雷電防護，其保護水平應小于2000V，同時滿足這兩個方面的要求才能保證加油站設備用電電源的可靠運行。通信信號線路由于多是由外部進線，因此同樣會受到雷擊的威脅，因此也需要采用專用通信信號系列電涌保護器進行雷電防護。下圖為加油站系統(tǒng)圖：
2.加油站防雷等級的確認
依據(jù)GB 50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》建筑物年預計雷擊次數(shù)按下式計算： N = kNgAe;Ng = 0.024Td 1.3 式中 N 建筑物預計雷擊次數(shù)(次/a);
k 雷擊次數(shù)校正系數(shù);在此類型情況下取2;
Ng 建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/(km2?a)];
Ae 與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2);
Td 該地區(qū)的年平均雷電日數(shù)
在下列情況下k取相應數(shù)值：
a.位于曠野孤立的建筑物取2;
b.金屬屋面的磚木結(jié)構建筑物取1.7;
c.位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5;
根據(jù)以上年預計雷擊次數(shù)參數(shù)，對于中等以上雷暴強度地區(qū)(年均雷暴日40天以上)地區(qū)位于公路旁邊四級以下的面積3000平方米左右，建筑高度小于15米的常規(guī)加油站的預計雷擊次數(shù)為： N = kNgAe≈0.15次/a
依據(jù)以上計算，參照GB 50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》第2.0.3條的要求，其屬于標準規(guī)定的“具有1區(qū)爆炸危險環(huán)境的建筑物，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者”。因此應定為二類防雷建筑物，其防爆防火等級應定為Ia(ia)ⅡAT3。
3.加油站直擊雷防護設計
1)站區(qū)的防雷設計
依據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》，由于汽車加油站的建筑物的防雷類別為二類，所以用滾球設計接閃器時滾球半徑R=45m;由于加油站的建筑物包括加油棚、宿舍樓及其它附屬建筑物，這些建筑物在設計和施工時，利用其框架結(jié)構的樁作為垂直接地體，利用地梁與承臺作為水平接地體，利用樁內(nèi)兩條對角主筋作為引下線，利用天面板筋作為接閃網(wǎng)格(通常為10m×10m或8m×12m)，因此只需要沿天面四邊設避雷帶，在四角設避雷50cm短針進行防護即可。如加油站為尖頂型結(jié)構，需要在尖頂部位安裝避雷針，常規(guī)設計為高度為100cm避雷針。
2)油罐區(qū)的防雷設計
依據(jù)GB50074-2002《石油庫設計規(guī)范》第14.2章、防雷的要求：金屬油罐必須作環(huán)形接地，其接地點不應少于兩處，其間弧形距離不宜>30m，接地體距罐壁應不小于3m。鋼油罐頂板厚度<4mm時，應裝防直擊雷設施，當頂板厚度≥4mm，可不裝防直擊雷設施。但對于位于多雷區(qū)(年平均雷暴日數(shù)多于40天)的油罐和鋁頂油罐，應安裝獨立避雷針做防直擊雷設施。獨立避雷針與被保護油罐的水平距離不應小于3m，保護范圍應高于呼吸閥2m以上。
依據(jù)GB 50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》第三章、建筑物防雷設施和GB 50074-2002《石油庫設計規(guī)范》第14.2章、防雷的要求：油罐區(qū)的防雷類別應設定為一類，用滾球法計算常規(guī)油罐區(qū)的保護范圍，當滾球半徑R=30m時，兩支對角線分布的等高避雷針的高度一般為9.5m，其導流面積應大于100mm2 ，根據(jù)安裝需要可進行焊接或螺栓緊固在避雷針鐵塔頂部。
3)引下線的設計
站區(qū)的避雷針和避雷帶可用建筑物內(nèi)的鋼筋作引下線，將屋面避雷帶按標準要求分別接在四個角上，將避雷帶與建筑混凝土內(nèi)的鋼筋相連。油罐區(qū)的避雷針可用鐵塔作引下線，因鐵塔已良好接地，所以只需在安裝避雷針時保證避雷針與鐵塔有良好的電氣連接，并做防腐處理即可， 4)地網(wǎng)的設計
加油站的地網(wǎng)分為直擊雷保護接地(其接地電阻要求≤10Ω)、防靜電接地(其接地電阻要求≤10Ω)、電源工作接地(其接地電阻要求≤10Ω)、信號線路直流工作接地(其接地電阻要求≤4Ω)四個部分。
依據(jù)GB 50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》第三章、建筑物防雷設施和GB 50074-2002《石油庫設計規(guī)范》第14.2章、防雷的要求：加油站的接地應采用統(tǒng)一接地的接地形式，并在各處做等電位連接，既油罐的罐體及罐的金屬構件以及呼吸閥、量油孔等金屬附件，電力電纜外皮和瓷瓶鐵腳，裝于鋼油罐上的信息系統(tǒng)的配線電纜外皮，加油機地腳螺釘?shù)染鶓c接地系統(tǒng)做可靠的電氣連接，其統(tǒng)一接地電阻要求≤4Ω。
考慮到地網(wǎng)使用的長期性和耐腐蝕性，建議使用非金屬接地模塊制作地網(wǎng)。地網(wǎng)布置依據(jù)地形進行設計。水平接地體使用40×4mm鍍鋅扁鋼，埋深0.6米;垂直接地體使用L50×50×5×2000mm鍍鋅角鋼;垂直接地體間使用非金屬接地模塊。地網(wǎng)引出地網(wǎng)測試極到地面上，以便以后檢測地網(wǎng)情況。鐵塔的應通過四個腳與地網(wǎng)相連，機房和變電房的基礎內(nèi)的鋼筋應在四角處與地網(wǎng)相連。
4.電源配電系統(tǒng)雷電防護設計
1)外來導體的布置
外來導體包括：金屬水管、通訊電纜線及電力電纜鎧裝外皮或電纜金屬管等。所有的水管和電纜應埋地進入機房，水管和電纜鎧裝外皮和保護金屬管應在進入機房時接地，電纜應選用鎧裝電纜或穿金屬管埋地進入機房電纜相線和中線應通過電涌保護器接地。
2)電源系統(tǒng)電涌保護器的布置和選擇：
A.電涌保護器的布置原理
在LPZ0和LPZ1區(qū)交界：U2 =U1-I2R2 可以看出：U2這樣就可以通過多級鉗位使殘壓逐步降低，以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害。
a)通過電涌保護器的雷電流逐級減少，還為安裝電涌保護器提供了方便如(圖3)所示，我們在安裝電涌保護器時總會使用導線進行連接，而導線電感在雷電波的頻率下不能忽略，于是有：
Uc=UL1+Us+UL2 Uc=Is(ZL1+ZL2)+Us
這樣的殘壓將會附加上一個額外的Is(ZL1+ZL2)，如果只有一級電涌保護器，雷電流的大部將從這一級電涌保護器泄放入地則Is非常大，這樣要保證U額外Is(ZL1+ZL2),否則則ZL1+ZL2要非常地小,也即導線要非常短,在安裝時往往很難做至,安裝條件就會非?？量獭６嗉壊贾檬惯@個部題得至解決。
b)SPD4必須盡量靠近設備，這是因為GB 50057-94(2000版)和IEC 61312表明電涌保護器距被保護設備的距離過大會由于雷電波的反射效應而在被保護設備上引起高頻振蕩，使得設備上的電壓超過電涌保護器上的殘壓而損壞設備。這個距離應小于10米。
B.電涌保護器的選擇
a)動作電壓的選擇
變壓器低壓側(cè)的電涌保護器其三相電壓為動作電壓;U0 = 400V
b)電涌保護器的通信容量選擇
首級電涌保護器標稱放電電流的選擇
GB 50057-94(2000版)和IEC 61312指出：二類保護要求,應按總雷電流150KA(10×350μS波)來考慮電涌保護器選擇，按照其建議的雷電流分配方式其中50%即75KA是通過接地系統(tǒng)(水管、鎧裝電纜外皮或?qū)Ь€的我屬保護管等)直接入地;另外50%通過安裝在相線和中線上的電涌保護器入地。
依據(jù)以上標準考慮到50%雷電流分配到電源系統(tǒng)的最惡劣環(huán)境，按照GB 50057-94(2000版)標準表6.1提供的雷電流參數(shù)電涌保護器每相上的雷電流約為：
當線路無屏蔽時，Iimp =[150 KA×50%]÷4 =18.75KA
當線路有屏蔽時，Iimp =[150 KA×50%×30%]÷4 =5.625KA
對于本系統(tǒng)電源線路的特點，按《建筑物防雷設計規(guī)范》第六章：第四節(jié)：第6.4.7條要求每線標稱放電電流不宜小于15KA的要求。首級電涌保護器的每相標稱放電電流應大于15KA(10/350μS)。
次級電涌保護器標稱放電電流的選擇
依據(jù)國標GB 50057-94第6.4.8條：在前級按第6.4.7條要求安裝的10/350μs SPD 所得到的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓以及反射波效應不足以保護距其較遠處的被保護設備的情況下，尚應在被保護設備處裝設 SPD。且該 SPD 的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓小于被保護設備耐壓水平的 80%。根據(jù)被保護設備的特性(如高電阻型、電容型)或開路時，反射波效應最大可將侵入的電涌電壓加倍。
依據(jù)國標GB 50057-94第6.4.9條：當按第6.4.7條和第6.4.8條要求安裝的 SPD 之間設有配電盤時，若第一級 SPD 的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓保護不了該配電盤內(nèi)的設備，應在該盤內(nèi)安裝第二級SPD。后級線路的SPD稱放電電流 In的選擇應考慮到前級SPD啟動后線路殘壓和其兩端引線的感應電壓以及反射波效應。
對于本系統(tǒng)采用的非屏蔽電纜線路，次級電涌保護器的每相標稱放電電流應大于20KA(8/20μS)。精密設備保護需選用防雷插座，其體積小，可以與設備靠得很近。
3)加油站電源系統(tǒng)設計方案
根據(jù)IEC 61312《雷電電磁脈沖的防護》、GB 50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》、GB 50074-2002《石油庫設計規(guī)范》及GB 50058-92《爆炸和火災危險環(huán)境電力設計規(guī)范》中防雷及過電壓規(guī)范有關防雷分區(qū)的劃分和各級電源系統(tǒng)雷電及過電壓保護要求，針對汽車加油站配電系統(tǒng)的特點，可將其分為三個防雷區(qū)分別加以考慮。由于如前所述單級防雷可能會帶來因雷電流過大而導致的泄流后殘壓過大或者保護能力不足引起的設備損壞。因此選用電源系統(tǒng)多級保護，可防范從直擊雷到操作浪涌的各級過電壓的侵襲。
A.電源一級防雷[LPZOA-LPZ1區(qū)]：
依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》第六章：防雷電電磁脈沖;第三節(jié) 屏蔽、接地和等電位連接的要求：第6.3.4條及第四節(jié) 對電涌保護器和其他的要求：第6.4.7條規(guī)定，在LPZOA或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，從室外引來的線路上安裝SPD當線路有屏蔽時，每個SPD的雷電流按雷電流的幅值的30%考慮，汽車加油站為二類防雷建筑物，首次雷電流幅值為150KA，電源線路為非屏蔽埋地的TN配電模式，因此首次直擊雷在低壓配電線路上每線的分配電流為：在建筑物已安裝合格的防直擊雷措施后，有50%的雷電流通過引下線流入接地裝置，因此每線分配電流為：In =[150 KA×50%]÷4 =18.75KA，按《建筑物防雷設計規(guī)范》第六章：第四節(jié)：第6.4.7條要求每線標稱放電電流不宜小于15KA。同時，依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》第六章：第四節(jié) 第6.4.4條及IE C61312《雷電電磁脈沖的防護》第三部分：浪涌保護器的要求，浪涌保護器可以將數(shù)萬伏的感應雷擊過電壓限制到4KV以下。
綜上所述,應在380V低壓總配電箱安裝標稱通流容量25KA的10/350μs波形的開關型模塊式電源電涌保護器,用于整個加油站所有用電設備的第一級電源防護。筆者推薦使用采用多層石墨間隙技術和特殊的材料工藝的10/350μs波形的開關型模塊式電源電涌保護器，此類SPD較火花間隙型SPD的優(yōu)點在于: 1)它的雷電能量瀉放能力較強;2)它的脈沖響應時間較火花間隙型SPD短;3)它的脈沖點火電壓較火花間隙型SPD低，保護水平小于2000V，而火花間隙型SPD的保護水平等級通常為4000V;4)多層石墨間隙型SPD無工頻續(xù)流，避免了火花間隙型SPD的續(xù)流和滅弧問題，工作狀態(tài)更穩(wěn)定。
B.電源二級防雷[LPZ1-LPZ2區(qū)]：
根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》第六章：防雷擊電磁脈沖;第四節(jié)，第6.4.1至6.4.12條LPZ1區(qū)對電涌保護器(SPD)的要求及GB 50054-95《低壓配電設計規(guī)范》第四章的有關規(guī)定，依據(jù)雷電分流理論，需使用8/20μs波形，通流容量20KA。《建筑物防雷設計規(guī)范》第六章對于配電盤、斷路器、固定安裝的電機等第Ⅲ類耐沖擊過壓，其耐壓為4KV。為防止浪涌保護器遭受雷擊后損壞后，電源對地短路，需要在浪涌保護器前安裝空氣開關作為短路保護裝置。
可在潛油泵控制線、潛油泵加油機、稅控加油機或一般加油機電源配電箱和營業(yè)大廳電源配電箱內(nèi)分別安裝具有防火功能的8/20μs波形通流容量20KA的電源防雷箱，電源線選用耐油性能良好的帶塑料護套的RVV型4×2.5mm2絕緣線引入。
C.電源三級防雷[LPZ2-LPZ3區(qū)]：
根據(jù)IEC 61312-3雷電電磁脈沖的防護 第三部分：浪涌保護器的要求，在LPZ2-LPZ3區(qū)內(nèi)，浪涌保護器可將浪涌電壓限制到一千多伏，防雷器通流容量為(8/20μs)：≥10KA?？稍跔I業(yè)大廳計算機管理設備、UPS電源、票據(jù)打印設備、加油機數(shù)據(jù)傳輸設備及其它精密設備的電源開關處使用插座式電源防雷器。
5.信號系統(tǒng)保護方案
在雷擊發(fā)生時，產(chǎn)生巨大瞬變電磁場，在1KM范圍內(nèi)的金屬環(huán)路，如網(wǎng)絡、信號及通訊金屬連線等都會感應到雷擊，將會影響網(wǎng)絡、信號及通訊系統(tǒng)的正常運行甚至徹底破壞系統(tǒng)。對于網(wǎng)絡、信號及通訊方面的防雷工作是較易被忽視的，往往是當系統(tǒng)受到巨大破壞、資料損失慘重時才想到應該做預先的防范。本方案中網(wǎng)絡、信號設備防護方面，依據(jù)GB 50174-93《電子計算機機房設計規(guī)范》、YD/T5098 《通信局(站)雷電過電壓保護工程設計規(guī)范》、GB 2887-89《計算機場地安全要求》中信號系統(tǒng)雷電及過電壓防護要求，應在從營業(yè)廳液位儀檢測儀引出的液位儀控制線上安裝額定負載電流1～1.5A的大功率特殊信號電涌保護器，用于液位儀檢測儀信號線路的保護。應在從營業(yè)廳加油機總控制線上安裝精密的控制信號電涌保護器，用于加油機總控制線路的保護。應在PSTN撥號網(wǎng)絡通訊線MODEN前和電話通訊系統(tǒng)進線端分別安裝電話線路通信線電涌保護器，用于各設備網(wǎng)卡及電話通信線路的防雷保護。
6.結(jié)束語
汽車加油站配電電源系統(tǒng)宜將其分為三個防雷區(qū)分別加以考慮，首級保護宜采用標稱放電電流值25KA的10/350μs波形的多層石墨間隙開關型模塊式電源電涌保護器。液位儀控制線、加油機總控制線、PSTN撥號網(wǎng)絡通訊線等也應采用相應的電涌保護器進行保護。
工商網(wǎng)監(jiān)
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