海洋石油平台防雷设计及优化研究

2016-12-08张辉孟毅贾红涛杨志彬中国石油集团海洋工程有限公司沧州海事局

石油石化节能 2016年11期

张辉孟毅贾红涛杨志彬（.中国石油集团海洋工程有限公司；.沧州海事局）

海洋石油平台防雷设计及优化研究

张辉1孟毅2贾红涛2杨志彬2（1.中国石油集团海洋工程有限公司；2.沧州海事局）

海洋石油平台防雷是系统工程，应综合采取外部防雷和内部防雷措施，同时与陆地常规做法有所不同。海洋平台的外部防雷一般无需专设接闪器和引下线，可以钢结构本身兼做接闪器和引下线，但顶部有转动设备时应设接闪器保护设备；内部防雷要综合采取屏蔽、等电位连接、线缆敷设和浪涌保护器等措施防止雷击电磁脉冲入侵。经工程实际检测，防雷保护设施动作效果良好，系统运行安全可靠。

海洋平台；防雷设计；浪涌保护器；冲击电流

1 海洋平台雷击风险分析

海洋石油平台矗立在空旷的海面上进行油气生产作业，一般都是爆炸和火灾危险场所，其装置规模大、露天化布置，生产区域弥漫着爆炸性气体混合物，危险程度很大；海洋平台上的井架、容器、泵和管架等金属物暴露在室外，遭雷击概率很大；海洋平台装置自动化程度高，规模化的电子信息系统和仪器仪表的使用和多点布设，更增加了雷击对平台装备设施的潜在危害。根据国家气象局监测，我国海上平均雷暴日普遍高于临近陆地，对海上油气生产造成重大安全隐患，如何防止雷击灾害事故的发生显得尤为重要。

2 防雷设计

海洋平台的雷击防护是一个系统工程，应综合考虑外部防雷和内部防雷设计，见图1。外部防雷主要防直击雷，通过设置接闪器、引下线和接地装置，将强大的雷电流迅速引导入地（海）；内部防雷设计要综合考虑屏蔽、等电位连接、线缆敷设和布线、浪涌保护器（SPD）的设置。

海洋石油平台的防雷设计主要遵循防雷设计国家标准、石油石化行业的防雷设计标准，以及中国船级社颁布的建造规范，主要标准包括：GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50650—2011《石油化工装置防雷设计规范》、GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》。

根据上述标准，结合实际工程案例分别对海洋平台的外部防雷设计和内部防雷设计进行研究。

图1 海洋平台综合防雷系统

2.1 外部防雷设计

建筑物应根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，将防雷要求分为三类[1]。海洋石油平台至少应按照第二类防雷建筑物进行防雷设计，具有0区或20区爆炸危险区的海洋平台应按照第一类防雷建筑物进行防雷设计。

一套完整的防雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。近海油气开采普遍采用的固定式导管架平台桩腿入泥深度较深（可达百米），桩腿上部沉浸在海水里，其接地电阻很低，效果良好，因此平台桩腿可兼做接地装置。

1）接闪器。石油化工装置防雷设计规范推荐利用生产设备的金属实体作为防直击雷的接闪器，

用作接闪器的生产设备应为整体封闭、焊接结构的金属静设备；转动设备不应用作接闪器[2]。对于金属结构平台，上部构件同平台主体结构形成了固有的对地低电阻通路，故不需另设避雷系统。

2）引下线。陆地建筑物防雷的常规做法一般都专设引下线，规范要求专设引下线与人员活动区域之间的距离应不小于3 m，事实上这在海洋平台上很难实现。海洋石油平台一般为钢结构焊接型式，钢结构壁厚均大于4 mm，高耸钢结构（如钻井井架、火炬臂等）底部与平台钢结构可靠焊接，可以利用平台钢结构作为引下线。

2.2 内部防雷设计

海洋平台的内部防雷设计主要从等电位连接、屏蔽与布线、浪涌保护器的设置3个方面考虑。

1）等电位连接。海洋石油平台整体为钢结构焊接型式，平台本身即为一个等电位体，设备外壳以及电缆铠装层等均已按要求有效接地，能够有效限制接触电压和跨步电压，保护人员和设备安全。

2）屏蔽与布线。海洋平台的中控系统和电气系统的主要设备均布置在设备房间内，设备房间为大空间屏蔽钢结构，屏蔽效果良好；海洋平台电力电缆均采用铠装电缆，电缆端头均已有效接地。这些设计特点体现了对电磁屏蔽的重视，事实证明对雷电电磁脉冲的抑制效果良好。

3）浪涌保护器的配置。浪涌保护器是对平台上的各种电子设备、仪表、通讯系统提供安全防护的重要装置，当电气回路或者通信线路中因雷击而突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。国际电工委员会标准IEC 62305-1和欧盟标准EN 6199-4-5分别以10/350 μs和8/20 μs来描述模拟直击雷和感应雷电流的测试波形，见图2。

图2 直击雷和感应雷模拟波形

雷击产生的瞬时过电压很高，为有效保护平台电气系统和信息系统安全，应将其进行分级防护，使过电压逐步减小至无害水平。将建筑物的保护空间分成几个防雷分区（LPZS），在线路由一个分区进入到另一个分区处安装浪涌保护器，按照不同分区的具体要求安装相应等级的浪涌保护器。

3 案例分析

渤海某石油平台上新建海事雷达站，在主甲板上架设雷达塔架，雷达设备布置在底部设备房间内。项目实施后雷达塔高于平台上其他设备高度，遭雷击的可能性尤其大，需对雷达天线进行直击雷防护。由于本项目新增的雷达天线、微波天线等设备接入平台现有电气系统和中控系统，防止雷击电磁脉冲和雷电波入侵对平台电气和中控系统的影响是防雷设计的另一重点。

3.1 接闪器

3.1.1 选型设计

按照第一类防雷建筑物进行防雷设计，滚球半径取30 m，塔架顶部设置接闪器保护设备和人员安全。海洋平台上推荐使用耐海水和盐雾腐蚀的不锈钢或铝合金接闪器。为降低整个塔架荷载和接闪器的风载，考虑采用单根接闪器，接闪器位置示意如图3所示，雷达塔顶部平台布置如图4所示。

图3 雷达天线接闪器位置示意

雷达天线安装高度（含底座）h=1.9 m，接闪器与雷达天线之间距离L1=0.76 m，雷达天线旋转半径R=2.93 m，经估算，接闪器突出保护物高度L2至少应大于2.23 m。经计算采用6 m长单根接闪器。

图4 雷达塔顶部平台布置

3.1.2 保护范围计算

根据GB 50057标准，使用滚球法计算所选用的6 m接闪器的保护范围（图5）。接闪器在hx高度xx′平面上的保护半径计算公式：

式中：h——接闪器高度，m；

hx——被保护物高度，m；

hr——滚球半径（一类防雷建筑物），m；

rx——被保护高度上保护范围截面半径，m。

图5 滚球法计算接闪器保护范围

3.2 浪涌保护器的选型和设计

项目中除了平台已有的等电位连接和屏蔽措施以外，合理设置浪涌保护器是雷击电磁脉冲防护的关键措施。

1）浪涌保护器冲击电流。根据GB 50343标准当采用屏蔽线路时，LPZ0和LPZ1界面处每条电源线路的浪涌保护器的冲击电流应取大于或等于12.5 kA。

2）浪涌保护器设计。雷达天线电源和天馈线穿入底部设备间，电力电缆从LPZ1区穿入LPZ0B区，应在交界处的电源配电箱内装设第一级SPD（B级），在雷达天线电源出线回路开关装设第二级SPD（C级）进一步降低冲击电压；但由于设备房间空间有限，无法满足一、二级保护器级间10 m安装距离的要求，因此选用了B+C级复合型浪涌保护器。B+C级复合型电涌保护器电涌泄放能力大，电压保护水平低，可节省两级保护器之间的退耦器的安装，优化导线连接。雷达天线电源进线端装设第三级浪涌保护，所选用的前1级SPD的参考电压要比后1级SPD高,前1级SPD的通流容量要比后1级大,两级SPD之间要保持一定距离,这样能量配合才比较合理,提高防雷可靠性[3]。