韦世东,韦佩琼,覃永烈

(1.广西罗城仫佬族自治县气象局,广西罗城546400;2.广西宜州市气象局,广西宜州546300)

1 引言

雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的10种自然灾害之一,每年给全球造成的人员伤亡、财产损失不计其数,导致的火灾、爆炸、信息系统瘫痪的事故频繁发生,但由于雷击发生的时间和地点以及雷击强度具有随机性,要对雷击进行有效的防护难度是非常大的,达到完全阻止和避免雷击事故的发生是不可能的,所以雷电防护工程只能最大限度地减少雷击造成的灾害及损失。

随着我国社会经济的高度发展[1],高速公路的建设以每年7%～8%的速度持续增长[2]。高速公路四通八达服务地方经济社会发展的能力大大增强,高速公路边的加油站也随之增多,由于加油站一般设在城区开阔地带或郊区、山区、乡村、高速公路等道路边的开阔地带,雷害风险的“暴露程度”很高,比较容易遭受雷击,近年来雷电造成的灾害也呈逐年上升的趋势[3]。由于加油站的防雷为被动防雷,而雷击具有极大的偶然性,未做任何防雷的加油站可能数十年未遭雷击,这使得加油站的防雷没有得到相当的重视。在我国雷电灾害已成为当前危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第3大气象灾害,因此加强雷电防护已成为我国现代化建设过程中一项十分必要和紧迫的任务。

2 罗城县雷灾状况分析

据罗城石油公司永安加油站工作人员反映,2007年7月15日12时左右,城区突发强雷暴天气,当时周围雷声特别大,加油站信息系统遭受雷击。经过现场勘察发现,办公室机房内的 Modem、通讯控制器、税控加油站总台和两台加油机内部的电子元件被雷电流击穿损坏;2008年6月10日23时左右,晚上一听到雷声,工作人员立刻拉下电源总开关闸刀,马上停止营业,为了安全起见,加油站内所有工作人员躲到了办公室内,在雷声最大的一刹那,工作人员听到通讯控制器和税控加油站总台有“喀咔”几声。次日经现场勘察发现,又是办公室内的M odem、通讯控制器、税控加油站总台、电话机和1台加油机分别被雷击损坏;2011年5月1日晚8时50分左右,雷声最强的时候,突然看到一道白光在加油区内,之后就不能加油了,经检查发现通讯控制器、税控加油站总台、电话机、计算机、打印机、电脑鼠标、集成器、加油机编码器、短控设备和3台加油机损坏。

罗城永安加油站位于市区的东北部,属于郊区地带,东面距离较远的多为2～3层的民用建筑和西南部为罗城县职业高中,加油站为1层楼,面积不大,加油区建筑物长9m、宽7m、高6.5m,办公区建筑物长15m、宽5m、高4.5m,建筑物为钢筋混凝土框架结构;加油站防雷接地体为人工接地体,地网埋深80cm,水平接地体采用40mm×4mm热镀扁钢,垂直接地体采用∠50mm×50mm×5mm热镀角钢,每支长2m,每隔4m打一支,防雷接地电阻3.5Ω。办公室内有服务器、电话机、UPS电源、计算机,高速打印机、M odem、通讯控制器、税控加油站总台等电子设备,加油区内安装有3台加油机。供电系统为380V,总配电房单独设在办公室的东边,并配备了专门的配电柜,由于加油站改建多次,破坏了安全保护地,改建时机房增设了设备接地,配电柜未作重复接地。加油站的电源线和信号线均为架空进入室内,2007年7月遭受雷击后,该加油站增设了2组SPD,但是进入机房的电话线还是没有安装信号避雷器,同时也没有采取屏蔽措施。

3 罗城县雷击事故原因分析

3.1 线路敷设不规范

3.1.1 电源线路

加油站在改建时没有在配电房作重复接地,违反了信息系统防雷规范中应采用TN-S系统的接地方式的规定,机房内线路的安装敷设方式比较乱,进入配电柜的电源线、信号线混乱绞在一起。虽然遭受第1次雷击后电源线上按规定安装了2组避雷器,但是电源线过了2级SPD后,也没有按规定穿金属管埋地敷设到加油区,只是穿PVC管沿外墙敷设进入,在布置时没注意避开屋顶防直击雷的引下线,而是直接贴过防雷引下线敷设进入办公室,进入到加油区。有雷击时,引下线会将雷电流泄放入地前,因感应产生的过电压会通过线路进入到加油站的信息系统,造成电子设备损坏。输入办公室的电源线架空,未按规定套金属管进入配电箱,这是严重隐患,假如附近有雷电闪击时,架空电源线会因此感应产生的雷电过电压会有一部分电流通过电源线路入侵加油站信息系统,同样会导致电子设备和信息系统损坏,幸运的是本次雷击没有雷电流从电源线进入加油站。

3.1.2 信号线路

加油站电话线为架空引入,在加油站一端的电话线是绑在避雷带上。架空电话线也会因雷电感应产生的过电压入侵加油站信息系统,导致通信设备损坏。根据3次雷击的事故进行分析,雷电流是通过电话线进入到M odem后,再进到通讯控制器——税控加油站总台——加油机电脑主板——入地,这是3次遭受雷击的主要原因。使得加油站的Modem、通讯控制器、税控加油站总台、电话机和两台加油机被雷击损坏。

3.2 SPD安装和选择不规范

3.2.1 电源线路

由于加油站的防雷为被动防雷,而雷击具有极大的偶然性,未做任何防雷措施的加油站可能数10年未遭雷击,这使得加油站的防雷没有得到相当的重视,所以加油站的供电系统在第一次遭受雷击后才在入配电房和办公室前安装了2组的三相限压型SPD,因电源进线为架空敷设[4],该处实际上是LPZ0B与LPZ1交界,按规范应该安装开关型SPD或通流量大于80kA(8/20μs)的限压型SPD,并在进入办公室安装第二级SPD,该处实际上是LPZ1与LPZ2交界,以防范雷电波入侵。经现场勘察,配电箱SPD安装规范,第一级为限压型,通流量为40kA;第二级为限压型,通流量为20kA,目前工作状态正常,据加油站各参数开展分析,安装的2组SPD通流量太小,不足于防范架空线路所产生的雷电感应过电压、过电流,还可能会造成自身损坏。

3.2.2 信号线路

信号线进入前没有严格按照规定穿金属管埋地进入,信号线路也未按规定安装信号SPD,应在信号线路入口处安装参数与通信线路相匹配的信号SPD。

3.3 等电位连接不规范

由于加油站的中心机房内没有设置等电位连接网络,一些设备接地串联连接,一些设备干脆不接地,一旦本建筑遭受雷击,易产生地电位反击,造成一连串的电子设备损坏。金属门窗没采取等电位连接,据加油站工作人员还反映,每次附近有雷击时,防盗网上经常看到火花。机房内通讯控制器和税控加油站总台的机壳没按规定进行接地处理,据现场勘查还发现,因设备外壳没有安全接地措施,对地感应电压高达78V,一旦有雷电流入,这些设备必然遭受雷击,同时也可能威胁到工作人员的人身安全。由于加油站办公室内的通讯控制器、税控加油站总台、UPS、电脑等设备的接地都是通过加油机电脑主板才入地,遭受3次雷击时,都是雷电流是通过电话线进入到Modem,造成加油站的Modem、通讯控制器、税控加油站总台、电话机和两台加油机等一连窜的电子设备被雷击损坏,这就是3次遭受雷击的主要原因。

4 防雷整改分析

4.1 线路整改

4.1.1 电源线路

加油站应采用TN-S系统的接地方式是我国目前最理想的方式[5]。加油站是易燃易爆场所,在LPZ0A与LPZ0B交界,有条件有能力的最好做好线路的屏蔽措施,避免线路架空产生雷电干扰,在机房内主配电柜应作重复接地,严格按照规定采取等电位连接措施,将电源防护措施的接地与防雷接地共用接地装置,目的是提高加油站总体的供电质量,从而达到消除地电位反击隐患。

目前罗城永安加油站的供电系统采用TN-C系统,是不科学的,规范也是严格禁止的,应该立即整改[6];应把加油站的供电TN-C系统改为TNS系统。TN-S系统的N线重复接地后,产生了PE线。

架空的电源线,经过机房后沿外墙敷设给加油区进行供电,这部分电源线路应该改在楼内布置,如难以做到,要将外露电源线穿金属管,并将金属管可靠接地,才引入到加油区,防止出现2次雷击造成电子设备的损坏。

4.1.2 信号线路

加油站信号线为架空引入,是和电源线路平行敷设,在加油站一端的信号线还绑在避雷带上,然后才拉下引入到机房内,这是不允许的。加油站附近雷电活动比较频繁,架空信号线会感应产生的过电压存在安全隐患。如今是电子时代,以半导体等弱电元件为主的电子设备巳应用到社会各个领域。由于弱电元件抗过电压能力特差,近年来感应雷灾害大量发生,造成损失越来越大,必须引起足够重视。应将外露信号线穿金属管再引入,并将金属管可靠接地。

4.2 SPD选择和安装

4.2.1 电源线路

根据雷电风险评估[7],机房电源应当至少采用两级保护,一般采用三级保护,如果可能采用四级。本加油站有条件的应安装SPD应按三级来保护,在总开关处安装三相电压开关型SPD(选择8/20μs,的80kA),作为一级防护;在机房配电箱输入端,安装限压型SPD(选择 8/20μs,60kA),作为二级防护;在机房设备前安装限压型SPD(选择8/20μs,20kA),作为三级防护。如有困难最少应考虑前二级防护措施。电源线路浪涌保护器在各个位置安装时,浪涌保护器的连接导线应短直,其总长度不宜大于0.5m。有效保护水平UP/f(连接导线的感应电压降ΔU与SPD的UP之和)应小于或等于设备耐冲击电压额定值Uw。当电压开关型浪涌保护器至限压型浪涌保护器之间的线路长度小于10m、限压型浪涌保护器之间的线路长度小于5m时,在两级浪涌保护器之间应加装退耦装置。当浪涌保护器具有能量自动配合功能时,浪涌保护器之间的线路长度不受限制。浪涌保护器应有过电流保护装置和劣化显示功能。

4.2.2 信号线路

在信号线的入口处[8],加油站服务主系统前,增装一组SPD。如果信号线路改用光缆引入,信号线路就不需安装信号SPD。信号线路入口处安装的信号SPD参数应与通信线路相匹配,同时将光缆的屏蔽层接地。

4.3 等电位连接处理

等电位连接,将所有的金属外壳、机柜、机架、金属屏蔽层、SPD接地、直流工作地、安全保护地等共用接地装置[9],从物理学讲,就是把各种金属物用粗的导线焊接起来,或把它们直接焊接起来,以保证等点位。加油站的中心机房应增设等电位连接网[10],电气和电子信息设备的金属外壳和机柜、机架、金属屏蔽线缆外层、直流工作地、安全保护地及各种SPD接地端,均应以最短的距离与等电位连接网络直接连接。罗城永安加油站的机房面积并不大,在机房内应增设这样的等电位连接网[11],各设备采用S型结构与等电位连接网直接连接。金属门窗应采用10mm2的铜芯线作等电位连接,机房内通讯控制器和税控加油站总台等所有的金属机壳也按规定采用6mm2的铜芯线作接地处理,保证与等电位接地网可靠连接。加油站内的电气设备除外壳及管线应做好接地外,其工作接地、保护接地和系统接地应与防雷接地共用接地装置。以保证雷击发生时,电气设备各工作点电位相同,从而减少过电压对设备的损害。

5 结语

一个加油站在雷雨季节连续3次遭受雷击的严重事故,有一定的偶然性,但也有一定的必然性,即加油站信息系统存在严重的安全隐患。由于改扩建工程普遍存在建设单位不够重视,施工单位技术服务差,有关部门监督管理也不到位等原因,布线不规范、等电位连接、SPD的选型及安装不当已成为改(扩)建加油站中雷电防护的通病。通过对永安加油站遭受3次雷击事故这一典型例子加以分析,也足以证明防雷工程是一个系统工程,在进行防雷工程设计与施工中不能简单的停留在建(构)筑的屋顶安装避雷带、避雷针的防直击雷、室内做设备接地防感应、电源和信号安装SPD防雷电波侵入上,应全方面考虑防雷的分类、设计时保护对象的要求、保护范围、分流作用。同时采取直击雷防护技术、等电位连接技术、屏蔽技术、综合布线技术、共用接地技术及安装适配的SPD等六项防雷技术措施的综合防雷,才能建立全面完整的防雷系统,才能有效地防范雷电灾害,确保各类加油站信息系统安全运行,从而提高整体的雷电防护能力。

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