液化天然气储罐防雷接地方案.pdf

( 2014 7) 36327 液化天然气储罐防雷接地方案 孙倩 ( 上海液化天然气有限责任公司， 200021， 上海) 雷击造成的最惨重事故是 1989 年 8 月 12 日黄 岛油库的油罐爆炸事故。当日 9: 55，储存 2 3 万 m3原油的 5 号混凝土油罐因雷击爆炸起火，造 成 19 人死亡，100 多人受伤，直接经济损失 3 540 万元。 上海液化天然气 ( LNG)接收站建设了3 座储 罐，每个储罐内储存 LNG 16 5 万 m3。在保证上海 市日常供应的同时，各接收站还承担着上海市天然 气调峰和应急保安责任。上海地处亚热带，是雷暴 天气多发地区，据气象部门近三十年资料统计，年 均雷暴日在 49 9 d 以上。可以说，每座储罐就是 一个巨大的能源库，也是一个危险的爆炸源。为保 证储罐的安全运行，在建设 LNG 储罐时设置了多 重防雷、接地设施，下面分别作一介绍。 1储罐顶部设置避雷针 LNG 罐顶有一个放空阀，用于天然气紧急放 空。为此，设置了一支避雷针，防止泄漏出来的天 然气被雷电点燃。 设置避雷针时，采用滚球法对避雷针进行了保 护范围计算。以 hr为半径的一个球体，沿需要防 直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器 ( 包括 被利用作为接闪器的金属物)或接闪器和地面 ( 包 括与大地接触能承受雷击的金属物)而不触及需要 保护的部位时，该部分就是接闪器的保护范围。 LNG 罐按第二类防雷构筑物设计。第二类防 雷构筑物的滚球半径 hr为 45 m，放空阀高度 1 m， 距放空阀 5 m 处设置一支 h 为 10 m 高的避雷针。 避雷针保护范围的具体确定方法如下 ( 如图 1 所 示) : ( 1)距地面 hr处作一平行于地面的平行线; ( 2)以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于 平行线的 A、B 两点; ( 3)以 A、B 为圆心，hr为半径作弧线，该弧 线与针尖相交并与地面相切，从该弧线起到地面止 就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体。 从图 1 中可以看出，放空阀安装点距避雷针的 距 离接近5 m， 而放空阀的高度只有1 m， 所以， 图 1避雷针保护范围 放空阀完全在避雷针的保护范围内。 避雷针采用钢管制作，顶部是实心钢棒，并用 3 条钢绞线固定在储罐顶部。 2储罐顶部设置避雷网 LNG 罐 按 第 二 类 防 雷 构 筑 物 设 计。GB 500572010 建筑物防雷设计规范第 4 3 1 条 规定，第二类防雷构筑物外部防雷的措施，宜采用 装设在构筑物上的避雷网、避雷带，在整个屋面组 成不大于 10 m 10 m 或 12 m 8 m 的网格，接闪 器之间应互相连接。 LNG 罐顶平面直径 80 16 m，分为 5 个圆周， 半径分别为 1=5 75 ( m) 、2=14 ( m) 、3=23 ( m) 、4=32 ( m) 、5=40 ( m) 。其中，1圆周 内区域已由避雷针覆盖，该区域不再设置避雷网， 其他 4 个圆周内设置避雷网。储罐防雷接地结构如 图 2 所示。 4 个圆周长分别为:L2= 2 2= 87 96 ( m) 、L3=144 51 ( m) 、L4= 201 06 ( m) 、L5= 256 35 ( m) 。 每一圆周内相邻两个避雷带之间的距离设计为 5 m，分别需要避雷带网格的个数是:N2= L2/5 = 17 6 18 ( 个) 、N3= 28 9 29 ( 个) 、N4= 40 241 ( 个) 、N5=51 352 ( 个) 。 避雷带采用 12 4 镀锌扁钢制作。按照上述方 法组成如图 2 所示的罐顶避雷网，每一个区域面积 符合防雷要求。 配 电 28 364( 2014 7) 图 2储罐防雷接地结构 3防雷引下线设置 GB 500572010 第4 3 3条规定，建 ( 构)筑 物专设引下线不应少于 2 根，并应沿建筑物四周均 匀对称布置，其间距沿周长计算不宜大于 18 m。 储罐圆周 L5= 256 35 ( m) ，引下线数量 N = L5/18 =14 24 ( 根) ，取 15 根。 引下线采用 12 4 镀锌扁钢，在 高度 1 m 处设断接卡，如图 2 ( b) 所示。要测量每一个接地点的接地电 阻，需拆开断接卡，分别测量 15 个 接地点的接地电阻。 引下线在地面下 700 mm 处通过 120 mm2的绝缘铜芯导线连接成一个 接地干线网，并与接地极连接。 4接地极设置 GB 500572010 第 4 3 10 条规 定，有爆炸危险的露天钢质封闭气 罐，当其高度小于或等于 60 m、罐 顶壁厚不小于4 mm时，或其高度大 于 60 m、罐顶壁厚和侧壁壁厚均不 小于 4 mm 时，可不装设接闪器，但 应接地，且接地点不应少于 2 处，两 接地点间距离不宜大于 30 m。 LNG 储罐地面基础直径 D 为 85 m，储罐接地干线网与接地极连 接点数量为 N = D /30 = 8 89 ( 个) 。为保证储罐有更加良好的接 地效果，取 N 为 12。 LNG 储罐位于填海区域，沙石 电阻率较大，故选用电解离子接 地极。 电解离子接地极由先进的陶瓷合 金化合物组成，电极外表为紫铜合 金，以确保最高导电性能及较长使用 寿命，并配以内外两大种类填充剂。 实验证明，土壤电阻率过高的直接原 因是因为缺乏自由离子的辅助导电作 用。接地导体外部的回填料以具有强 吸水力、强吸附力和阳离子交换性能 高的材料为主体，配以长效、降阻、 防腐功能强、膨胀系数高、不受温度 变化影响、耐高电压冲击的多种化学材料为辅料， 具有保湿、离子缓释、潜深接地、长效降阻的功效 和特点。电解离子接地极结构如图 3 所示。 电解离子接地极长 3 m，不适合垂直安装。根 据现场的实际情况，将接地极平放于沟槽中，具体 施工过程如下 ( 见图 4) 。 ( 1)在储罐 基 础1 5 m 处 挖 一 深60 cm 、 长 配 电 ( 2014 7) 36529 图 3电解离子接地极 图 4电解离子接地极安装图 330 cm、宽 20 cm 的沟槽。 ( 2)用干布将接地极擦拭干净，不能有油污; 在接地极上部、中部、下部的离子释放孔处注入 清水。 ( 3)将 GAF 粉末状接地改良剂加水搅拌，放 置于沟底。 ( 4)将接地极保持一定倾斜度放置于沟底，上 部用改良剂覆盖。 ( 5)用绝缘胶带将接地极引线包好，采用热熔 焊方式与接地干线连接。 5静电接地设置 当 LNG 注入储罐时，液体流发生电荷分离， 当电荷积聚到一定程度时就会产生静电放电。由于 静电放电是在纳秒级的时间内完成的，其峰值电流 可达几十安，所以瞬间的功率十分巨大，静电放电 具有严重的破坏力。 避免静电危害的方法:一是限制可燃液体流动 的速度，大大减少静电的产生和积聚;二是做好静 电接地。静电接地就是用接地的办法提供一条静电 荷释放的通道。接地回路必须连接可靠，否则会在 接触不良处产生火花放电。具体做法是:在储罐内 壁焊接接地螺栓，通过 70 mm2绝缘铜芯导线连接 至外壁金属体，以释放静电。静电接地连接如图 5 所示。 图 5静电接地连接 6接地检测结果 GB 500572010 第 4 3 10 条还规定，每处接 地点 的 冲 击 接 地 电 阻 值 不 应 大 于 30 。GB 121582006 防止静电事故通用导则第 6 1 2 条规定，要使静电荷尽快地消散在静电危险场所， 所有属于静电导体的物体必须接地，每组专设的静 电接地体的接地电阻值一般不应大于 100 ，在山 区等土壤电阻率较高的地区，其接地电阻值也不应 大于 1 000 。 防雷接地工程结束后，实测接地电阻值为 0 8 ，各接地引下线与接地干线连接良好，满足 防雷接地要求。 7防雷装置的维护与运行 保证储罐的防雷装置在雷击事故中起到应有的 作用，是一个十分重要的问题。要做到这一点，关 键是对防雷装置进行安全检测，及时发现问题，及 时整改。 储罐防雷装置安全检测应包括以下内容: ( 1)接地电阻应符合要求，应该用专用接地冲 击电阻测试仪进行接地电阻的测量; ( 2)接闪器与引下线应采用焊接法连接; ( 3)引下线的材料与尺寸应满足规定要求; 配 电 30 366( 2014 7) ( 4)断接卡应该无锈蚀; ( 5)定期进行防雷设施的防腐处理。 在日常维护和运行中，还应注意以下问题。 ( 1)接地电阻的年度检测不能用政府部门的年 度抽检代替。这是两个完全不同的测试方法，前者 能够保证每个接地点的接地电阻和接地系统是完好 的，而后者只能保证整个接地系统符合要求。当雷 击发生时，必须将雷电流迅速传导到地下，前提就 是每个接地点都是完好的。所以，接地电阻年度检 测是必须进行的，不能用政府抽检代替。 ( 2)电解离子接地极与储罐基础钢结构的电池 腐蚀问题。 铁和铜在海水中的电偶序分别是 05 V、 电流互感器二次回路断线是否应闭锁差动保护的分析 崔国忠 ( 首钢京唐公司，063000，河北唐山) 目前，国内厂家生产的微机型变压器差动保护 设备中均设置了电流互感器二次回路断线闭锁差动 保护出口功能和电流互感器断线开放差动保护 功能。 在变压器运行时，一旦出现电流互感器二次回 路断线的情况，差动保护设备会立即发出报警信 号，并根据预先的设置决定是否需要闭锁差动保护 出口。 本文对变压器差动保护电流互感器二次回路断 线闭锁差动保护出口和开放差动保护进行分析，进 而提出一种较为合理的使用方案。这一方案已在首 钢京唐公司得到了实施，效果良好。 1变压器差动保护动作电流计算 为了预防变压器内部线圈及引出线的相间及匝 间故障，一般都要对容量在 5 600 kVA 及以上的变 压器装设纵联差动保护，目前广泛使用的是微机型 变压器差动保护。 微机型变压器差动保护多采用励磁涌流闭锁原 理，以躲过励磁涌流对差动保护的影响。针对纵联 差动动作电流，只需要按躲过变压器正常运行时的 最大不平衡电流整定即可。 11差动速断保护 当任意一相差动电流大于差动速断保护整定值 时，差动速断保护瞬时动作，断开各侧断路器，动 作判据为: Id Isd( 1) 式中:Id 差动电流 Isd 差动速断保护整定值 12比率差动保护 比率差动保护动作判据为: Id0 2Ir+Icd当 Ir 0 6 时 Id K( Ir0 6Ie) +0 12Ie+Icd当 0 6 Ir4Ie时 Id0 7( Ir4Ie) +K( 4Ie 0 6Ie)+ Icd+ 0 12Ie当 Ir 4Ie 时 ( 2) 式中:Ir 制动电流 Icd 稳态比率差动保护启动定值 K 比率制动系数定值，即比率差动保护 制动曲线中第二段折线的斜率;一般 0 2K0 7，笔者推荐整定为 0 5 Ie 变压器额定电流 由于变压器各侧电流互感器性能、变比有差 异，以及各侧绕组联结组别可能存在不同，差动回 路存在不平衡电流，因此采用常规三段式制动曲线 特性既能够保证区外故障不平衡电流最大时不发生 误动，又能够保证切除区内故障时的灵敏度。程序 按相判别，任意一相满足条件时，比率差动保护动 作。比率差动保护经过励磁涌流判别、电流互感器 断线判别 ( 可选择)后动作出口。一般变压器差 动保护装置手册中规定，差动保护启动定值 Icd可 整定为 20%到 50%的变压器额定电流 Ie。 2主变差动保护电流互感器二次回路断线检测 正常情况下判断电流互感器二次回路断线的依 据是所有相别的电流中有一相或两相无流，且存在 差流，同时差流大于差流越限值。在有电流突变 时，判据为发生突变后电流减小，且本侧三相电流 中有一相或两相无流，对侧三相电流无变化。 一般情况下，电流互感器二次回路断线后，差 动保护设备发出报警信号，并可选择闭锁或不闭锁 差动保护出口。 配 电 ( 2014 7) 36731 3电流互感器二次回路断线是否应闭锁差动保护 出口的分析 在实际生产运行中，由于对二次回路的维护、 预防性试验、断路器的分合闸操作，以及设备本身 的振动等原因，电流互感器比较容易出现二次回路 断线的情况。在微机型变压器差动保护中，变压器 各侧电流互感器采用 Y 形接线，出现电流互感器 二次回路断线情况时，断线侧断线相的电流减小或 变为零，其余各侧同相的相电流无变化，差动电流 变为断线相上的负载电流或穿越性电流。此时，主 变电流往往大于差动保护启动定值 Icd，势必造成 主变差动保护动作，断开主变断路器。实际上，这 样的情况是不允许的。因此，许多厂家在产品中加 入了电流互感器二次回路断线闭锁差动保护出口和 开放差动保护的功能，供用户选择。 31电流互感器二次回路断线闭锁差动保护出口 主变正常运行时，电流互感器二次回路断线引 起差动保护动作属于不正确动作，宜只发报警信 号，由运行人员进行处理。这样做的缺点是，如果 变压器此时有故障，变压器差动保护不动作，就不 能正确地切除故障电流，使事故范围扩大。 坚持电流互感器二次回路断线闭锁差动保护出 口，即坚持继电保护一贯的理念和原则:一次设备 出现故障时继电保护必须正确动作，而一次设备未 出现故障或异常时不应动作，否则就是保护拒动或 误动。基于这样的理念，电流互感器二次回路属于 继电保护的组成部分，断线应闭锁保护出口，以免 造成不必要的突然停电和影响系统稳定。 32电流互感器二次回路断线不闭锁差动保护 出口 电业安全工作规程规定，带电的电流互感 器二次回路工作时严禁开路。大机组及超高压设备 使用的电流互感器，二次绕组匝数多，开路电压很 高。这样高的二次电压不但可能使二次绕组和二次 设备的绝缘遭到损坏， 而且会使铁心因过热而烧 毁，甚至威胁人身安全。所以，持电流互感器二次 回路断线不闭锁差动保护出口观点的技术人员认 为:一旦发生断线，通过差动保护动作出口，使设 备停止运行，是利大于弊的。因为如果设备在电流 互感器二次回路断线的情况下继续运行，后果可能 非常严重。 33电流互感器二次回路断线开放差动保护， 通 过控制字选择电流互感器二次回路断线是否 闭锁差动保护出口 当电流互感器二次回路断线且差流不大时，差 动保护设备发出报警信号，通知调度人员通过倒负 荷将变压器停电进行检修处理。这样做，可以避免 因电流互感器二次回路断线而引起的主变跳闸。如 果差流增大至断线开放差动保护定值 ( 一般为变 压器额定电流 Ie) ，则开放差动保护。这样，变压 器差动保护动作，主变跳闸，保护装置可以正确切 除故障电流，避免事故扩大。可以说，这是一个折 中的方案，兼顾了前两种方案的优点与不足。 4应用实例 首钢京唐公司变