小型加油站雷击风险评估的灾害分析及防护对策.doc

小型加油站雷击风险评估的灾害分析及防护对策曾庆锋1, 2, 王振会1, 2(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京 210044; 2.南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044) 摘 要: 针对小型加油站的雷电风险评估重点 ,从地理、 地质、 土壤、 气象、 雷电活动规律、 环境等条件以及被保护物的特点和人的认识主观因素等方面进行详细的分析 ,然后计算了预计雷击次数及相关风险 ,最后 ,根据对加油站的危险性和易损性分析及风险值计算结果 ,为加油站提出防护对策。关键词: 加油站;雷电风险评估;防护对策引 言20世纪 90年代 ,国外已逐渐形成一套完整的雷击风险评估体系。国际电工委员会 ( IEC)针对雷击风险评估 ,制定了 IEC61662防雷技术标准;国际电信联盟 ( IT U)针对通信站的雷击风险评估 ,制定了 IT U - TK39。两大国际组织发布的上述雷击风险评估技术标准 ,形成了较完整的技术体系 ,为雷击风险评估提供了有力的技术依据 ,具有重要的指导意义 1 。国内 ,已有结合我国实际情况的雷击风险评估。中国气象局 2000 年 11 月 20 日发布的 QX32000 2 ,其标准附录 A给出了“雷击风险评估方法 ” ,适用范围是由雷击电磁脉冲对气象信息系统造成损失的风险评估 ,评估的重点是确定年平均直击雷次数和年平均允许雷击次数。 2004年6月1日起实施的 G B50343 2004 3 ,按建筑物电子信息系统所处环境进行雷击风险评估 ,确定雷电防护等级。该标准确定的雷电风险评估方法重点考虑了建筑物年预计雷击次数、 建筑物入户设施年预计雷击次数以及建筑物电子信息系统因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数 1 。随着技术规则的建立和逐步完善 ,雷击风险评估业务实践在国内快速发展。陈勇斌等 4 通过对爆炸危险环境年预计雷击次数 ,爆炸危险环境周边环境、 暴露于危险环境的人口分布等因子的统计分析 ,计算给出爆炸危险环境的雷击风险程度 ,从而为爆炸危险环境是否要进行雷电保护决策提供依据。梁文光 5 认为雷害的普遍存在和地理位置、 气候背景、 环境条件和被保护物的使用性质等存在着相关性。风险评估是针对被保护物的共性制定的 ,但是实际情况是十分复杂的 ,风险评估无法囊括现实的所有情况。因此 ,需要我们对被保护物进行具体的危险性和易损性分析 ,以此来弥补现在风险评估的不足。对收集的资料进行危险性和易损性分析 ,可了解危险源之所在和易损来源及可能损害的程度,对风险评估中各种因子的取值、 计算和防护对策起指导作用。但是现在很多雷电风险评估中往往缺少了对环境的具体的危险性和易损性分析 ,如赵梓城 6 以广珠西线高速公路碧江管理中心监控机房为例 , 通过理论计算 , 对监控机房雷击损害风险进行评估 , 探讨防御雷击对策;葛谦、 侯勇 7 以客运站为例对雷电风险评估方法进行具体的阐述分析 , 并着重对建筑物电子信息系统的电磁脉冲防护提出相应的保护措施和建议;罗永祥等 8 通过对独山县农业银行业务系统雷击风险评估尝试 , 探讨县级电子信息系统雷击风险评估思路、 方法。而有的只是简单地对建筑物进行了危险性和易损性分析,如赵东等 9 以永宁采油厂某联合站为例 , 通过简单分析雷 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 气象与环境科学 第 33卷击风险评估方法和雷击环境特点 ,简化风险评估模型 , 调整个别评估参数 , 对联合站损失类型为人身伤害的雷击风险进行实证评估。本文以启东的一个小型加油站为案例 ,重点分析加油站的危险性和易损性 ,计算加油站的风险 ,然后提出加油站的防护对策 ,其目的是对雷电风险评估的环境危险性和易损性进行初步探讨 ,为风险评估方法提供参考 ,同时对其他的加油站如何进行防护有一定的实际指导意义。1 加油站气象等相关资料及其分析本案例的加油站坐落在启东市郊区高速公路及国道路边开阔地带 ,周围无高大建筑物 ,而架空电力线错综复杂 ,水文地质条件较复杂。加油站主要包括加油站房、 罩棚、 雨棚和加油机、 罐池、 隔油池、 水封井、 卸油台及配电系统等。该加油站很多建筑建设较早 ,许多防雷装置年久失修 ,已失去了防雷保护功能。加油站面积为 223 . 8 m2,其中站房部分为126 . 6 m2,罩棚为 97 . 2 m2,总用地面积为 1212 m2。站房为框架结构 ,雨棚为钢结构。启东市位于万里长江入海口北岸 ,是东海、 黄海、 长江三水交汇之处 ,属于亚热带湿润性季风气候 , 6 10月主要以雷雨大风和台风为主 ,年均雷暴日约为30 . 5天 ,因该区域化工企业众多 ,大气污染较严重 ,空气中悬浮颗粒物较多 ,这也是雷暴多发的一个重要原因 10 。 该地域地闪主要活动期为 4 8月 ,其中8月份为地闪高发期 , 83%以上的地闪都发生在这一个月份; 6、 7月份为地闪多发期 ,约6%的地闪发生在这两个月。 该地域地闪主要活跃在 13 21时 ,75%以上的地闪都发生在这个时段 , 15 20时为地闪高发时段 ,其中18时段雷电活动最为强烈。 这和启东地区的雷电活动规律基本一致。 启东市季风特征明显 ,秋冬盛行偏北风 ,春夏盛行东南风。 年平均风速3 . 3 m / s,年平均大风日数12 . 4天 ,最大风速极值为18 . 0 m / s。 土壤电阻率数据采集当日天气晴朗 ,土壤较干燥 ,取季节系数为1 . 4 1 . 5,所测量土壤电阻率为 - 0 . 75 - 7 . 5 m的土壤层。 通过数据转换得出加油站所在区域 - 0 . 75 - 7 . 5 m土壤层大部分的平均土壤电阻率为28 . 52 30 . 53 m,而加油站的东南柱子附近电阻率达到3000 m,估计那里有岩石或者建筑垃圾在其下面。根据江苏省相关资料得到加油站 3 km半径范围3年 (2005 2007年 )平均地闪密度约为 1 . 62次 /( km2a) ,雷电流平均值为 52 . 3 kA,雷电流幅值 162 . 8 kA 的地闪概率为 1% , 雷电流幅值 124 . 5 kA的地闪概率为 2% ,雷电流幅值 97 . 5 kA的地闪概率为3%,雷电流幅值 69 . 8 kA的地闪概率为10%。 虽然加油站属于二类防雷建筑物 ,但是从雷电流强度的规律及加油站特殊性考虑 ,我们保守选择162 kA而不是二类的150 kA作为雷电流的最大幅值是比较合适的。在正常温度下 ,汽油能挥发出大量蒸气 ,遇明火或电火花就会发生爆炸。 6 8月气温很高 ,湿度不大 ,汽油等的挥发性最强 ,很容易达到汽油、 柴油等爆炸极限 ,因而潜在着很大的危险性。 从地闪的季节和时间变化规律可见该地区雷暴活动频繁,而雷暴多发的时段正是加油站人员流动最大的时段 ,这无疑加大了加油站的危险性。2 环境危险性和易损性分析经过技术人员对该加油站的全面勘测检查 ,取得全面资料。 现利用这些资料进行如下环境危险性和易损性分析。2 . 1 危险性分析加油区罩棚由4条柱子支撑 ,因年日已久 ,如有雷电闪击建筑物主体结构 ,雷电流沿引下线、 接地装置向大地散流时 ,因雷电的热效应、 机械效应等效应而使建筑物发生局部坍塌、 外部构件折断以及发生爆炸和火灾 ,同时在此过程可引起建筑物周围区域内电位升高 ,形成电位差 ,使人员因接触或跨步电压导致伤亡的可能性大大增加。 这种隐藏的危险性在加油站东南方向柱子区域更大。如雷电闪击建筑物金属入户管线时 ,雷电流沿金属管线流入建筑物内部 ,人员接触、 操作与入户金属管线有连接的设施时 ,有可能因接触过电压而导致伤亡;另外因雷电流引起的危险电火花可导致加油站爆炸 ,从而导致人员伤亡。地下油罐通气管管口阻火装置安装错误 ,加油站不分地下和地上罐都设置成呼吸阀。 加油站的埋地油罐与地上油罐不同 ,埋地油罐内气体空间昼夜之间的温度无明显变化不会产生小呼吸;而大呼吸时 ,呼吸阀对减少油品损耗不起作用 ,所以只需要安装阻火器不需要呼吸阀 ,安装了呼吸阀反而增加了卸油时的阻力 ,延长卸油时间。油罐内液位仪穿线保护管防雷接地螺栓松脱,不符合电气线路的安装要求 ,使得金属编织带两端的接触电阻过大。 从公式 Q = I2R t可以看出 ,接触电阻越大 ,产生的热量越大 ,时间越长 ,积累的热量越09 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 1期 曾庆锋等:小型加油站雷击风险评估的灾害分析及防护对策多 ,油罐火灾危险性越大。 又由于金属油罐使用的时间久 ,腐蚀得很厉害 ,其上有一些极微小的裂缝。 雷电流感应出的过电压、 过电流或者感应雷电电磁脉冲 ,当其电位达到空气击穿电压时 ,则发生击穿放电 ,产生火花 ,引起火灾爆炸。加油站卸车接地就在油罐区旁边单独埋设接地体 ,而不是与油罐共用一个接地网。 同时加油站油罐车卸车因为靠近加油站的东南角而使得接地装置不可靠 ,也没有静电接地仪来检测跨接线及监视接地装置。 汽车油罐车行驶时产生大量静电 ,卸油场地如果没有防静电接地装置 ,车体上静电导除不掉 ,卸油时很容易导致火花使油品发生爆炸 ,卸车时也可能会发生静电起火 ,引起燃烧、 爆炸事故。 而且进出油泵房管线无接地设施 ,不能防止感应雷和杂散电流的侵人;油罐梯子入口等处没有人体静电释放装置 , 而且跨接接触电阻值过大 ,材质不统一 ,不能有效消除法蓝间和阀门处的放电现象。加油站存在着用加油枪直接给摩托车加油和用油枪往塑料桶内加油的现象。 汽油在塑料桶内流动摩擦会产生静电 ,塑料桶为电绝缘物 ,不能及时地将静电导除 ,因而会造成静电积聚。 当静电压和桶内的油蒸气达到一定值时 ,将会引发爆炸。2 . 2 易损性分析因为加油站的电力线是架空引入的 ,雷电冲击波的最大能量谐波分量出现在工频附近 ,因此雷电冲击波能量极易从供电线路侵入并损坏电源设备 ,进而损坏整个设备、 系统甚至击毁加油机、 油罐而造成加油站起火爆炸。通信线也没有采取防雷击电磁脉冲侵入的措施;通信网络系统未采取屏蔽接地保护,未安装电涌保护器 ,造成加油机、 卡系统、 液位控制系统等容易遭受雷击电磁脉冲的袭击 ,使系统损坏失灵。加油设备的防静电接地和防雷接地并不是共用的 ,而是将防静电接地线就近入地。 而加油站背后接地装置长期不维护 ,断接卡螺栓锈蚀严重 ,造成接触不良 ,有一条接地引下线断裂 ,存在着用一根接地线串接几个接地装置 ,错误采用了串联接法的现象。加油站东南方向其柱子旁边有一台加油机 ,考虑到4 8月该地区盛行东南风 ,而该加油站在该地区开阔地带 ,周围无高大建筑物 ,雷击击中东南方向的概率比较大 ,一旦雷击击中加油站 ,强大的雷电流在短时间内没有从其他柱子分流走的话 ,可能会发生旁络闪击或把柱子击穿从而引起加油站起火爆炸。加油管管道上接地线被严重腐蚀。静电主要是在输送过程中产生的 ,如果管道上聚集有大量的静电荷就会发生静电火花 ,产生静电事故;接地电阻阻值不合格 ,如加油站的东南柱子附近 ,汽油罐车卸油时易产生静电 ,亦会引起静电事故。3 年预计雷击次数的计算根据 IEC 623052 2,得知年预计雷击次数包括建筑物的直击雷年预计雷击次数 (ND )、 雷击建筑物邻近区域的年预计雷击次数 (NM )、 入户设施直击雷年预计次数 (NL )、 雷击入户设施邻近区域的年预计雷击次数 (N I) ,其中入户设施包括电源线、 电话线等。经计算得年预计雷击次数 (见表 1)。4 风险组成及计算结果将加油站分为下列区域: Z1 区:建筑物外部; Z2区:建筑物内部。依据防雷设计规范 ,每个风险组成部分 RX 取决于危险事件的数目 N、 损害的概率 PX、导致的损失 LX。由下式计算:RX =N PX LX (X =A, B , )下列是相关的风险组成的评估:RA、 RB、 RC 为雷击建筑物导致的风险; RU、 RV、RW 为雷击入户线路导致的风险。RA =ND PA LA 为与活体损伤相关的风险, RB = ND PB LB 为与实体损害相关的风险, RC = ND PCLC 为与内部系统失效相关的风险, RU = (NL +NDa ) PU LU 为与活体损伤相关的风险, RV = (NL +NDa ) PV LV 为与实体损害相关的风险, RW = (NL +NDa ) PW LW 为与内部系统失效相关的风险。根据案例加油站外部和内部特征,计算可得风险结果 (见表 2)。对于建筑物,风险 R1 = 2 . 69 10- 5比可接收风险值 R = 10- 5的值高,主要因素是组成部分 RU (雷19 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 气象与环境科学 第 33卷击入户线路由于接触和跨步电压导致的人身伤亡风险 )约占总风险的 95%。5 防护对策经过对加油站的危险性、 易损性分析和风险的计算 ,得到对此加油站的详细防护对策:(1)根据文献 11 原理以及防止跨步电压 ,将加油站外的地面铺设沥青;将站内的地面类型改为木制或者增加绝缘层。解决加油站内年久失修的所有避雷针、 避雷带、 引下线问题。从检查情况看 ,接闪器断裂、 倒伏现象比较严重 ,所以再建避雷针时 ,其设计抗风能力应不低于 18 . 0 m / s。外引接地以降低加油站东南一角的接地电阻 ,建议把其下的加油机移到别的地方。(2)重新安装加油站背后和加油管管道上的接地引下线并设断接卡 ,加油管管道上接地线进出油泵房、 污水处理间等生产装置管线应安装接地设施。加油站卸车接地应将接地接到油罐区的地网上 ,而不是设单独接地体。加油站的防雷接地、 防静电接地、 电气设备的工作接地、 保护接地及信息系统的接地等 ,宜共用接地装置 ,并形成环状接地体或网格状 ,其接地电阻不应 4。由于在环状 (或网格状 )区域内的加油站工作区的地电位梯度减小 ,因而一定距离间的地电位也会减小 ,反击的可能性也会减少。另外 ,也减少了跨步电压对人的危害。(3)在爆炸危险区域内的油品、 管道上的法蓝、胶管两端等连接处应用金属跨接;油罐井内液位仪穿线保护管的螺栓重新安装 ,以减少接触电阻 ,其过渡电阻应 0 . 03。金属油罐的裂缝必须填补好或者更换金属油罐 ,有关的金属构件以及呼吸阀、 量油孔等金属附件 ,电力电缆外皮 ,加油机地脚螺钉等均应与接地系统做可靠的电气连接 ,统一接地电阻要求 4。(4)加油站采取屏蔽措施 ,可以抑制当雷击发生时空间产生的交变电磁场对线路及设备的感应 12 - 14 。建议将站内各种设备间的连接导线穿金属管埋地或采用屏蔽电缆 ,金属管或者电缆屏蔽层两端做良好接地。合理地敷设线路避免线间的电磁干扰 ,加油站线路敷设应严格遵循电源线与信号线分开、 防雷引线单独走的原则。(5)因为电力线是架空线引入 ,所以供配电系统要重复接地 ,系统配电柜、 发电机机座、 加油机等设备都要实行保护接地 ,与接地装置可靠相连。加油站的供电、 卡、 液位控制等系统应采用铠装电缆或导线穿钢管配线。为了减小架空线将过电压引入设施带来的危险 ,必须在入户设施上安装合格而匹配的 SPD,其参数的选择中雷电流的最大幅值 162kA。在总配电盘安装一级避雷器 ,在电源线进设备之前 ,再安装一级避雷器。建议能改换一段埋地金属铠装电缆或护套电缆穿钢管埋地引入 ,埋地长度应不 10。(6)采用牺牲阳极法来提高加油站设备 (特别是潮湿之处 )的防腐能力 ,牺牲阳极的接地电阻 100。建议安装静电接地仪,其费用不高 ,且能有效保护加油站的安全。(8)油罐梯子入口等处安装人体静电释放装置 ,且统一跨接材料的材质。(9)坚决杜绝用加油枪直接给摩托车加油或油枪往塑料桶内加油的现象 ,经常检查加油枪管上金属屏蔽线和机体的静电连接。具体的防静电措施请查阅施坤文的浅谈加油站安全评价的几点见解 15 。6 结 语根据所选的防护方案 ,经过计算得到 Z1、 Z2 区的风险值分别为 3 . 56E - 12和 6 . 35E - 06。可见 ,采取所选方案后 ,风险降至可承受风险值之下。雷电风险评估是一项复杂的工作 ,要考虑到诸多因素 ,而实际情况是非常复杂的。这就要求我们在按照标准进行评估的同时 ,应根据建筑物的具体情况进行灵活的分析 ,从而制定出更系统严密经济29 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 1期 曾庆锋等:小型加油站雷击风险评估的灾害分析及防护对策的防护方案。本文根据加油站的地理、 环境、 结构特性等重点对雷电风险评估的易损性和危险性进行了分析 ,估算了可能出现的雷击损坏及其概率 ,针对性地提出了有助于降低雷击损坏风险的防护对策 ,以避免或最大限度降低雷击造成的损失 ,为科学而经济地实施雷电防护提供了依据 ,为风险评估方法提供参考。防护措施中 ( 6) ( 9)是根据各方面的易损性和危险性分析得出的 ,其在雷电风险计算的因子中没有体现 ,但这说明了易损性和危险性分析的重要性。虽然上述的防护对策是针对本案例的加油站而分析出来的 ,但是对于其他加油站的雷电防护设计也具有一定的参考价值。参考文献 1 严春银,胡久涛.电网雷击风险评估及其法律制度研究 J .电网技术, 2006, 30 (8) : 138 - 140. 2 中国气象局. QX3 2000气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范 S.北京:中国标准出版社, 2002. 3 中国建筑标准设计研究院. GB 50343 2004建筑物电子信息系统防雷技术规范 S.北京:中国建筑工业出版社, 2004. 4 陈勇斌,谢大勇,李勤伟.爆炸危险环境的雷击风险评估方法研究 J .浙江气象, 2008, 29 (3) : 34 - 39. 5 梁文光.浅析防雷环境评价、 雷击风险评估对防雷减灾工作的积极作用 J .中国高新技术企业, 2008 (10) : 141. 6 赵梓城. 高速公路监控机房雷电灾害风险评估及防护对策 J .公路, 2004 (8) : 303 - 305. 7 葛谦,侯勇. 某客运站雷电风险评估分析及雷电防护完善措施 J .广东科技, 2007 (7) : 135 - 136. 8 罗永祥,陈余兰, 谭清波,等.独山县农业银行业务系统雷击灾害风险评估 J .广西气象, 2006, 27 (12) : 80 - 82. 9 赵东,李彩莲,李玉文,等.石化行业雷击风险评估技术方法应用 J .陕西气象, 2008 (4) : 32 - 35. 10 杨仲江,赵景昭.热电厂雷电灾害案例分析与防护对策 J . 灾害学, 2008, 23 (2) : 80 - 82. 11 杨光,张九营.从雷击的选择性谈雷电防御 J .气象与环境科学, 2008, 31 (增刊) : 202 - 204. 12 施广全,王振会.屏蔽措施在自动气象站雷电防护设计中的使用 J .气象与环境科学, 2008, 31 (4) : 88 - 91. 13 张永刚,肖稳安,李虹,等.气象信息系统雷电防护常见问题的解决方法 J .气象与环境科学, 2007, 30 (2) : 83 - 85. 14 钱慕晖,季晓鸣.计算机网络系统的雷电防护 J .气象与环境科学, 2007, 30 (增刊) : 190 - 192. 15 施坤文. 浅谈加油站安全评价的几点见解 J . 安全与健康,2005 (9) : 40 - 41.D is aster Analysis and Protecti onMeasure of L i ghtn i ngRisk Assessment for a Small Gas St ati onZeng Qingfeng1, 2, Wang Zhenhui1, 2(1 . Key Laborat ory o