加油站防雷设计方案.doc

加油站防雷设计方案加油站防雷设计方案 设计单位：08防雷（2）班设计人员：设计时间:联系号码：一、 概述 雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培。千百年来，雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷击中心1.5-2Km半径的范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。雷电灾害如同暴雨、飓风一样都属于气象（自然）灾害，它与水、旱、刑事犯罪、交通事故统称为影响社会安全和经济发展的六大灾害。雷电产生于雷暴，而雷暴往往伴随强对流天气而形成，是由大气环流和当地气象因素决定的。雷暴是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象，并伴有火花放电，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即雷电。闪电有枝状、片状、带状、球状，其中枝状最为常见。雷暴的能量是由太阳辐射能转化的大气不稳定能所供给的。每年进入春季，太阳辐射增强，大气中的不稳定能增加，因雷暴始发于春季，盛夏，太阳辐射强烈，大气不稳定能储存多，雷暴频繁。秋冬以后，太阳辐射减弱，因而雷暴逐渐减少。但由于全球气候变化和大气污染等原因，现在冬季也经常出现雷击现象。据悉，每个闪电的强度可以高达100万伏，一个中等强度雷暴的功率约有10万千伏安，相当于一座小型核电站的输出功率。随着我国经济的快速发展，城市的综合灾害防御规划与城市的建设规划共同进行已成为各地政府规划城市建设的主要内容之一。伴随地方经济的发展和人民生活水平的提高，各地的机动车辆也在迅速增加，城市机动车公共加油站这一为之提供能源的配套服务设施也在的速度的增加。加油站在城市交通建设中起着重要的作用，也是城市灾害救助中的重要能源基地，但是近年来加油站的雷电灾害事故频繁发生，直接威胁到加油站周围人群和建筑物的安全，削弱了加油站作为城市能源枢纽的功能，因此对加油站的雷电综合防护是非常重要的。二、 雷电的分类1、直击雷所谓直击雷，是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上，因电效应、热效应和机械力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡。一般防直击雷是通过外部避雷装置即：接闪器（避雷针、避雷带、避雷网、避雷线）、引下线、接地装置构成完整的电气通路，将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电仍然会透过多种形式及途径破坏电子设备。2、雷电感应雷云放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应雷击。雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，会在附近的电源线路、信号线路、埋地管道、设备间连接线和铁路钢轨等等导体上产生静电和电磁感应过电压，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压，并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围扩大。装有避雷针的建筑物，可以避免雷击损坏建筑物，但是在雷电从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷击的时候，雷电电磁脉冲可以通过避雷针的引下线和接地系统地线产生很强的电场，建筑物内的所有金属物品均会产生感应电压，这些感应电压的高低随着金属形状、距地线的距离和雷击大小而变（根据IEC 61312标准，当雷击击中建筑物时，即使装有避雷针，直击雷电流50%的通过引下线和接地系统入地，仍然会有大约50%的雷击能量仍会分配到各线路系统）一旦您的电源输入线、电话线、网络线或其它电子设备的金属引出、引入线感应到瞬间高压，避雷针就无能为力了。感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。3、雷电电磁脉冲由于雷电电流有极大峰值和陡度，因此在它的通道周围会出现很强的瞬变电磁场，处在这个瞬变电磁场中的导体就会感应出较大的电动势，而此瞬变电磁场，都会在空间一定的范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射，而这种空间雷电电磁脉冲波（LEMP）是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应的电压很高，以致产生电火花，其电磁脉冲往往超过2.4高斯。现代银行、邮电、证券机房或营业柜台通常应用计算机进行货币存取、信息传递与交换等业务，依据GB/T 2887-2000电子计算机场地通用规范标准这些场合对磁脉冲承受限度应小于800A/m，故在新机房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。4、地电位反击建筑物的外部防雷系统（如避雷针、避雷网等）遭受直接雷击，在接地电阻的两端就会产生危险的过电压，由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物（各种管道、电缆屏蔽管等）引入设备，造成设备的损坏。三、设计依据GB 50057-94 建筑物防雷设计规范（2000版）GB 50054-95 低压配电设计规范GB 50074-2002 石油库设计规范GB 50156-92 小型石油库及汽车加油站设计规范GB 50058-92 爆炸和火灾危险环境电力设计规范GB 50169-92 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB 50174-93 电子计算机机房设计规范GB 2887-89 计算机场地安全要求YD/T 5098-1998 通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范IEC 61024 建筑物防雷 IEC 61312 雷电电磁脉冲的防护四、加油站防雷设计方案1、加油站环境特点加油站通常具有一下几个特点：1.1地理位置：通常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；1.2站区条件：无论在城区还是乡村，这些建筑往往都不具备符合要求的防雷实施（包括外部防雷、内部防雷和地网等等）。此外，机房面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施；1.3交流电源：特别在乡村和山区，站区的380V交流电源通常是由户外架空明线接入，近站再地埋引入机房。或者由10KV电力线架空接入，经变压器后地埋引入机房。1.4通信网络：站区设备的通信线路ISDN等通常也是由户外架空明线引入。从以上几个特点不难发现，从雷电防护角度来看，加油站一般都属于“高风险”情况，即对于雷害风险的“暴露程度”很高，因此需要采取强有力的防护措施。根据国家标准及IEC标准，其电源线路至少应采取两级防雷措施才能收到较好的效果。目前的情况是，大多数加油站都没有进行电源线路雷电过电压防护。鉴于加油站的上述特点和要求，一般认为对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日40天以上），应选用最大标称放电电流大于15KA（10/350S）的防雷器作为第一级防雷。至于残压方面，应设法将其降到2000V以下，才能保证基站设备的可靠运行。2、加油站的防雷等级建筑物年预计雷击次数按下式计算： N = kNgAe Ng = 0.024Td 1.3式中N 建筑物预计雷击次数（次/a）； k 雷击次数校正系数；Ng 建筑物所处地区雷击大地的年平均密度(d/a)； Ae 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）；Td 该地区的年平均雷电日数。在下列情况下k取相应数值：a、位于旷野孤立的建筑物取2；b、金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；c、位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；根据当地的年平均雷电日数，加油站的接受相同雷击次数的等效面积，求得年预计雷击次数。依据以上计算，按照GB 50057-94建筑物防雷设计规范第2.0.3条的要求，其属于标准规定的“具有1区爆炸危险环境的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者”和“预计雷击次数大于0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物”。该加油站为第二类防雷建筑物。3、直击雷的防护3.1接闪器的设计站区的防雷设计根据GB50057-94建筑物防雷设计规范，由于建筑物的防雷类别为二类，所以用滚球设计接闪器时滚球半径R=45m；由于加油站的建筑物包括加油棚、宿舍楼及其它附属建筑物，这些建筑物在设计和施工时，利用其框架结构的桩作为垂直接地体，利用地梁与承台作为水平接地体，利用桩内两条对角主筋作为引下线，利用天面板筋作为网络（10m10m或8m12m，在这里是暗敷避雷网格）。因此只需要沿天面四边设避雷带，在四角设避雷短针。油罐区的防雷设计根据50074-2002石油库设计规范第14.2章、防雷的要求：金属油罐必须作环形接地，其接地点不应少于两处，其间弧形距离不宜30m，接地体距管壁应不小于3m。钢油罐顶板厚度4mm时，应装防雷直击雷设施，当顶板厚度4mm，可不装防直击雷设施。但对于位于多雷区（年平均雷暴日数多于40天）的油罐和铝顶油罐，应安装独立避雷针做防直击雷设施。独立避雷针与被保护油罐的水平距离不应3m，保护范围应高于呼吸阀2m以上。依据GB50057-94建筑物防雷设计规范第三章、建筑物防雷设施和GB50074-2002石油库设计规范第14.2章、防雷的要求：油罐区的防雷类别应设定为一类，用滚球法计算常规油罐区的保护范围，当滚球半径R=30m时，两支对角线分布的等高避雷针的高度H=9.5m。避雷针应根据安装需要焊接或螺栓紧固在铁塔顶部。3.2引下线的设计站区的避雷针和避雷带可用建筑物内的钢筋作为引下线，将屋面避雷带按标准要求分别接在四个角上，将避雷带与建筑混凝土内的钢筋相连。油罐区的避雷针可用铁塔作引下线，因铁塔已良好接地，所以只需在安装避雷针时保证避雷针与铁塔有良好的电气连接，并做防腐处理即可。3.3地网的设计加油站的地网分为直击雷保护接地（其接地电阻要求10欧姆）、防静电接地（其接地电阻要求10欧姆）、电源工作接地（其接地电阻要求10欧姆）、信号线路直流工作接地（其接地电阻要求4欧姆）四个部分。依据GB50057-94建筑物防雷设计规范第三章、建筑物防雷设施和GB50074-2002石油库设计规范第14.2章、防雷的要求：加油站的接地应采用统一接地的接地形式，并在各处做等电位连接，既油罐及罐的金属构件以及呼吸阀、量油孔等金属附件，电力电缆外皮和瓷瓶铁脚，装于钢油罐上的信息系统的配线电缆外皮，加油机地脚螺钉等均应与接地系统做可靠的电气连接，其统一接地电阻要求4欧姆。地网布置应根据地形进行设计，水平接地体使用404mm镀锌扁钢，埋深0.6m；垂直接地体使用L50505mm镀锌角钢。引出地网测试极到地面上，以便以后检测地网的情况。铁塔的四个脚应与地网相连，机房和变电房的基础内的钢筋应在四角处于地网相连。4、电源配电系统防雷设计4.1外来导体的布置外来导体包括：金属水管、通讯电缆线及电力电缆铠装外皮或电缆金属管等。所有的水管和电缆应埋地进入机房，水管和电缆铠装外皮和保护金属管应在进入机房时接地，电缆应选用铠装电缆或穿金属管埋地进入机房电缆相线和中线应通过电涌保护器接地。4.2外电源线的电涌保护器的布置和选择4.2.1电涌保护器的布置原理如下图1所示；a、该布置是依据GB 50057-94（2000版）和IEC 61312的标准布置。在LPZ0和LPZ1区交界：U2 =U1-I2R2，可以看出：U2U1 I2I1 。这样就可以通过多级钳位使残压逐步降低，以有效地抑制外来雷电波入侵和雷电电磁脉冲的危害。b、通过电涌保护器的雷电流逐级减少，还为安装电涌保护器提供了方便如1所示，我们在安装电涌保护器时总会使用导线进行连接，而导线电感在雷电波的频率下不能忽略，于是有：Uc=UL1+Us+UL2 Uc=Is(ZL1+ZL2)+Us这样的残压将会附加上一个额外的Is(ZL1+ZL2)，如果只有一级电涌保护器，雷电流的大部将从这一级电涌保护器泄放入地则Is非常大，这样要保证U额外Is(ZL1+ZL2),否则则ZL1+ZL2要非常地小,也即导线要非常短,在安装时往往很难做至,安装条件就会非常苛刻。多级布置使这个部题得至解决。c、分区多级布置使电涌保护器由于自身放电的电磁脉冲的干扰减弱，我们知道当在导体中有高频信号流过，就会向空间发射电磁波及发射功率。可频率、电流和电压有关当电流和电压降低时其发射功率也就减弱，这样不会因为电涌保护器的放电而影响微电子设备的正常运行。d、SPD4必须尽量靠近设备，这是因为GB 50057-94（2000版）和IEC 61312表明电涌保护器距被保护设备的距离过大会由于雷电波的反射效应而在被保护设备上引起高频振荡，使得设备上的电压超过电涌保护器上的残压而损坏设备。这个距离应小于10米。4.2.2电涌保护器的选择a、动作电压的选择：变压器低压侧的电涌保护器其三相电压为动作电压；U0 = 400Vb、电涌保护器的通信容量选择：首级电涌保护器标称放电电流的计算：GB 50057-94（2000版）和IEC 61312指出：二类保护要求,应按总雷电流150KA(10350S波)来考虑电涌保护器选择，按照其建议的雷电流分配方式其中50%即75KA是通过接地系统（水管、铠装电缆外皮或导线的我属保护管等）直接入地；另外50%通过安装在相线和中线上的电涌保护器入地。依据以上标准考虑到50%雷电流分配到电源系统的最恶劣环境，按照GB 50057-94（2000版）标准表6.1提供的雷电流参数电涌保护器每相上的雷电流约为：当线路无屏蔽时，In =150 KA50%4 =18.75KA当线路有屏蔽时，In =150 KA30%4 =11.25KA对于本系统采用的铠装电缆线路，按建筑物防雷设计规范第六章：第四节：第6.4.7条要求每线标称放电电流不宜小于15KA的要求。首级电涌保护器的每相标称放电电流应大于15KA（10/350S）。次级电涌保护器标称放电电流的计算：GB 50057-94（2000版）和IEC 61312指出：次级电涌保护器应考虑到两倍反射波叠加下，线路残余感应电压小于被保护设备耐压水平的 80%时的情况。标称放电电流按照GB 50057-94（2000版）标准表6.2提供的雷电流参数参数计算。线路参数依据国家标准推荐的引线长度为 1m 时（电感为1H/m），导通阻抗0.5计算。则：当线路无屏蔽时In1 =37.5 KA50%4 =4.6875KA；设：SPD上、下引线长度为1m（电感为1H/m）则：电流最大平均陡度为 Iv /T1= 4.68750.25 = 18.75kA/s后级SPD两端的最大电压为4KV + 18.75kA/s1H/m1m =22.75KV设：线路的导通阻抗0.5，反射电压波叠加按前级残余电压值加线路传导电压值计算。则：当线路无屏蔽时In =22.75KV0.5=45. 5KA对于本系统采用的非屏蔽电缆线路，次级电涌保护器的每相标称放电电流应大于40KA（8/20S）。精密设备保护选用防雷插座，其体积小，可以与设备靠得很近。为减小多级电涌保护器的泄放电流会大大减少，在兼顾经济性和安全性的基础上分别选择：SPD1-Asafe 15/4 标称放电电流15KA（10/350S）；SPD2-PPS-I/3-60A 标称放电电流40KA（8/20S）； SPD3-LT A6-420NS-PRO 标称放电电流20KA（8/20S）4.3加油站电源系统设计根据IEC 61312雷电电磁脉冲的防护、GB 50057-94建筑物防雷设计规范、GB 50054-95低压配电设计规范、GB 50074-2002石油库设计规范及GB 50058-92爆炸和火灾危险环境电力设计规范中防雷及过电压规范有关防雷分区的划分和各级电源系统雷电及过电压保护要求，针对本配电系统的特点，将其分为三个防雷区分别加以考虑。由于如前所述单级防雷可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大或者保护能力不足引起的设备损坏。因此选用电源系统多级保护，可防范从直击雷到操作浪涌的各级过电压的侵袭。4.3.1电源一级防雷LPZOA-LPZ1区依据建筑物防雷设计规范第六章：防雷击电磁脉冲 第三节 屏蔽、接地和等电位连接的要求：第6.3.4条及第四节 对电涌保护器和其他的要求：第6.4.7条规定，在LPZOA或LPZ0B区与LPZ1区交界处，从室外引来的线路上安装SPD当线路有屏蔽时，每个SPD的雷电流按雷电流的幅值的30%考虑，本建筑物为二类防雷建筑物，首次雷电流幅值为150KA，电源线路为铠装埋地，TN-S配电模式，因此首次直击雷在低压配电线路上每线的分配电流为：在建筑物已安装合格的防直击雷措施后，有50%的雷电流通过引下线流入接地装置，因此每线分配电流为：In =150 KA30%4 =11.25KA，按建筑物防雷设计规范第六章：第四节：第6.4.7条要求每线标称放电电流不宜小于15KA。同时，依据建筑物防雷设计规范第六章：第四节 第6.4.4条及IE C61312雷电电磁脉冲的防护第三部分：浪涌保护器的要求，浪涌保护器可以将数万伏的感应雷击过电压限制到4KV以下。4.3.2电源二级防雷LPZ1-LPZ2区根据建筑物防雷设计规范第六章：防雷击电磁脉冲；第四节，第6.4.1至6.4.12条LPZ1区对电涌保护器（SPD）的要求及GB 50054-95低压配电设计规范第四章的有关规定，依据雷电分流理论，需使用8/20s波形，通流容量20KA。对于如本案的特殊区域需要做重点防护的配电电源需使用通流容量40KA的电涌保护器进行加强保护。建筑物防雷设计规范第六章对于配电盘、断路器、固定安装的电机等第类耐冲击过压，其耐压为4KV。为防止浪涌保护器遭受雷击后损坏后，电源对地短路，需要在浪涌保护器前安装空气开关作为短路保护装置。4.3.3电源三级防雷LPZ2-LPZ3区据IEC 61312-3雷电