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加油站防雷工程设计方案摘要：本文通过对汽车加油站所处环境特点、系统特点中雷电灾害各因素的分析，根据其特点对加油棚、油罐及附属建筑的直击雷防护和接地，加油站电源、信号系统的雷电防护等，依据 GB 50057 、 IEC 61312 标准对雷电防护的要求，提出了系统的解决方案。关键词：加油站，防雷，方案，设计目录1、引言22、雷电概述22.1、雷电介绍22.2、雷电对加油站的危害33、设计原则、依据与指导思想43.1、设计原则43.2、设计依据43.3、设计指导思想44、加油站概况44.1、区域概况44.2、加油站的环境特点54.3、加油站防雷等级的确认55、综合防雷65.1、加油站直击雷防护设计65.1.1、站区的防雷设计65.1.2、油罐区的防雷设计65.1.3、引下线的设计75.1.4、地网的设计75.2、电源配电系统雷电防护设计85.2.1、外来导体的布置85.2.2、电源系统浪涌保护器的布置和选择85.2.3、加油站电源系统防雷防护95.3、加油站信号系统及电话线雷电防护设计105.3.1、加油站信号系统防护设计105.3.2、电话线防雷106、结束语117、参考文献111、引言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。2、雷电概述2.1、雷电介绍 伴有雷声和闪电现象的天气，气象上称为雷暴。雷暴天气时，当云层与地面之间的电位差达到一定强度时，就会发生放电现象，闪电击到地面或击中目标就造成雷击。据研究，雷击的电流强度通常可达几万安培，温度可达2万摄氏度，产生的强大电流和高温，严重影响人们的生命和财产安全，也会对人们的日常生活带来诸多不便。雷电的危害形式有以下几种： 1、直击雷直接雷击是指雷电直接击到物体上，其特点是能量大。直击雷当中的雷电流具有强大的电效应、热效应、冲击波、机械力效应等破坏作用。建筑物、铁塔、架空电力线及信号传输线都有可能遭受直接雷击。建筑物、铁塔遭受直接雷击，产生的强大电磁场对系统造成破坏。电力线发生直接雷击，容易产生火花放电导致系统短路引起火灾。当电力线遭受雷击时，雷电流沿电力线进入机房，电源及用电设备常难逃被击厄运。当传输线遭受直接雷击，与其相连的中继线路板会发生损坏、导致中继线焦化、线对之间发生短路，致使传输中断。2、雷电感应雷电感应即雷电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花从而损害设备。电磁感应是由于雷电流迅速变化在其周围产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势。依据电磁感应原理，在雷电入地瞬间，距雷击中心1.5-2KM范围内都可能产生危险的过电压。当建筑物附近发生雷击或接闪器接闪时，建筑物及内部的设备都处在这个危险的电磁环境中。依据电磁感应原理，如果瞬变磁场中的导体是一个开环，则会产生感生电压；如果是一个闭合回路则要产生感生电流，闭合回路的面积越大，通过的磁通量越多，产生的感生电流也越强。这就是为什么，有时一个与外界并无联系的内部网络系统，几声雷响过后，便造成瘫痪的原因例如2002年6月19 日晚，北京西客站附近某住宅楼遭雷击，造成电源掉闸，导致多台（部）电视机、电话机、计算机被损坏，卫星天线高频头被击坏。同时，楼内一住户家中卫生间内从暖气管与下水 管之间拉有一根铁丝，上挂有毛巾等，雷击后，铁丝被击断，毛巾等被烧坏。主要原因是雷电感应造成的。3、雷电电磁脉冲雷电电磁脉冲是作为干扰源的雷电流及雷电电磁场产生的电磁场效应，它能够耦合到电气和电子系统中，产生破坏性的暂态过电压和过电流。4、地电位反击地电位反击是雷电流入地的瞬间，由于各系统接地装置间电位不同而产生的电位差，沿接地线到达设备的外壳、电力线的中性线以及直流地的基准电位点，造成的后果是有可能使设备的外壳、电力线的中性线、直流地的基准零电位点瞬间抬高数千伏直至数万伏，危及人身和设备的安全2.2、雷电对加油站的危害雷电对加油站的危害主要以其热效应、机械效应、反击电压、雷电流的电磁感应及跨步电压等产生破坏作用 ,从而给人类带来巨大的危害。1989年 8月 12日上午 9点 5 5分 ,山东黄岛油库遭雷击 ,引起 2 .3万立方米的五号油罐起火 ,直接经济损失 35 4 0万元 ,死亡19人。1994年6月24日13时，河南登封市某加油站，正在为一辆轿车加油时遭雷击起火，6个油罐报废了5个，造成3人轻伤，1人重伤，直接经济损失41万多元。1994年7月15日12时20分左右，赤峰市元宝山区市政加油站遭雷击起火爆炸，库区地下柴油罐首先起火爆炸，并引燃了汽油罐，直接经济损失数十万元。1998年江浦加油站两台加油机被雷击坏，顺风加油站的配电柜被雷击毁。1999年45月间永兴加油站的加油机多次被雷击坏由此可见，雷电是造成油库、加油站起火爆炸的重要原因之一。3、设计原则、依据与指导思想3.1、设计原则安全可靠、技术先进、经济合理3.2、设计依据1）、建筑物防雷设计规范GB 5005794（2000版）2）、建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-20043）、雷电电磁脉冲的防护IEC 613124）、电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB 50169-20065）、汽车加油加气站设计与施工规范GB 50156-2002（2006版）6）、石油库设计规范GB 50074-20027）、爆炸和火灾危险环境电力设计规范GB 50058-928）、建筑物防雷装置检测技术规范GB/T21431-20089）、浙江省防雷装置检测实施细则3.3、设计指导思想防雷工程是一个系统工程，必须综合考虑，将外部防雷措施和内部防雷措施（接闪功能、分流影响、均衡电位、屏敝作用、合理布线、加装过电压保护器等多项重要因素）作为整体来统一考虑防雷措施。遵循“整体防御、综合治理、多重保护、层层设防”的方针，依据以上防雷规范，力求最大限度地避免由于雷击造成重要设备损害。4、加油站概况4.1、区域概况宁海地处北纬2906- 2932,东经12109- 12149之间,位于长江三角洲南翼，北连奉化县，东北濒象山港，东接象山县，东南临三门湾，南壤三门县，西与天台、新昌为界。有着山区半山区和浅海滩涂的丰富地形。宁海属亚热带季风性湿润气候区，常年以东南风为主，气候温暖湿润，四季分明，日照充足，雨水充沛，年平均气温15.3-17，年日照1900小时左右，平均相对湿度78%，年平均降水量1000-1600mm，无霜期230天。雷暴活动频繁，年平均雷暴日达到46天，是雷暴高发地区。4.2、加油站的环境特点1）、地理位置：加油站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；2）、实施条件：无论在城区还是乡村，这些加油站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，加油站营业建筑的面积一般都很小，不便于多级防雷方案的实施；3）、电源系统：一般加油站的 380V 交流供电线路是架空明线接入至站区附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由10KV电力线架空接入，经变压器后再地埋引入建筑的。在乡村和山区有时根本没有地埋措施，因此非常容易感应雷电电磁脉冲；4）、通信网络系统：引入加油站的ISDN等通信线路通常也是由户外架空明线引入的，并且通常未安装专用电涌保护器（SPD）做雷电防护措施。 从以上几个特点不难发现，从雷电防护角度来看，加油站一般都运行于“高风险”环境下，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 GB 50057-94建筑物防雷设计规范、 GB 15599-95石油与石油设施雷电安全规范、 GB 50074-2002 石油库设计规范等国家标准及 IEC 61312雷电电磁脉冲的防护标准，其电源线路至少应采取两级雷电防护，信号线路至少应采取一级雷电防护才能达到雷电防护的要求。但目前的情况是，大多数加油站都没有进行电源线路和信号线路的雷电过电压防护。 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）的电涌保护器作为电源系统的第一级雷电防护，其保护水平应小于 2000V，同时满足这两个方面的要求才能保证加油站设备用电电源的可靠运行。通信信号线路由于多是由外部进线，因此同样会受到雷击的威胁，因此也需要采用专用通信信号系列电涌保护器进行雷电防护。4.3、加油站防雷等级的确认依据 GB 50057-94建筑物防雷设计规范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；在此类型情况下取 2 ；Ng：建筑物所处地区雷击大地的年平均密度 次/（ km2a ） ；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 ； 根据以上年预计雷击次数参数，对于中等以上雷暴强度地区（年均雷暴日40天以上）地区位于公路旁边四级以下的面积3000平方米左右，建筑高度小于15米的常规加油站的预计雷击次数为： N = kNgAe0.15 次 /a 依据以上计算，参照 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 ”。因此应定为二类防雷建筑物。5、综合防雷5.1、加油站直击雷防护设计5.1.1、站区的防雷设计依据 GB50057-94建筑物防雷设计规范，由于汽车加油站的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，利用天面板筋作为接闪网格（通常为10m10m或8m12m），因此只需要沿天面四边设避雷带，在四角设避雷 50cm 短针进行防护即可。如加油站为尖顶型结构，需要在尖顶部位安装避雷针，常规设计为高度为100cm避雷针。5.1.2、油罐区的防雷设计 依据 GB50074-2002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 ，接地体距罐壁应不小于3m 。钢油罐顶板厚度4mm 时，应装防直击雷设施，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小于3m，保护范围应高于呼吸阀 2m 以上。依据 GB 50057-94 建筑物防雷设计规范第三章、建筑物防雷设施和 GB 50074-2002 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一般为 9.5m ，其导流面积应大于100mm2 ，根据安装需要可进行焊接或螺栓紧固在避雷针铁塔顶部。 5.1.3、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。5.1.4、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）、防静电接地（其接地电阻要求10）、电源工作接地（其接地电阻要求10）、信号线路直流工作接地（其接地电阻要求4）四个部分。（1）建筑物防雷接地电阻应10。（2）独立避雷针和油罐的两组接地装置的地中距离Se0.4Ri（Ri为冲击接地电阻），但不得小于3m。接地电阻不大于10。（3）工作接地、安全保护接地、避雷器接地、建筑物的防雷接地宜共用一组接地装置，接地电阻不大于4。依据 GB 50057-94 建筑物防雷设计规范第三章、建筑物防雷设施和 GB 50074-2002 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，既油罐的罐体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 。 考虑到地网使用的长期性和耐腐蚀性，建议使用非金属接地模块来制作地网。地网布置依据地形进行设计。水平接地体使用 404mm 镀锌扁钢，埋深 0.6 米；垂直接地体使用 L505052000mm 镀锌角钢；垂直接地体间使用非金属接地模块。地网引出地网测试极到地面上，以便以后检测地网情况。铁塔的应通过四个脚与地网相连，机房和变电房的基础内的钢筋应在四角处与地网相连。5.2、电源配电系统雷电防护设计5.2.1、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。5.2.2、电源系统浪涌保护器的布置和选择5.2.2.1、浪涌保护器的布置原理在 LPZ0 和 LPZ1 区交界： U2 =U1-I2R2 可以看出： U2 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。1）、通过浪涌保护器的雷电流逐级减少，还为安装浪涌保护器提供了方便，我们在安装浪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) ，如果只有一级浪涌保护器，雷电流的大部将从这一级浪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。 2）、SPD4 必须尽量靠近设备，这是因为 GB 50057-94（2000版）和 IEC 61312 表明浪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浪涌保护器上的残压而损坏设备。这个距离应小于 10 米。5.2.2.2、浪涌保护器的选择1）、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 = 400V2）、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选择：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金属保护管等）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， Iimp =150 KA50%4 =18.75KA 当线路有屏蔽时， Iimp =150 KA50%30%4 =5.625KA 对于本系统电源线路的特点，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选择：依据国标 GB 50057-94 第6.4.8条：在前级按第6.4.7条要求安装的10/350s SPD 所得到的电压保护水平加上其两端引线的感应电压以及反射波效应不足以保护距其较远处的被保护设备的情况下，尚应在被保护设备处装设SPD。且该SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的80%。根据被保护设备的特性（如高电阻型、电容型）或开路时，反射波效应最大可将侵入的电涌电压加倍。依据国标 GB 50057-94第6.4.9条：当按第6.4.7条和第6.4.8条要求安装的SPD 之间设有配电盘时，若第一级SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备，应在该盘内安装第二级SPD。后级线路的SPD称放电电流In的选择应考虑到前级SPD启动后线路残压和其两端引线的感应电压以及反射波效应。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 20KA （8/20S）。精密设备保护需选用防雷插座，其体积小，可以与设备靠得很近。5.2.3、加油站电源系统防雷防护根据雷电电磁脉冲的防护IEC 61312、建筑物防雷设计规范GB 50057-94、 石油库设计规范GB 50074-2002及爆炸和火灾危险环境电力设计规范GB 50058-92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，针对汽车加油站配电系统的特点，可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。 A、电源一级防雷在加油站380V低压总配电箱内，总断路器（熔断器）后，漏电保护器前安装通流量在50KA,三相开关型模块式电源电涌保护器,用于整个加油站所有用电设备的第一级电源防护。B、电源二级防雷在办公机房电源配电箱内或办公机房电源配电箱外的附加配电箱内安装通流量在40KA三相电源电涌保护器，用于办公机房内所有IT设备用电的第二级电源防护。在加油机电源配电箱内或加油机电源配电箱的附加配电箱内安装通流量在40KA三相电源电涌保护器，用于加油机用电的第二级电源防护。C、电源三级防雷在办公室计算机管理设备、便利店收费区税控主机、加油机数据传输设备、票据打印设备等其它精密设备的电源插座处使用插