天然气站场控制系统防雷设计计算书

天然气站场控制系统防雷设计计算书（含浪涌保护）工程名称：XX天然气增压站场控制系统工程设计阶段：施工图设计文件类型：防雷设计计算书文件编号：LT-2026-001专业：电气与仪表控制编制：____________审核：____________批准：____________二〇二六年十月

目录1概述 概述1.1设计依据本计算书依据国家现行防雷设计规范、石油天然气行业标准及爆炸危险环境相关规定编制，主要引用标准如下表所示。序号标准编号标准名称1GB50057-2010建筑物防雷设计规范2GB50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范3GB50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范4GB/T21714.1~4-2015雷电防护（第1~4部分）5GB/T18802.11-2020低压电涌保护器（SPD）第11部分6GB/T18802.12-2024低压电涌保护器（SPD）第12部分7GB50160-2008（2018年版）石油化工企业设计防火标准8GB50257-2014电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范9SY/T0060-2017油气田防静电接地设计规范10GB15599-2025危险化学品企业雷电安全规范1.2工程概况本工程为XX天然气增压站场控制系统防雷设计。站场位于陕西省延安市境内，地处黄土高原丘陵沟壑区，属温带大陆性季风气候。站场控制系统主要包括集散控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、现场仪表及执行机构、视频监控系统、通信网络系统及供配电系统。站场控制室为单层砖混结构建筑，平面尺寸为长L=15.0m、宽W=8.0m、高H=6.0m。建筑内布置DCS操作站、工程师站、控制柜及UPS电源柜。现场工艺装置区位于控制室周围，属爆炸危险2区。土壤电阻率按ρ=100Ω·m取值（勘察报告提供）。1.3设计范围与原则本计算书设计范围包括：外部防雷装置（接闪器、引下线、接地装置）、内部防雷措施（等电位联结、屏蔽、合理布线）、电源及信号线路浪涌保护器（SPD）配置计算、控制系统专项防雷措施及安全核验。设计原则：严格遵循“安全可靠、技术先进、经济合理”的方针，按多级防护、分级保护的原则设置浪涌保护，确保天然气站场控制系统在雷击及雷电电磁脉冲环境下安全稳定运行，防止因雷击导致控制系统误动作或设备损坏，避免引发天然气泄漏、爆炸等次生灾害。2雷电环境与风险评估2.1当地雷电参数根据当地气象部门统计资料，延安地区年平均雷暴日数Td=31.5天/年。按照GB50057-2010附录A的规定，该地区属于中雷区（年平均雷暴日Td在15~40天之间）。2.2大地雷击闪密度计算大地雷击闪密度Ng（次/km²·a）按下式计算：N(2-1)式中：Ng——大地雷击闪密度，次/(km²·a)；Td——年平均雷暴日数，取Td=31.5d/a。代入计算：N(2-2)2.3建筑物年预计雷击次数计算建筑物年预计雷击次数N按下式计算：N=k×N(2-3)式中：N——建筑物年预计雷击次数，次/a；k——校正系数，平原地区取k=1；Ng——大地雷击闪密度，次/(km²·a)；Ae——建筑物等效截收面积，km²。建筑物等效截收面积Ae按下式计算：A(2-4)式中：L——建筑物长，L=15.0m；W——建筑物宽，W=8.0m；H——建筑物高，H=6.0m。代入计算：建筑物底面面积：L×W=15.0×8.0=120.0m²两侧扩展面积：2(L+W)√(H(200-H))=2×(15+8)×√(6×194)=46×34.12=1569.5m²顶部扩展面积：πH(200-H)=3.1416×6×194=3660.9m²A(2-5)N=1×3.15×0.00535=0.0169(2-6)2.4防雷分类判定根据GB50057-2010第3.0.3条和第3.0.4条，建筑物防雷分类判定如下：判定条件标准依据计算/取值判定结果一般性建筑物N>0.05次/aGB50057-2010第3.0.3条N=0.0169次/a不满足第二类一般性建筑物N≥0.01次/aGB50057-2010第3.0.4条N=0.0169次/a≥0.01满足第三类条件爆炸危险环境（2区）GB50058-2014站场含天然气爆炸危险区域提高防护等级电子信息系统重要性GB50343-2012DCS/SIS系统为重要系统按B级防护综合判定：站场控制室所在建筑按第三类防雷建筑物设计，但考虑到内部DCS/SIS系统为重要电子信息系统且站场存在天然气爆炸危险环境，内部防雷及浪涌保护按不低于第二类防雷建筑物要求执行。3外部防雷设计计算3.1接闪器保护范围计算（滚球法）根据GB50057-2010附录D，第三类防雷建筑物滚球半径hr=60m。采用避雷针作为接闪器，在控制室屋顶设置2根等高避雷针，针高h=8m（高出屋顶2m）。单支避雷针在hx高度平面上的保护半径rx按下式计算：r(3-1)式中：rx——避雷针在hx高度水平面上的保护半径，m；h——避雷针总高度，h=8.0m；hr——滚球半径，第三类防雷取hr=60m；hx——被保护物高度，取hx=6.0m（控制室屋顶）。代入计算：h(2hr-h)=8×(120-8)=8×112=896m²√896=29.93mhx(2hr-hx)=6×(120-6)=6×114=684m²√684=26.15mr(3-2)单支避雷针在屋顶高度的保护半径为3.78m。两针间距D=12m（沿控制室长向布置），经双针保护范围校验，两针间保护范围上部边缘最低点高度h0按下式计算：h(3-3)式中：D=12m为两针间距；p为高度影响系数，h≤30m时p=1。代入得h0=60-12/7=58.29m，远大于被保护物高度6m，双针联合保护范围可覆盖整个控制室屋顶。3.2引下线设计引下线利用建筑物钢筋混凝土柱内主筋（≥Φ12mm两根）作为暗敷引下线，间距不大于25m（第三类防雷要求）。控制室建筑四周共设4根引下线，沿建筑四周均匀布置，平均间距约11.5m，满足规范要求。每根引下线在距地面0.3m处设置断接卡，用于接地电阻测试。3.3接地装置设计与接地电阻计算采用环形接地体，沿控制室建筑物四周埋设人工接地极。垂直接地极采用L50×50×5镀锌角钢，长度L=2.5m，顶端埋深0.8m，间距5m。水平接地体采用-40×4镀锌扁钢。单根垂直接地极的接地电阻按下式计算：R(3-4)式中：Rv——单根垂直接地极接地电阻，Ω；ρ——土壤电阻率，取ρ=100Ω·m；L——接地极长度，L=2.5m；d——接地极等效直径，角钢d=0.84×b=0.84×0.05=0.042m。代入计算：4L/d=4×2.5/0.042=238.1ln(238.1)=5.47R(3-5)共设8根垂直接地极（每角2根），利用系数η=0.75，工频接地电阻按下式计算：R=(3-6)R=(3-7)考虑到防雷接地、电气保护接地、信息系统接地共用接地装置，按GB50057-2010要求共用接地装置工频接地电阻不应大于1Ω。当前计算值5.8Ω不满足要求，需增加接地极数量或采用降阻措施。经优化设计，增设至16根垂直接地极并配合物理降阻剂后：R=(3-8)设计取值：共用接地装置工频接地电阻R≤1Ω，满足规范要求。4内部防雷与等电位联结4.1防雷区（LPZ）划分按GB/T21714.4-2015的规定，将站场防雷空间划分为以下区域：防雷区区域定义本工程对应位置LPZ0A直接雷击区，全部雷电流通过站场露天工艺装置区、屋顶LPZ0B非直接雷击区，无衰减雷电电磁场屋顶避雷针保护范围内露天区域LPZ1内部空间，部分雷电流被拦截，电磁场衰减控制室室内（屏蔽后）LPZ2进一步衰减区，SPD限制浪涌电压DCS控制柜内、仪表机柜间LPZ3设备端口级保护，精细保护DCS卡件端口、仪表输入端4.2等电位联结设计在控制室室内设置总等电位联结端子板（MEB），采用40×4mm镀锌扁钢沿墙敷设一圈。所有金属管道、金属构件、建筑钢筋、配电箱外壳、机柜外壳、屏蔽层、SPD接地端均以最短路径与MEB联结。等电位联结导体截面选择：联结对象导体规格连接方式MEB主母线40×4mm镀锌扁钢沿墙环形敷设DCS机柜接地BVR-6mm²铜芯线最短路径接MEB仪表外壳接地BVR-4mm²铜芯线经等电位端子箱屏蔽层接地BVR-2.5mm²铜芯线单端接地（控制室侧）金属管道跨接BVR-6mm²铜芯线法兰/阀门跨接4.3屏蔽与合理布线控制室采用钢筋混凝土结构，建筑钢筋形成自然屏蔽网，网格尺寸不大于300×300mm。进入控制室的所有线路均采用屏蔽电缆或穿金属管敷设，金属管两端做等电位联结。强电线路与弱电信号线分开敷设，平行间距不小于0.3m，交叉时采用直角交叉。信号电缆采用屏蔽对绞电缆，屏蔽层在控制室侧单端接地。所有室外引入线路在进入LPZ1边界处设置SPD。5浪涌保护器（SPD）配置计算5.1SPD分级设置原则按GB50343-2012及GB/T18802.12-2024的规定，电源线路SPD采用三级防护方案，信号线路SPD根据接口类型分级设置。各级SPD之间应满足能量配合要求。保护级别安装位置试验类型标称放电电流In第一级（I级）控制室总配电柜进线端I级试验（10/350μs）Iimp≥12.5kA第二级（II级）分配电柜/DCS电源柜II级试验（8/20μs）In≥20kA第三级（III级）DCS设备前端/UPS输出端III级试验In≥10kA5.2I级试验SPD参数计算I级试验SPD安装在LPZ0B与LPZ1界面处，用于泄放直接雷击的部分雷电流。标称放电电流Iimp按GB50057-2010附录J取值：第三类防雷建筑物，每根引下线的雷电流幅值按100kA（10/350μs）考虑，10/350μs波形的冲击电流Iimp计算如下：I(5-1)式中：I——雷电流幅值，第三类取100kA（10/350μs）；n——引下线数量，n=4；f——分流系数，取f=0.5（多根引下线分流）。I(5-2)I级SPD选用：Iimp≥12.5kA，电压保护水平Up≤2.5kV，采用开关型（间隙型）SPD。5.3II级试验SPD参数计算II级试验SPD安装在LPZ1与LPZ2界面处，用于进一步限制浪涌电压。标称放电电流In按II级试验（8/20μs）取值：I(5-3)II级SPD选用：In≥20kA（8/20μs），最大放电电流Imax≥40kA，电压保护水平Up≤1.8kV，采用限压型（MOV型）SPD。5.4III级试验SPD参数计算III级试验SPD安装在LPZ2与LPZ3界面处，位于被保护设备前端，用于精细保护。I(5-4)5.5SPD电压保护水平配合计算SPD的电压保护水平Up应与被保护设备的耐冲击电压Uw配合。按GB50057-2010第6.4.5条要求：U(5-5)式中：Up/f——SPD安装处的电压保护水平（考虑引线压降后），kV；Uw——被保护设备的额定耐冲击电压，kV。DCS设备的额定耐冲击电压Uw=2.5kV（根据设备厂家技术规格书），代入校验：0.8×U(5-6)第三级SPD电压保护水平Up=1.5kV，引线长度L=0.5m，引线上感应压降ΔU=L×di/dt≈0.5×1=0.5kV，则：U(5-7)5.6信号线路SPD配置进入控制室的仪表信号线路、通信线路均在LPZ界面处设置信号SPD。信号SPD配置如下：线路类型接口最大持续运行电压Uc标称放电电流In电压保护水平Up4~20mA模拟信号两线制24VDC10kA（8/20μs）≤350VRS-485通信信号端子式6V5kA（8/20μs）≤15V以太网信号RJ458V5kA（8/20μs）≤18V仪表电源24VDC端子式24VDC10kA（8/20μs）≤550V6控制系统专项防雷措施6.1DCS/SIS系统防雷DCS/SIS系统控制柜采用屏蔽机柜，柜内设置专用接地铜排（30×3mm紫铜排），以BVR-16mm²铜芯线与MEB连接。系统电源经三级SPD保护后接入UPS。I/O卡件通道设置信号SPD，模拟量输入/输出通道和数字量通道均配置相应的浪涌保护模块。6.2现场仪表与执行机构防雷现场变送器、阀门定位器等仪表的供电回路和信号回路在控制室侧和现场侧均设置SPD。现场仪表外壳经仪表电缆屏蔽层接地，同时接入现场等电位联结网络。爆炸危险区域内的SPD应选用防爆型或本安型产品。6.3通信网络系统防雷光纤通信线路因天然防雷特性无需额外SPD，但光纤金属加强芯和金属铠装层在进入控制室处应做等电位接地。网线、同轴电缆等铜缆通信线路在进入建筑物处设置信号SPD，无线天线馈线在进入机房端设置天馈SPD。6.4电源系统防雷站场低压电源进线柜设置I级试验SPD，分配电柜设置II级试验SPD，DCS专用UPS输入端设置III级试验SPD。SPD前端设置后备保护断路器（SCB），SPD失效时自动断开，防止工频续流引发火灾。UPS输出端增设滤波型SPD，提高电源质量。7安全核验7.1接地电阻核验核验项目规范要求设计计算值判定共用接地装置工频电阻≤1.0Ω（GB50057）0.78Ω合格防雷接地冲击电阻≤10Ω（第三类）约3.0Ω（估算）合格等电位联结过渡电阻≤0.03Ω≤0.03Ω（设计要求）合格防静电接地电阻≤100Ω（SY/T0060）≤1.0Ω（共用接地）合格7.2SPD配合核验核验项目规范要求设计值判定I级SPDIimp≥12.5kA（10/350μs）12.5kA合格II级SPDIn≥20kA（8/20μs）20kA合格III级SPDUp≤0.8Uw=2.0kVUp/f=2.0kV合格SPD间退耦距离≥10m（或退耦元件）15m（满足）合格信号SPDUp低于设备耐压水平≤350V（4~20mA回路耐压500V）合格7.3爆炸危险环境核验站场工艺装置区为爆炸危险2区，按GB50058-2014要求：（1）所有室外安装的SPD、接线箱等电气设备均满足ExdIIBT4Gb防爆等级要求；（2）防雷接地与电气设备保护接地共用，接地电阻取最小值1Ω；（3）爆炸危险区域内所有金属设备、管道均做等电位联结；（4）SPD的接地引线以最短路径连接至等电位端子板，长度≤0.5m。7.4接闪器保护范围核验经滚球法计算，2支h=8m避雷针在屋顶高度（6m）平面的联合保护范围可完全覆盖15m×8m的控制室建筑，保护范围无盲区。引下线间距约11.5m，满足第三类防雷建筑物引下线间距不大于25m的要求。8结果分析与工程指导意义8.1计算结果汇总计算项目计算结果规范限值裕度年预计雷击次数N0.0169次/a第三类≥0.05次/a（第二类）—建筑物防雷分类第三类（内部按第二类）——单针保护半径rx3.78m@hx=6m覆盖建筑双针联合覆盖共用接地电阻R0.78Ω≤1.0Ω22%I级SPDIimp12.5kA≥12.5kA满足II级SPDIn20kA≥20kA满足III级SPDUp/f2.0kV≤2.0kV临界满足8.2安全裕度分析从计算结果来看，接地电阻设计裕度约22%，考虑到土壤电阻率季节性变化（雨季ρ可降低30%~50%，旱季可能升高），实际施工时应在最干燥季节测量接地电阻，确保不大于1Ω。第三级SPD的电压保护水平配合处于临界状态（2.0kV=2.0kV），建议实际选型时选用Up=1.2kV的产品，以增加安全裕度，应对引线长度偏差和器件老化带来的性能下降。8.3工程实施指导（1）接地施工：垂直