汽车加油站防雷工程设计.doc

课程设计汽车加油站防雷工程设计 学生姓名 陈慧恒 学 号 8021208225 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 农业电气化与自动化 班 级 12- 2 指导教师 王先磊 日 期 2012.6 塔里木大学教务处制摘要：随着我国经济的快速发展，交通事业不断发展，人民生活水平的提高,汽车越来越多,加油站数量与日剧增，每年由于雷击造成事故时有发生，直接威胁到加油站周围人群和建筑物的安全，因此加强加油站的防雷工程设计工作十分重要。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GB50057、IEC61312、GB50156等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；防雷工程；方案；设计汽车加油站一旦发生雷击并引发火灾将造成不可估量的损失。特别是加油站都建在雷击多发区的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；有鉴于此，必须将加油站的防雷工程设计作为防雷工作的重中之重，从源头上消除雷击隐患。1汽车加油站的环境特点加油站一般位于公路边，多属于空旷地区的孤立建筑物，容易遭受雷击，而且加油站又属于易燃易爆场所，对加油站的防雷现状应给予特别足够的重视，加油站通常具有以下几个特点：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，四周较为空旷；2）建筑物防直击雷设计不规范：有的加油站站房未安装防直击雷设施，明敷防雷引下线未沿外墙最短垂直路径接地。 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，未安装电涌保护器，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、电话线、监控设备等弱电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信号电涌保护器（SPD）做雷电防护措施。5）静电防护：加油站加油机或加油枪未能接地或接地不良，电阻值偏大，不符合规范要求。加油站呼吸阀未作跨接或跨接电阻值偏大。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GB50057-94建筑物防雷设计规范、GB15599-95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IEC61312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，部分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，建筑物防雷设计不规范，防雷安全存在一定安全隐患。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。2汽车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式中：N 建筑物预计雷击次数（次/a）； k 雷击次数校正系数；加油站四周较空旷，在此类型情况下K值取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建筑物年预计雷击次数按下式计算：N = kNgAe；Ng = 0.024T1.3 d 式中N 建筑物预计雷击次数（次/a）；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，并参照GB 50057-94建筑物防雷设计规范第2.0.3条的要求，“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”。因此汽车加油站防雷应按第二类防雷建筑物进行设计。 3 加油站直击雷防护设计1)、建筑物、构筑物的防雷设计。加油站的建筑物、构筑物一般由罩棚、办公楼、配电室及其它附属建筑物组成。依据建筑物防雷设计规范GB50057-94确定汽车加油站的建筑物防雷类别为二类建筑物，不需要单独装设避雷针。办公楼和附属建筑物一般采用钢筋混凝土结构。防雷接闪器设计：宜采用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器。避雷网应建筑物沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于10m10m或12m8m的网格。加油站罩棚一般采用钢架结构，其棚顶采用金属屋面，可直接利用其作为接闪器，不用再另设避雷针或避雷带(屋顶有其他需要保护的物体除外)。金属屋面厚度要求：金属屋面厚度,铁板不应小于4mm,铜板不应小于5mm,铝板不应小于7mm；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。 汽车加油站的建筑物、构筑物防雷引下线设计：由于站区内建筑物、构筑物一般采用钢筋混凝土结构和钢架结构，钢筋混凝土结构应利用桩内两条对角主筋作为自然引下线，引下线间距不大于18米，引下线不应少于2根，应沿建筑物周围均匀布置。引下线在适当地点设若干连接板,该连接板可供测量、接人工接地和作等电位连接用；将办公楼及附属建筑物内所有电器设备和金属导体做等电位连接； 加油站机房、配电室应设置均压环，均压环必须可靠良好接地，应将均压环与建筑物接地进行可靠焊接。将站房内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳以及所有进出站房的金属管道等金属构件进行电气连接，并接至均压环上，以均衡电位。均压环可采用404mm的扁铜或镀锌扁钢进行构筑，每隔1米设一支撑。将均压环与建筑物内等电位排进行可靠连接，不需再另设接地装置。汽车加油站的建筑物、构筑物防雷接地装置设计：一般采用自然接地体作为接地装置；由于一般加油站站区内各接地装置之间距离都小于5米，应将加油站的防雷接地、防静电接地、电气设备工作接地、保护接地、信息系统的接地、等电位连接带、建筑物金属构件采用共用接地，以达到均压、等电位以减小各种接地设备之间、不同系统之间的电位差。在进行建筑物、构筑物基础施工时将两基础内钢筋进行可靠连接，每间隔18米作一次接地。当自然接地体达不到接地电阻要求时，应设置人工接地体。考虑到接地装置使用的长期性和耐腐蚀性，建议接地装置布置依据地形进行设计：人工接地体设置在散水坡1m以外，可以不破坏散水坡保护面，同时也加大了地网包围的有效面积。在建筑外设计成闭合的环形，可以起到均压环的作用，也可以从不同的方位引入地线作等电位连接使用。同时可以作为不同位置进入建筑物线缆的外屏蔽层接地线使用。水平接地体通常使用404mm镀锌扁钢，埋深0.6米（深度应大于当地冻土层）；垂直接地体使用L505052500mm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。接地电阻要求：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。 当采用统一接地时，接地电阻值应按最小值确定，接地电阻要求4。2）油罐区的防雷设计油罐区防雷设计：一般采用呼吸阀作为接闪器（高度4-5m），当利用呼吸阀作为接闪器时，应保证呼吸阀与罐体接触良好，防止直击雷对呼吸阀放电不能将雷电流引入大地。埋地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（安装避雷针或避雷线）。独立避雷针与被保护油罐的水平距离不应小于3m，按滚球方法计算，使油罐呼吸阀处于其保护范围内，并且保护范围应高于呼吸阀2m以上。输油管道的始、末端和拐弯、分支处应分别接地，每间隔12米做一次接地，接地电阻4；油罐区的接地应采用共用接地装置，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，其接地电阻应4。由于油罐进行装卸油业时，罐内油品会产生静电，静电会积聚到浮盘上，此时浮盘应与罐体作电器连接，否则，容易产生静电火花发生火灾事故；油罐汽车在装卸过程中应才用专用的接地导线(可采用铜编织线或裸绞线)、夹子和接地端子将油罐和装卸设备相连，并将防静电接地装置接地装置与加油罐接地相连接。加油机主体应与地沟内接地装置进行可靠连接，应保证加油枪皮管内部铜线一端与加油机主体连接，一端与加油机相连接，防止在加油过程中由于汽油（或柴油）与加油枪摩擦产生的静电无法通过加油管进行释放。平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物，其净距离小于100mm时，应采用金属线跨接，跨接点的间距不应大于30m；交叉净距小于100mm时，应在交叉处进行跨接。各种金属管道法兰的连接螺栓少于5根时，法兰必须用金属导线跨接，跨接电阻应小于0.3。4、电源配电系统雷电防护设计380/220V供配电系统宜采用TN-S系统，TN-S配电系统：即三相五线制（单相三线制）配电方式。在这种配电方式的整个系统（包括分支线路）中，具有单独的中线（N）和保护接地线（PE），即在整个系统中中线与保护接地线始终是分开的。使N线和PE线分开的目的，PE线上没有交流电流流过，在整个防雷工程的等电位连接接地系统中，它处处与等电位连接接地系统保持牢固的连接，所以PE线上处处电位相等。电缆应穿钢管埋地进入加油站，电缆金属外皮或电缆金属保护管两端均应接地，在供配电系统的电源端应安装与设备耐压水平相适应的过电压（电涌）保护器。供电系统电缆金属外皮或电缆金属保护管两端均应接地，其目的是封锁电磁效应，减少或削弱雷电危害，防止雷击事故。供电系统电缆应单独布线，不得与油品、液化石油气和天然气管道、热力管道敷设在同一沟内, 防止电缆沟进入爆炸性气体混合物，避免电缆与管道相互影响,引起爆炸火灾事故,电缆沟应充沙填实。1） 外来导体等电位连接外来导体包括：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配电室或机房，水管和电缆铠装外皮和保护金属管应在进出建筑物时应与接地装置相连接，电缆应选用铠装电缆或穿金属管埋地。以上所有接地都要与建筑物、构筑物、油罐区形成等电位连接。2） 电源系统电涌保护器的布置和选择： 电涌保护器的布置原理如下图所示：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。 a）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，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。b）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。当线路上安装多级SPD时，应符合电压开关型SPD与限压型SPD之间的线长度不宜小于10m，小于10m时应安装退偶元件。限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m，小于5m时应加装退偶元件。其主要目的是须要解决当雷电高电压脉冲沿电源线路侵入时，应确保各级SPD都能分级启动导通泄流，避免多级SPD当中出现某一级SPD不启动导通泄流的盲点。根据ITU、K20和IEC61312-3等规范的规定，两级SPD之间，必须有一定的线路长度（即一定的感抗或加装退耦装置）来达到避免盲点的要求，规范同时规定，末级电源SPD的保护电压水平必须低于被保护设备对浪涌电压的耐受能力。 B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 = 400V b）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，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。 3）加油站电源系统设计方案 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 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护的SPD随过大的雷击电流出现损坏概率高及产生高残压，不能实现有效保护的目的。通过安装多级SPD，并合理地达到级间的能量配合，使之实现逐级泄能，这样，不仅能达到有效的保护，同时还能保证SPD有较长的使用寿命，并且使设备电源输入端口上受到的残压低于它的耐雷电冲击过电压，确保信息设备的防雷安全。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LPZOA-LPZ1区： 依据建筑物防雷设计规范第六章：防雷电电磁脉冲；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，汽车加油站为二类防雷建筑物，首次雷电流幅值为150KA，电源线路为非屏蔽埋地的TN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 KA50%4 =18.75KA，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。 综上所述,应在380V低压总配电箱安装标称通流容量25KA的10/350s波形的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。笔者推荐使用采用多层石墨间隙技术和特殊的涂料工艺的10/350s波形的开关型模块式电源电涌保护器，此类SPD较火花间隙型SPD的优点在于: 1)它的雷电能量泻放能力较强；2)它的脉冲响应时间较火花间隙型SPD短；3)它的脉冲点火电压较火花间隙型SPD低，保护水平小于2000V，而火花间隙型SPD的保护水平等级通常为4000V；4）多层石墨间隙型SPD无工频续流，避免了火花间隙型SPD的续流和灭弧问题，工作状态更稳定。 B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。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。 可在潜油泵控制线、潜油泵加油机、税控加油机或一般加油机电源配电箱和营业大厅电源配电箱内分别安装具有防火功能的8/20s波形通流容量20KA的电源防雷箱，电源线选用耐油性能良好的带塑料护套的RVV型42.5mm2绝缘线引入。 C电源三级防雷LPZ2-LPZ3区： 根据IEC 61312-3雷电电磁脉冲的防护 第三部分：浪涌保护器的要求，在LPZ2-LPZ3区内，浪涌保护器可将浪涌电压限制到一千多伏，防雷器通流容量为（8/20s）：10KA。可在营业大厅计算机管理设备、UPS电源、票据打印设备、加油机数据传输设备及其它精密设备的电源开关处使用插座式电源防雷器。5、电子信息设备防雷设计 加油站的电子设备主要为：监控设备、通信设备、液位仪检测设备等。在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1KM范围内的金属环路，如网络、信号及通讯金属连线等都会感应到雷击，将会影响网络、信号及通讯系统的正常运行甚至彻底破坏系统。对于网络、信号及通讯方面的防雷工作是较易被忽视的，往往是当系统受到破坏，才想到应该做预先的防范。加油站信息系统防雷应从等电位连接与共用接地系统、屏蔽及布线、防雷与接地、安装电涌保护器进行综合设计。 1)、电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管（槽）、屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地和安全保护接地及浪涌保护器接地端等均应以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接。防止过长的连接导线将构成较大的环路面积会增大对防雷空间内LEMP的耦合机率，从而增大LEMP的干扰度，造成泄放雷电流不畅，从而降低了可靠性。2）、电子信息系统设备主机房宜选择在建筑物中心部位，其设备应远离外墙结构柱，设置在雷电防护区的高级别区域内，当电子信息系统设备为非金属外壳，且机房屏蔽未达到设备电磁环境要求时，建议安装金属屏蔽网或金属屏蔽室。金属屏蔽网、金属屏蔽室应与等电位接地端子板连接。3）、信号线路线缆应采用带有金属屏蔽层的线缆或套入金属管的办法进行敷设。在室外应埋地敷设进入建筑物；在楼内一般采用金属屏蔽槽垂直敷设和水平敷设方式进入机房。4）、本方案中网络、信号设备防护方面，依据GB 50174-93电子计算机机房设计规范、YD/T5098 通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范、GB 2887-89计算机场地安全要求中信号系统雷电及过电压防护要求，在液位仪检测仪引出的液位仪控制线上安装额定负载电流11.5A的大功率特殊信号电涌保护器，用于液位仪检测仪信号线路的保护。在加油机总控制线上安装精密的控制信号电涌保护器，用于加油机总控制线路的保护。通讯系统、监控系统进线端分别安装电涌保护器，用于各设备雷电保护。 结束语 汽车加油站作为雷电高风险地区，应从外部防雷、内部防雷进行考虑，注重等电位连接与共用接地系统、屏蔽及布线、防雷与接地、安装电涌保护器综合防护、在实际的防雷工程设计中，还需根据各类设备的特点和防护对象的实际情况灵活应用、综合考虑，才能获得良好的效果。 参考文献1 汽车加油加气站设计与施工规范GB5015620022 石油与石油设施雷电防护规范GB1559919953、建筑物防雷设计规范GB5005719944 IEC61312雷电电磁脉冲的防护5 加油加气站设计与施工规范GB5015620020万U豆体验卡卡号：50D890668267e3349e33密码：686d03401eefba96faba奖品名称：500万U豆体验卡卡号：50De7a00c543af387fc0密码：b26488ce65abc1787202奖品名称：500万U豆体验卡卡号：50Dbac63885c802fd52e密码：3d1c344384327b85efff奖品名称：500万U豆体验卡卡号：50Dd97f0765bdf6998a3密码：48db1c14e42a2b321fac奖品名称：500万U豆体50D61215eb41ae3cc919密码：25bffae5346e7b7d2548奖品名称：100万U豆体验卡卡号：10D1cab621456ab278ab密码：709f65f32865af2559c2奖品名称：100万U豆体验卡卡号：10D8f1d6a4b953f3474e密码：6e2e4017cce30dc7e055奖品名称：100万U豆体验卡卡号：10Dd1fc6d6dd529b6892密码：a5dbdd8338f91d2c0701奖品名称：100万U豆体验卡卡号：10D08377b71d4374262b密码：1d7a7c21ebd99b798a54