关于油气长输管道站场通讯塔雷击电磁脉冲的危害及预防措施

李争辉，赵 瑛

(中国石油工程建设公司北京设计分公司)

摘 要  油气长输管道站场通讯塔不合理或不完善的防雷设计经常会导致电气、电子系统故障，造成重大损失，相对于专属雷达站和通讯设施防雷，油气长输管道站场通信塔的防雷击电磁脉冲细节也容易被忽视。本文以乍得(CHAD)某油气长输管道站场通讯塔雷击事故为例，探讨了类似设施通讯塔雷击电磁脉冲的危害及预防措施，籍此提高类似场所防雷击的重视程度，为海外油气田地面工程的通讯塔防雷设计提供了一些可靠的参考。

关键词 油气长输管道  站场通讯塔 雷击电磁脉冲  预防措施

一  引言

随着科技的进步与发展，油气长输管道站场工程中越来越广泛地使用以计算机为主的电子及通讯设备，这类电子设备本身的耐压值很低，其采用的模拟及数字信号也极易被干扰。对于直击雷及多种雷电引起的雷击电磁脉冲危害，需进行针对性和综合性的防雷措施，才能达到理想的效果。德国防雷专家希曼斯基在《过电压保护理论与实践》一书中，提出如下防雷框图：

图1 雷电防护框图

另外，油气长输管道站场作为油田地面工程的重要环节，不仅自身处于空旷地带而且通讯塔通常布置于控制室附近。因此，油气长输管道站场通信塔很容易受到直接雷击和雷击电磁脉冲干扰。相对于专属雷达站和通讯设施防雷，油气长输管道站场通信塔的防雷也容易被忽视。

本文以乍得(CHAD)某油气长输管道站场通讯塔雷击事故为例，探讨了类似设施通讯塔雷击电磁脉冲的危害及预防措施，籍此提高类似场所防雷击的重视程度，为海外油气田地面工程的通讯塔防雷设计提供了一些可靠的参考。

二  雷击电磁脉冲对微电子设备的危害成因及预防措施

雷击电磁脉冲(lightning electromagnetic pulse,LEMP)，它是地闪回击过程产生的瞬时电磁场及其强大闪电流。雷电流具有很高的峰值和波前上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲电磁场，它的感应范围很大，在该电磁场中的导体会产生感应过电压(流)

当建筑物遭受雷击时，雷电流沿建筑物防雷装置中各分支导体人地，流过分支导体的雷电流会在建筑物内部空间产生暂态脉冲电磁场，脉冲电磁场交连不同空间的导体回路，会在这些回路中感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏。雷电流产生的暂态脉冲电磁场不仅能在建筑物内的导体回路中感应过电压和过电流，而且也能在建筑物之间的通信线路中感应出过电压和过电流。过强的LEMP对建筑物、人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害。这种危害就是雷击电磁脉冲所产生的干扰。

建筑物内的雷击电磁脉冲干扰指以下3种情况

(1) 天空中雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路和电子设备的电磁干扰.

(2) 建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰.

(3) 由外部各种强、弱电架空线路或电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。

三  油气长输管道站场通讯塔防雷击设计要点

(1) 防直击雷措施

油气长输管道站场一般坐落于空旷地带，通讯塔通过引下线与主接地网多点连接；配电间和控制室宜采用屋顶设置避雷带，然后经过引下线引至全场接地网的防雷系统。但需要重点注意的是，作为唯一高耸建筑的通讯塔的引下线入地点，应远离和控制室的引下线与主接地网的连接点，且避免和引入引出的电缆、金属管道等靠近（一般以2m以上为宜），减少电磁感应现象。本项目油气长输管道站场雷击事故后，采取了在通讯塔的远离控制室的北侧增加引下线与补充新接地极的措施，并取消原来南侧控制室附近的两个引下线入地点。

(2) 等电位连接和屏蔽措施

为了防止雷电电涌等瞬态电流路径在接地系统中引起的高电压的危害，通常需要将引入或引出控制室的管道、电缆及槽盒，建筑物钢筋及金属构件，室内设备的箱体、柜壳等现场所有金属设施可靠的连接在一起并与防雷接地系统相连。建筑物钢筋、金属设备及电缆金属屏蔽层和铠装层的接地的等电位连接，实际形成了不同的屏蔽效果。其中容易忽视的是，引入或引出控制室电源或信号电缆的铠装层或屏蔽层，或各类金属管道，未按系统要求接地；高频(10MHz以上)数字化电子系统未引多根长度相差20%的等电位连接线等等。本项目航空障碍灯电源线铠装层在金属灯罩处、塔体中部与下部等处做等电位连接，并在电缆入户处就近与主接地网连接和加装浪涌保护器（Uw=2.5kV, 8/20us,In=60kA,2P）。

(3) 合理的综合布线

强电弱电电缆严格分开、进入控制室的电缆要保证足够的埋地长度、采用金属穿管敷设方式并对金属管多点接地等合理布线要求，可以保证当受到雷击时一个通道内的电缆受到影响，其它电缆不会受到感应而发生损坏。本项目中航空障碍灯的电源线原是从控制室引出，后改从配电间引出。

(4) 浪涌保护器设置

防直击雷措施、等电位连接和屏蔽措施、合理的布线，均无法完全避免雷电波沿线路的入侵，从而防止反击。为了保护设备，还需要增加浪涌保护，其以外部防雷保护措施为前提，与内部防雷保护措施密切配合，并采取分级保护、逐级泄流的原则。浪涌保护不仅对雷电过电压有效，也可使设备免受大部分操作过电压的影响。本项目在防雷系统改进措施中，在在部分重要设备如通讯、阴保设备处增加了能量相互配合的浪涌保护器。浪涌保护器设置在很多文献均有描述，在此不做赘述。

四  工程实例

以国外乍得（CHAD）某油气长输管道站场项目为例，该项目未充分考虑当地雨季雷害问题，忽略客观环境情况的严峻性，导致防雷和接地装置设计不足或不合理，在某次雷击事故中，造成控制室内设备电源模块、SCADA系统主板、显卡等电子设备损坏；通讯塔南侧6m处广播报警系统警示灯保险爆裂、功放烧坏；CCTV大屏幕全部无显示；通讯塔南侧路灯全部跳闸等诸多故障和重大损失。其防雷接地问题具体体现在外部防雷措施、内部防雷措施以及屏蔽措施不足或不合理：

(1) 外部防雷措施中，利用通讯塔体作为接闪器，只在塔角四点将引下线就地与接地极连接，未就土壤电阻率高的情况考虑设置外引接地极和在远离控制室一侧设置辐射形水平接地体；通讯塔引下线入地点就近与控制室周围的主接地网连接，导致控制室的接地引入线距离雷电引下线过近；接地极仅考虑工频接地电阻，未按冲击电流计算接地极的有效长度，导致实际长度远小于有效长度，雷电流不能很好的泄放入地；航空灯电源电缆未在两端及入户处将金属外皮和铠装层与通讯塔体做等电位连接，导致雷电流引入等等；

(2) 内部防雷措施中，等电位连接措施不够完善，未给需要保护的设备在正确的位置加装能量配合的浪涌保护装置；

(3) 屏蔽措施中，对穿入中控室的导电金属物，例如某些电缆的铠装层，未就近与钢筋混泥土结构中的钢筋做等电位连接和在防雷区交界处做等电位连接；

(4) 其它接闪、泄流、均压和合理布线等防雷击电磁脉冲措施不完善。

综上所述，本次雷击事故中多处弱电设备损坏和电气设备跳闸。在各类油气田地面工程中，经常出现某一方面的防雷措施不够完善，造成重大损失。

五  结束语

油气长输管道站场的通讯塔防雷设计中，存在防雷电电磁脉冲措施不合理和不完善的现象。防雷设计应在充分了解当地气象情况、土壤电阻率以及结合站场布置特点，依据最新的规范科学设计，从而达到安全可靠、技术先进、经济合理。本文以乍得某油气长输管道站场雷击事故为例，分析了原因，并列出了设计中易忽视的要点，为完善防雷设计提供了重要参考。

参考文献

[1]．建筑物防雷设计规范最新版GB50057-2017．2017。