天然气长输管道阀室雷击事故技术分析

胡锐俊，郑琳斌，武 宁，余安然

（1.广东省气象公共安全技术支持中心，广东 广州 510640；2.白云区气象局，广东 广州 510000；3.阳江市气象局，广东 佛山 528000）

雷电是一种常见的大气放电现象。由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。自然界雷击主要有直接雷击和雷击电磁脉冲2 类，根据受害物的特点及作用机理不同，雷电可通过热效应、冲击波效应、电动力效应、电磁效应、地电位反击、跨步电压作用、过电压波侵入等方式产生危害。目前全国已建成的天然气长输管道横贯东西南北，沿线场站、阀室密布，管线所经地域地理位置差异巨大，有的地方雷雨频繁，很容易受到雷电的影响。一旦天然气场站遭受雷电袭击，尤其是设备或者电气控制系统在运行的过程中受到雷电的袭击，损失难以估量，产生的后果难以想象。

国内天然气场站设备及电气控制系统防雷防护问题探析较多，主要是还是在于天然气站场阀室的仪表设备方面，而对于雷电安全技术参数指标的研究还较为缺乏[1-6]。本文对2019-07-17 广东省境内的天然气长输管道某阀室的雷电灾害事故进行技术分析，通过阀室周围地理环境分析、闪电时空分布特点分析和雷击对机房电磁环境分析来进行雷灾事故剖析，并根据分析结论提出改进雷电防护措施的建议。

1 事故回顾

2019-07-17，广东省境内的天然气长输管道某阀室值班人员约14：30 听到强烈的雷声，并看到有闪电光柱发生在挡土围墙上部金属护栏处，通过空气击穿窜入RTU 机柜旁的空地，当时机柜间内设备的金属外壳的空气间隙部分产生电火花。该次雷电造成站外架空供电线路陶瓷绝缘端子损坏，RTU 机柜内空调插座损坏，机柜间门口处声光报警器被雷电引起的过电压击穿。

2 资料来源

粤港澳闪电定位系统（Guangdong -Hongkong-Macao Lightning Location System，GHMLLS）由广东省、香港、澳门三地气象部门从2005 年开始共同建设，截至2007 年共建成了6 个探测子站（采用IMPACT 探头）。2012 年粤港澳闪电定位系统新增11 个探测子站。新建设的探测站采用ⅤAISALA 公司的LS-700X 系列探头，能同时探测地闪和云闪（对云闪的理论探测效率为40%～50%），从而提高了对珠江三角洲区域内雷电活动的探测能力。2018 年粤港澳闪电定位系统采用LS-700X 系列探头全部取代了原有的IMPACT 探头，并新增了2 个子站。粤港澳闪电定位系统采用时差方向综合定位方法，探测参量包括闪电放电的GPS时间、经纬度、强度、云闪/地闪识别和极性等。

3 数据与分析

3.1 天气过程分析

2019-07-11T13：54：00 雷雨云团于广西梧州市南部地区生成，自西往东移动，地闪发生区域逐渐由广西梧州一带移动到广东云浮西北、肇庆西南部交界地区，于15：42 左右逐步移出云浮西北、肇庆西南部交界地区。结合报称事故发生时间约为14：35，根据粤港澳闪电定位系统记录，将该阀室周边地区14：00—15：00 时间段雷电活动情况进行分析，分别绘制了广东省14：00 和14：48 的闪电定位分布图，如图1 所示。

图1 广东省14：00 和14：48 闪电定位图

经统计分析发现，2019-07-11T14：00—2019-07-11T 15：00 在该阀室1 km 范围内共记录地闪3 个，如图2所示。根据雷电定位数据分析于14：43：48在23.271°N、111.498°E 处，发生2 次回击，14：39：18 在23.279°N、111.499°E 处，发生1 次回击。其中在14：39：18（1号）发生的位置在目标点北方约312.6 m 处，雷电流强度为-14 kA，在14：43：48（2 号和3 号）发生的位置在目标点南方约599.1 m 和573.6 m 处，雷电流强度为-10 kA 和-24 kA。

图2 2019-07-11T14：00—15:00 阀室1 km 范围闪电定位分布图

根据现场系统时间确认和现场雷击位置方位确定该次雷电发生的具体时间为2019-07-11T11：43：48，位置为23.279°N、111.499°E，雷电流强度为24 kA。

3.2 阀室雷电安全防护现状分析

3.2.1 直击雷防护措施

该阀室的阀组间、RTU 机柜间均利用金属屋面作接闪器，利用金属结构柱与人工接地装置，并用不锈钢作螺栓紧固连接，护土围墙上部安装镀锌扁钢作接闪带，共设6 处防雷接地引下线，现场设备检测接地电阻值范围为4～6.6 Ω。

3.2.2 等电位、屏蔽防护措施

该阀室的阀组间利用不锈扁钢从接地网中引出作为接地端子；工艺设备利用6 mm2绝缘铜绞线与接地电阻进行等电位连接；机柜间内设置等电位接地母排，机柜等设备均利用该母排与接地装置进行电气连接；高频开关柜内的电源总进线利用线缆屏蔽层与机柜进行等电位连接。

3.2.3 低压电源浪涌保护器（SPD）

目前该阀室的高频开关内安装了一套低压浪涌保护器，该SPD 作为第一级、第二级电源开关起保护作用。

3.3 电气设备及弱电系统分析

该阀室的电气设备及弱电系统所在的建筑物都在直击雷防护措施保护范围内，因而雷电对该站电气设备及弱电系统的危害主要是通过以下3 种途径使电气和电子设备产生损害：雷电电磁场直接作用于设备上的效应；通过连接导线传导感应浪涌；雷电流泄放时，在设备、线路及接地系统间产生高电位差。

3.4 雷电电磁场影响分析

雷电电磁场中雷电流产生的磁场对线路和设备影响较大，而雷电电场影响通常较小，雷电产生的磁场与雷电流有相同波形。建筑物内一般敷设有各种线缆、管道，这些线路和管道常常会在建筑物内构成不同空间的环路，在雷击发生时，设备及线路上会耦合出瞬时高压或瞬时大电流。当雷电电磁脉冲的干扰磁感应强度超过191.04 A/m 时，弱电设备出现故障，因此弱电系统若抗扰水平不足，在遭受雷电为伴随产生的磁场效应时，可能会被损坏或误动作。

3.5 雷击RTU 机柜间电磁环境影响分析

磁场强度的衰减按下列方法计算。

闪电击于建筑物以外附近时，LPZ0 区磁场强度（H0）按下式计算：

式（1）中：i0为雷电流，A；Sa为雷击点到屏蔽空间中心的距离，m。

LPZ1 区内的磁场强度按式（2）计算：

根据LPZ0 区磁场强度计算H1可得，3 次雷击最近点造成LPZ1 区内磁场强度分别为4.208 A/m、3.452 A/m、3.125 A/m。

通过分析计算和实地勘查，该RTU 机柜间首先利用金属结构建筑物作为屏蔽层，电源线利用金属槽屏蔽，机柜用金属屏蔽，机柜良好接地，因而机柜间内设备抗电磁干扰能力较强，符合雷电防护要求。

4 结束语

本文分析了一起广东省云浮市郁南县某天然气管道阀室雷击事故案例，通过结合闪电定位系统、雷达资料和现场勘查得出以下结论：①2019-07-11T 11：00—15：00，某天然气管道阀室遭受强强对流过程，在11：43：48 遭受一次雷电流强度为24 kA 的负地闪导致事故发生。②此次事故导致雷击阀室外架空供电线路陶瓷绝缘端子损坏，阀室内RTU 机柜内空调插座损坏，机柜间门口处声光报警器被雷电引起的过电压击穿。③按照雷电流峰值24 kA 计算得到，RTU机柜间内设备抗电磁干扰能力较强，符合雷电防护要求；但雷击点的架空供电线路上的最大过电压为2 400 kⅤ，因为未进行线路埋地处理，该线路进入机房将造成设备损坏。④该阀室现场接地电阻测量结果最大值为6.6 Ω，雷击阀室外架空供电线路点上的入地瞬间入地点的最大电压为158.4 kⅤ。此电势差足以击穿所有设备和线路的绝缘保护，严重影响电气设备的安全。