加油加气站雷电电磁脉冲防护计算分析.pdf
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1、2023 年第 39 卷第 4 期石油化工安全环保技术PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY26浙江是雷电灾害高发的省份,据浙江省20072013 年雷电灾害受损行业统计数据表明:发生一次雷电灾害时,石油化工行业的直接经济损失为 8.23万元,位于 10 类行业中的第一位1。此外,随着浙江省城镇化的不断发展,城镇的加油加气站也在不断增加,加油加气站的智能化电子电气设备也越来越多,因此针对加油加气站的雷电防护尤其是雷电电磁脉冲防护的分析与研究是十分重要的。大多数研究人员主要是对加油加气站的雷电防护及其风险评估等方面
2、进行研究分析,如李密等针对山东淄博地区加油加气站的雷击静电事故和防护技术进行了分析2;曾庆锋等对江苏启东某小型加油站进行了雷击风险评估并给出了灾害分析和防护对策3;高建忠依据相关标准从加油站设计角度提出系统的防雷解决方案4。目前,尚没有基于浙江省加油加气站雷灾损坏等资料对其雷电电磁脉冲防护进行研究分析。基于此,利用浙江省 20002020 年雷电灾害资料和雷电监测资料对加油加气站周边地闪情况和雷电灾害损坏情况进行统计分析,并对浙江某受灾加油加气站的雷电电磁脉冲防护进行计算分析,从而为加油加气站的雷电电磁脉冲防护安全和日常防雷维护管理等工作提供科学的理论与技术支撑。收稿日期:2022-04-14
3、作者简介:邢天放,男,2013 年毕业于成都信息工程大学信号与信息处理(雷电防护方向)专业,硕士,主要从事雷电防御与灾害评估工作,工程师。电话:0571-81608601,E-mail:基金项目:浙江省气象科技项目(编号:2019YB10)加油加气站雷电电磁脉冲防护计算分析邢天放1,唐赟2,郑文佳1,王皓3(1.浙江省气象安全技术中心,浙江 杭州 310008;2.淮安市气象局,江苏 淮安 223021;3.杭州市气象安全技术中心,浙江 杭州 310051)摘要:基于浙江省 ADTD 数据和雷电灾害资料,文章对受灾加油加气站周边地闪和损坏情况进行了数理统计分析,并进行了案例计算分析。结果表明:
4、20002020 年受灾加油加气站周边大部分地闪强度在 1550 kA,雷灾主要造成电子电气系统设备损坏。当在加油加气站 25.47 m 附近发生 30.55 kA 的地闪或在 25.4747.60 m 的区域范围发生 57.1 kA 的地闪时,电子设备均会受到永久性损坏。当雷电直接击在加油加气站时,相对于罩棚部分,站房更容易通过自身结构和增设的防雷措施实现对雷电电磁脉冲防护。文章建议加油加气站尽量选址在雷电低发区,重要电子电气设备安装在雷电环境暴露度低的位置,并设置屏蔽等措施防护雷电电磁脉冲。关键词:加油加气站雷电灾害雷电电磁脉冲防护1资料数据来源与说明本文使用的浙江省雷电灾害资料是通过各地
5、市县气象部门对本辖区内的雷电灾害进行调查收集并经过省级气象部门审核后,汇总形成的雷灾原始资料数据集5。文章根据浙江省雷电灾害资料,统计分析了 20002020 年发生雷电灾害的加油加气站的损坏情况。文中统计计算分析的发生在雷电灾害加油加气站周边地闪的数据来源于浙江省 ADTD(Advanced TOA and Direction system)闪电监测定位系统,由于该系统建设于 2007 年,所以所采用的地闪数据资料的年限为 20072020 年。2加油加气站周边地闪和损坏情况2.1地闪分布根据浙江省 ADTD 闪电监测定位系统资料统 邢天放等.加油加气站雷电电磁脉冲防护计算分析 272023
6、 年第 39 卷第 4 期计得到 20072020 年发生雷电灾害加油加气站周边 5 km 范围内共发生地闪 131 033 次,其地闪强度分布情况如图 1 所示。从图 1 可以看出:发生在雷灾加油加气站周边的大部分地闪强度分布在 1550 kA,其中累计比例为 90%的地闪强度 0.07 Gs(约为 5.57 A/m)时,计算机会误动作;当环境磁场强度 0.75 Gs(约为 59.71 A/m)时,会出现假性损坏;当环境磁场强度 2.4 Gs(约为 191 A/m)时,计算机设备会发生永久性损坏(见表 1)。表 1 环境磁场强度的致损关系磁场强度/Gs2.4影响后果无影响误动作假性损坏永久性
7、损坏以浙江某受灾加油加气站为例,仅考虑首次雷击情况进行计算分析。该加油加气站总占地面图 120072020 年浙江省发生雷灾加油加气站地闪强度分布石油化工安全环保技术282023 年第 39 卷第 4 期积为 527.1 m2,包括站房和罩棚两部分(见图 3),其中站房长 18.3 m、宽 7.8 m、高 7.9 m,罩棚长36 m、宽 19.6 m、高 7.6 m。该加油站为二级加油站,包含钢质埋地油罐 4 台,双枪加油加气机1 台,四枪加油加气机 5 台。图 3浙江某受灾加油加气站平面示意该加油加气站的站房部分为钢筋混凝土结构,罩棚部分为钢结构。加油加气站的站房和罩棚均按第二类防雷建筑物设
8、计。根据雷电防护区(LPZ)的划分规则7,该加油加气站的站房和罩棚的外部为 LPZ0 区,其中在加油加气站接闪器保护范围以外的为 LPZ0A 区,在加油加气站接闪器保护范围内的为 LPZ0B 区,由加油加气站钢筋混凝土、金属门窗等形成的空间为 LPZ1 区(图 4)。3.1雷击附近计算分析根据建筑物防雷设计规范(GB 500572010),当雷电击于加油加气站附近时(见图 4),加油加气站无屏蔽时的地闪产生的磁场强度按式(1)计算:(1)式中:H0 加油加气站无屏蔽时产生的无衰减磁场强度,A/m;i0最大雷电流,A;sa 加油加气站与雷击点之间的平均距离,m。根据 20072020 年地闪强度
9、分布数据(图1),累计比例为 90%,99%,99.9%和 100%的地闪电流强度分别为 57.1,115,202 和 368 kA。基于此,文章计算了不同地闪电流强度下与其对应的磁场强度为 5.57,59.71 和 191 A/m 时的危险临界雷击距离 sa,如表 2 所示。表 2不同累计比例地闪强度 i0对应危险临界雷击距离 sa/mi0/kAH0/(Am-1)5.5759.71 191.0057.11 632.38152.2847.601153 287.63306.6895.872025 774.79538.70168.4136810 520.42981.39306.80此外,考虑到该加
10、油加气站防直击雷在地面的保护半径 r0,根据式(2)得到 r0=25.47 m,其中 H 为加油加气站的高度 7.9 m,R 为第二类防雷建筑物的滚球半径 45 m。计算得到当临界雷击图 4雷击时加油加气站附近的环境情况注:Sa为加油加气站与雷击点之间的平均雷击距离,m;H0为加油加气站无屏蔽时产生的LPZ0区无衰减磁场强度,A/m;H1为加油加气站LPZ1区屏蔽内的衰减磁场强度,A/m;H2为加油加气站LPZ2区屏蔽内的衰减磁场强度,A/m。图 220002020 年浙江省加油加气站雷电影响情况 邢天放等.加油加气站雷电电磁脉冲防护计算分析 292023 年第 39 卷第 4 期距离 sa为
11、 25.47 m,H0为 191 A/m 时的地闪强度i0为 30.55 kA。(2)根据 20072020 年地闪强度统计数据和以上计算:当加油加气站 25.47 m 附近发生 30.55 kA(占比 47.78%)的地闪或在 25.4747.60 m 区域内发生 57.1 kA(占比 10.0%)的地闪时,加油加气站的加油(气)机(枪)、计算机等电子设备均会受到永久性损坏。此外,根据表 2 可以看出:随着地闪强度的增大,其危险雷击距离的范围越广,最大可达 306.8 m。3.2直接雷击计算分析当雷电直接击在加油加气站时,根据建筑物防雷设计规范(GB 500572010)加油加气站 LPZ1
12、 区安全空间内的磁场强度按式(3)计算:(3)式中:H1 加油加气站 LPZ1 区安全空间内某点的磁场强度,A/m;i0 首次雷击最大雷电流,A;kH 形状系数(),kH取 0.01();WLPZ1 区格栅形屏蔽的网格宽度,m;dw 所确定点距 LPZ1 区屏蔽壁的最短距离,m;dr 所确定点距 LPZ1 区屏蔽顶的最短距离,m。此外,计算式(3)时,还应满足安全距离ds2的要求:当屏蔽系数 SF 10 时,安全距离ds2=WSF/10,当 SF30.55 kA(占 比 47.78%)的 地 闪 或在 25.4747.60 m 区 域 内 发 生 57.1 kA(占 比10.0%)的地闪时,均
13、会造成加油加气站的加油表 3不同地闪强度 i0对应站房的临界格栅网格宽度 W、屏蔽系数 SF 和安全距离 ds2值i0/kAW/mSF/dBds2/m57.12.499.42 2.491151.2414.79 1.832020.7019.11 1.353680.3923.71 0.92表 4不同地闪强度 i0对应罩棚的临界格栅网格宽度 W、屏蔽系数 SF 和安全距离 ds2值i0/kAW/mSF/dBds2/m57.16.392.19 6.391153.177.56 3.172021.8111.89 2.153680.9916.49 1.63(下转第 38 页)石油化工安全环保技术382023
14、 年第 39 卷第 4 期施工等单位安全管理责任划分不明确,安全施工投入资金不足,施工人员安全意识淡薄,安全教育及培训缺失,安全防护措施不到位或者存在质量风险等问题都是安全事故发生的主要因素。因此,笔者提出应层层压实责任,建立健全安全管理责任制度,制定适合企业发展的合理有效的安全管理机制,重视安全教育及培训,强化施工人员的自我保护意识,落实有效的安全防护措施,从根本上认识危险源存在的隐患,做到事前控制危险源发生的因素,从源头上制止事故的发生,确保燃气工程施工的顺利进行。参考文献:1 2020 年度国内燃气安全事故分析报告 EB/OL.(2021-3-2)https:/ 郑书杰,杨明.城镇燃气工
15、程施工现场安全管理的研究 J.中国化工贸易,2017,9(13):176.3 赵建祖.浅谈燃气施工安全现状及应对措施J.城市燃气,2006,378(8):19-21.4 傅贵,索晓,王春雪.24Model 的系统特性研究 J.系统工程理论与实践,2018,38(1):263-274.5 陈建鹏.浅议 HSE 管理体系在燃气拆除工程中的应用(上)J.中国招标,2011(30):22-26.6 曹余峰.论燃气管道工程施工现场临时用电的安全措施方法 J.中国科技博览,2014(22):76.(气)机(枪)、计算机等电子设备的永久性损坏。而当雷电直接击中在该加油加气站时,由于网格宽度和安全距离的要求,
16、站房相对于罩棚内的电子设备较容易通过自身钢筋框架结构和增设电子设备屏蔽体等措施实现对雷电电磁脉冲的防护。4)为减少加油加气站内的加油(气)机(枪)、计算机和监控报警系统等电子电气设备的雷电电磁脉冲损坏,提供建议如下:a.加油加气站选址在雷电低发区内,建设施工时尽量将站内的重要电子电气设备安装在雷电环境暴露度低的位置。b.将加油加气机自身金属框、金属壳体和物件、加油加气枪等通过焊接、螺栓连接以及金属线跨接等方式形成电气贯通的“法拉第笼”式结构。c.对于计算机和监控报警系统设备等使用具有高磁导率的铁质金属箱体和金属管实现对其重要电子部件和线缆的防护。d.通过装设与电子电气系统设备耐压水平相适应的电
17、涌保护器、采取等电位连接和接地措施等加强对雷电电磁脉冲的防护。参考文献:1 张祎,李浩,边学文.20072013 年浙江省雷电灾害特征统计分析 J.气象与环境科学,2018,41(2):139-143.2 李密,王晓,邱东凤,等.加油加气站雷击静电事故分析及安全防护技术 J.中国安全生产科学技术,2011,7(7):199-203.3 曾庆锋,王振会.小型加油站雷击风险评估的灾害分析及防护对策 J.气象与环境科学,2010,33(1):89-93.4 高建忠.汽车加油加气站防雷设计 J.石油化工安全环保技术,2008,24(2):26-28.5 顾 媛,徐 震 宇,崔 雪 东.19982020
18、 年浙江省雷电灾害特征分析 J.科技通报,2021,37(7):38-43.6 GB 501562012 汽车加油加气站设计与施工规范 S.北京:中国计划出版社,2012.7 GB 500572010 建筑物防雷设计规范 S.北京:中国计划出版社,2011.(上接第 29 页)ment for them.This paper elaborated on hazard identifi-cation and risk assessment methods for oil drilling,and presented qualitative and quantitative risk assess
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