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CNG加气站的安全接地
      刘锡麟   
 原发表于《安全》杂志2002年第六期
 百度《秋林红似火》
摘    要：为了保证CNG加气站的安全运行，本文就加气站中的安全防护措施中的重要环节——安全接地，即防电击接地、防雷接地和防静电接地技术进行了详尽的论述。在借鉴其它危险环境条件下的安全接地技术的基础上，结合作者多年来的实践经验，提出了一些有价值的见解，以及在对加气站设备实施安全接地时值得注意的事项，可供从事CNG加气站的工程建设和运营的工作人员参考。
关 键 词：CNG   加气站   安全   接地

一、概述
众所周知，CNG加气站属于爆炸危险场所。加气站中所采用的大量电气元器件不但要选用防爆产品，而且还应采取一系列的防爆措施，其中，电气设备的安全接地则是极其重要的一项。加气站既有动力装置、自动控制系统，还有远程通讯系统，因此加气站的安全接地，既要防电击保证人身和设备的安全，也要抗干扰保证自动控制和通讯系统的正常工作。主要应包含三方面的内容，防电击接地、防雷接地和防静电接地。
二、防电击保护接地
CNG加气站里含有许多大容量的电力设备，如供电变压器、高低压配电柜、电机启动器、压缩机防爆电机、带电加热器的可再生脱水干燥器以及售气机等。在这样一个爆炸危险场所，可靠的防电击保护接地就显得非常重要。既包括人身安全，也包括设备的运行安全。因为这些设备，基本都属于1类设备，即设备的防触电保护不仅靠基本绝缘，还需将能触及的可导电部分与设施固定布线中的保护（接地）线相连接。这样，一旦基本绝缘失效，由于能触及的可导电部分已与接地线连接，因而操作人员的安全就有了保证。
1.防电击保护的重要环节是安全接地
CNG加气站无论在正常运行时，还是在故障情况下，其中的电气设备和电气装置的易触及的可导电部分（如外壳、底座、线管等）均应是无危险的。因此，为防止危险的电击，应当使危险的带电部分不会被有意或无意触及，或者将带电部分的电压值或接触电流值限制到没有危险的程度。为达此目的，除了正常的绝缘和外壳等直接接触防护措施外，两种主要的间接接触防护措施，即自动切断供电的防护和等电位连接（主等电位联接及附加等电位联接），其关键环节还是可靠的安全接地。
2.防电击保护接地的基本类型
⑴ 配电系统的接地型式
配电系统的接地型式主要有TN系统、TT系统和IT系统三种。
①TN系统，即保护导体和中性导体分离接地系统。该接地系统的电源系统有一点（如保护导体、中性点或一相线）直接接地，设备外露可导电部分通过保护导体于该点连接。按照保护导体（PE导体）和中性导体（N导体）的组合情况，TN系统又可分为TN－S系统、TN－C－S系统和TN－C系统三种。在CNG加气站常用的是中性点接地的TN－S系统。其中的设备可以是带有中性导体，也可是不带中性导体的。如下图所示：

由于保护中性导体（PEN导体）的绝缘很难在全线尽善尽美，在三相负载不平衡而带电时，有可能同大地之间产生电弧或火花，所以TN—C系统不能用在CNG加气站。
②TT系统，即电源系统接地，保护导体就近接地系统。该接地系统的电源系统有一个直接接地点（如中性点或一相线），电气装置的外露可导电部分接至在电气上与电源系统接地点无关的独立的接地极上。这种接地系统也常用在CNG加气站上
。
③IT系统，该接地系统的电源系统，可接地点不接地或通过阻抗（电阻器或阻抗器）接地，电气装置的外露可导电部分单独直接接地。由于IT系统允许在单一故障条件下持续运行，而故障条件下变为带电的部分与大地之间可能产生的电弧和火花是电气火灾和爆炸的危险隐患，因此这种接地方式不宜用在CNG加气站上。
⑵自动切断供电的防护接地
自动切断供电的基本方法，是在保护装置中为故障电流设置一个包括装置中的保护导体和设备的保护联接在内的返回路；配置一个可以在故障情况下按规定时间切断供电的保护电器。其接地要求具体讲：
①     TN系统的接地
外露可导电部分都必须通过保护导体与电力系统的接地点连接。为了降低接地电阻值，保证在故障情况下的保护导体上的电位尽可能的接近地电位，如果存在其它有效接地体，应当将保护导体与其连接，同时应增加附加接地点并应均匀分布。
② TT系统的接地
在TT系统中，电力系统的可接地点（通常为中性点）直接接地；外露可导电部分通过保护导体单个地、成组地或集中地接到独立于电力系统接地极的一个或多个接地极上。系统中同时可触及的外露可导电部分必须接到同一个接地极上，目的是降低故障条件下的同时可触及的外露可导电部分之间的接触电压值。

⑶主等电位联结和附加等电位联结
主等电位联结和附加等电位联结，是引入我国的一项电击防护新技术，主要用于自动切断供电的防护措施。
①     主等电位联结
主等电位联结就是用保护导体（或称主等电位联结导体）将系统中的主保护导体、主接地导体及电气装置以外的外部可导电部分（如主金属水管、主金属构架、基础内的钢筋等）全部在电气上连接在一起，形成一个等电位区域。
主等电位联结的主要作用是使处于等电位联结影响区域内的预期接触电压明显降低。当实行传统的自动切断供电的防护措施，又难以满足对保护电器总切断时间所提要求时，往往采用外露可导电部分多点均匀接地的措施，这样可以减小预期电压值，从而降低对保护电器总切断时间的要求。然而重复接地使预期接触电压降低的效果远不如主等电位联结。计算说明，实行了主等电位联结后，其预期接触电压值仅有重复接地，和既无重复接地又无主等电位联结时的0.093和0.067倍，预期接触电压下降的效果十分显著。
②     附加等电位联结
附加等电位联结，是TN、TT、IT系统电击防护措施的补充。如前所述，上述系统各有其保护条件，如果系统的保护条件不易满足，可以采用附加等电位联结，以达到降低同时可触及的外露可导电部分之间，或外露可导电部分与外部可导电部分之间可能出现的较高的电位差。这是一种局部等电位联结。主要做法就是用保护导体（或称附加等电位联结导体）将同时可触及的外露可导电部分，例如设备的框架、外罩、外露电缆铠装层等，如果可能，还包括钢筋混凝土中的主钢筋在内的外部可导电部分在电气上联结在一起。
3.接地配置和保护导体
⑴接地配置的安全要求和功能要求
从自动切断供电的电击防护措施上讲，不管电气装置和系统采用何种形式的接地系统，都要求电气装置内的外露可导电部分通过保护导体与大地实行有效的电气连接，以便在故障条件下形成故障电流回路，为保护电器提供用于自动切断的直接或间接的动作电流。
为了实现外露可导电部分的安全接地，例如防电击保护，要按照安全要求对它的接地配置有所规定；为了满足设备或系统的功能要求，例如工作接地等，则应从抗干扰等方面对接地配置提出技术要求。
⑵安全接地和功能接地既可合一也可分开
传统的分开接地方式，是为了避免通过接地环节引入相互干扰，但由于不同目的的接地系统的增加，使分散接地所带来的不安全因素日益严重，接地导体之间潜在的耦合影响又难以避免，反而引起相互干扰。因此采用安全保护和功能接地配置合一的方式，逐渐被各专业装置和设备所采用。
⑶接地导体
接地导体是一种较特殊的PE导体。它的一端与接地极相连接，另一端与总接地端子或母线排相连。接地导体与接地极之间的连结应牢固完好，防止遭受机械损伤和腐蚀，接地体应进行防腐处理，保证良好的电气连续性；为防止电化学腐蚀，接地导体不得使用铝材，不同金属材料互连时亦应采用防电弧腐蚀措施。
⑷接地极
接地极是与大地紧密接触并与之形成电气连结的一个或一组可导电部件。电气装置对地连接的效果如何主要取决于接地极的结构设计和安装。接地极可以采用如下型式：棒或管、带或线、板或网、埋入基础中的导电体、钢筋混凝土中的钢筋以及其它合适的地下金属构件。
设计和埋设接地极时的其它注意事项：
 ①接地极埋设深度和结构型式应当考虑到不致因土壤的干燥、结冰等环境变化致使接地极电阻值超过规定。如果条件许可，接地极必须埋设在土壤的永久潮湿层。
  ②应根据预计通过接地极的电流大小和持续时间，土壤的类型、温度、含水量等因素，采取措施以防止接地极附近区域土壤的干燥。
③接地极安装处的电阻率应在安装前测定，在以后的运行中还应定期测量。
④当土壤电阻率较高、接地极功效不易实现时，可采用普通食盐和硫酸镁等化学物质进行处理，使土壤电阻率降低15%至90%。
⑸接地电阻
不管从保护目的还是功能目的出发，电气装置的对地连接的接地电阻应当是越小越好。然而从经济上讲这种要求是不合理的。对地连接的接地电阻值可以认为主要取决于接地极的散流电阻。在接地环境条件已确定的条件下，为了降低接地极的散流电阻，必须增大接地极与土壤的接触面积，即尽可能的增大接地极的结构尺寸，这在经济上是不合理的，在技术上也是不必要的。因此应当根据电气装置的具体特点，对接地电阻值提出合理的最低限制。
GBJ65—83《工业与民用电力装置的接地设计规范》对接地电阻值提出了具体要求。它规定：
并列运行的变压器等电力设备总容量不超过100KVA时，接地电阻值不宜超过10Ω。
对低压电力设备接地装置的接地电阻，不宜超过4Ω。
低压线路零线（中性线）每一重复接地装置的接地电阻不应大于10Ω。
在电力设备接地装置的接地电阻允许达到10Ω的电力网中，每一重复接地装置的接地电阻不超过30 Ω，但重复接地不应少于3处。   
参考以上情况，CNG加气站的防电击保护接地的接地电阻也不宜超过10Ω。
4.加气站防电击保护接地的具体要求
通常属于爆炸危险场所2区的CNG加气站，其防电击保护接地装置，除了要符合以上所述的一般规定外，还需满足以下具体要求。（为了方便交流，以下术语尽可能采用工程中常用的一些俗称）。
⑴电气设备的接地连接
电气设备的金属外壳应与接地系统可靠连接，电气设备的内接地端子，应该与专门的接地线连接。如果设备安装在接地的金属构架上，或者导管配线的金属管接地良好，可以作为外接地。有些文献特别指出，“不能利用输送可燃性气体或液体的管道作为接地线。”但在CNG加气站上，所有设备都是用天然气管道联结起来的，为了保持等电位，接地网和接地干线就必须和地下天然气管道相连接。
若接地线与相线敷设在同一保护管内时，应具有与相线相等的绝缘。此时的金属管线，电缆的金属包皮等，只能作为辅助接地线。
站内的照明灯具，可利用有可靠电气连接的金属管线系统作为接地线，但不得利用输送天然气的管道。
接地干线应在危险区域不同的方向不少于两处与接地体连接。
⑵接零保护应符合下列规定
①架空线路终端、总配电柜及区域配电箱与电源变压器的距离超过50m以上时，其保护零线（PE保护线）应作重复接地，接地点阻值不大于10Ω。
②进入加气站的电源线应该是零线（N中性线）和地线（PE保护线）分开设置，即3相5线制。如果是3相4线制时，则应在安全区域转化为3相5线制。
③零线和相线的材质应相同，零线的最小截面积应符合有关规定。
④电气设备的地线或零线应并联接地，严禁串联接地或者地接零。零线上严禁装设开关或者融断器。
⑤地线或零线应采用焊接、压接、螺栓连接或其它可靠的方法连接。严禁缠绕或钩挂。
⑶其它场合可以不接地的电气部分
有关电力设备接地设计技术规程规定不需要接地的下列部分，在加气站这个爆炸性气体环境内仍应进行接地。
①在不良导电地面处，交流额定电压为380V及以下的电气设备，如变压器、低压配电柜、电机启动器等正常不带电的金属外壳；
②在干燥环境，交流额定电压为127V及以下的电气设备，如控制变压器（有时电压为120V）、售气机等正常不带电的金属外壳；
③安装在已接地的金属结构上的电气设备，如橇装式压缩机站。
⑸电气元器件的可靠接地
根据国外的经验，压缩机站的防爆控制箱内的一些关键元器件的接地，不得接在金属外壳上，而必须用导线直接接在接地干线上，即所谓的“可靠接地”。
三、防雷接地
CNG加气站一般情况下属于爆炸危险场所2区，所以也应属于第二类防雷建筑物，其防雷措施主要有以下方面。
⒈防直击雷
⑴宜采用装在加气站建筑物上的避雷网（带）或避雷针或由混合组成的接闪器，网格应不大于10×10m或12×8m.。
⑵对排放天然气的放散管、呼吸阀、排风管等管道,其管口外面的以下空间应处于接闪器的保护范围内：有管帽时，管帽以上的垂直高度2.5m；无管帽时，为管口上方半径5m的半球体。接闪器与雷闪的接触点应设在上述空间之外。
⑶引下线不应少于2根并应沿建筑物四周均匀或对称布置，其间距不应大于18m.
⑷每根引下线的冲击接地电阻不应大于10Ω。防直击雷接地宜和防雷电感应、电气设备接地共用一接地装置，并宜于埋地金属管道相连。
⑸当加气站周围有一些高大建筑物，相比之下加气站的位置又比较低时，也可不设置防直击雷装置。
⒉防雷电感应
⑴加气站内的设备、管道、构架等主要金属物，已就近接至防直击雷接地装置或电气设备的保护接地装置上时，可不另设防雷电感应接地装置。
⑵平行敷设的管道，构架和电缆金属外皮等长金属物，其净距小于100mm时，应每隔不大于30m用金属线跨接；交叉净距小於100mm时，其交叉处亦应跨接。但长金属物连接处可不跨接。
⑶屋内防雷电感应的接地线与接地装置干线连接，不应少于两处。
⑷防雷电感应的接地装置，其工频接地电阻不应大于10Ω，并应和设备接地装置公用。
⒊防止雷电波侵入
⑴当低压线路全长采用埋地电缆或敷设在架空金属线槽内的电缆引入时，在入户端应将电缆的金属外皮、金属线槽接地，上述金属物尚应与防雷接地装置相连。
⑵架空和直接埋地的金属管道，在进出建筑物处，应就近与防雷接地装置相连。
四、防静电接地
⒈ 防止静电危害的一般措施
CNG加气站中的防静电措施，应通过设计、工艺、设备和电器等专业一起，综合考虑。主要注意以下方面：
⑴生产过程中尽量少产生静电荷，如加气站的地面采用不会产生火花的水泥面。
⑵泄漏和导走静电荷，如设置防静电接地。
⑶屏蔽带静电的物体，如部分电器和所有电缆全部采用金属护套或钢管。
⑷使物体内外表面光滑和无棱角，如压缩天然气流动的钢管内部和接头部位要保持光滑，变径部分无凸台。
⒉ 加气站静电接地的范围
在爆炸危险场所内，应采取工业静电接地措施的主要是指，可能产生静电危害的物体，或因其带静电会妨碍生产操作，影响产品质量或使人体受到静电电击的设施，以及可能因静电使设备元器件损坏的情况。
依据这个原则，加气站的下列设备都应采取防静电措施：
⑴售气机附近的汽车加气点应设置静电接地拴；
⑵储气罐、储气瓶组应设置静电接地；
⑶售气机和加气枪应设置静电接地（加气枪应通过可导电的加气软管和售气机相连接）；
⑷橇装式压缩机机站里的回收罐、压缩机、电机、控制系统以及外部金属保护罩应设置接地装置；
⑸脱水干燥器和脱硫塔等设备中的压力容器、电机、风机和冷却器等都应接地。
⑹在天然气管道的始端、终端、分支处应分别接地。
⑺所有电缆要通过金属护套或穿线钢管接地。
⒊设备和管网系统的静电接地
⑴固定设备
如上所述，加气站中的固定设备，其金属体应与静电接地干线相连接。接地连接端头可设置在设备的侧面上或设置在与设备连成整体的金属支座的侧面或端部位置。
浮动式金属罐（如高大的脱硫塔）顶无防雷接地时，应将罐顶用绕性连接线与罐体连接，连接点不少于2处。
一般情况下，一个设备上只能有一个接地点，以免多个接地点之间产生有害的电位差。
⑵管网系统
站区中各个相对独立的建（构）筑物，如净化区（脱硫和脱水）、压缩机房、储气瓶库、配电控制室以及加气岛内的管道，可通过与工艺设备金属外壳的连接（法兰连接）进行静电接地。管网内的泵、空压机、过滤器、缓冲器、回收罐等处应设接地连接点。
管网在进出不同爆炸危险区场所的边界、管道分岔处；无分支管道，每隔80~100m的位置，应与接地干线或与专设接地体相连。
燃气管道的法兰接头、胶管两端（装卸接头、加气枪等与金属管道）间应采用端面不小于6mm2的绞铜线跨接。
⑶静电接地电阻
加气站内的防静电接地设计，按国家现行标准《化工企业静电接地设计规范》（HGJ28）执行，静电接地体的接地电阻值一般不应大于10Ω；有些进口橇装式压缩机站的静电接地电阻值要求更高，必须等于或小于1Ω。
接地网建成后正式使用前必须测量其接地电阻值，是否符合设计要求，否则应及时采取补救措施。测量时应注意其测量辅助电极埋设在3—5倍地网等效直径的地方。否则，测量不准确。投产后可再次测出其相对值，以便作为日常维护的比较标准。正常工作中若出现接地电阻值增大的情况时，多是由于土壤电阻率的变化所致，可采用浇水或者加入普通食盐的办法进行处理，即可凑效。
  4. 静电接地的连接工艺要求
①接地连接系统的各个固定连接处，应采用焊接或螺栓紧固连接，埋地部分应采用焊接。
②在设备、管道的接地端头与接地支线之间，一般可用螺栓紧固连接，不宜采用焊接固定；对有振动、位移的物体，连接处应加绕性连接线过渡。
③对移动设备及工具等，应采用电池夹头、鳄式夹钳、专用连接夹头或蝶形螺帽等连接器具与接地支线（干线）相连接，不应采用接地线与被接地体相缠绕等方法进行连接。
五、联合接地方式
从上述的介绍可以看出，过去为避免接地引入干扰影响，一般均采用分开接地，但随着技术的发展，接地系统增多，分开接地方式所带来的不安全因素日趋严重，地线之间潜在的藕合影响又难以避免，反而引起干扰，联合接地方式使整个接地系统形成一个笼式均压体（等电位联结体），具有等电位连接的电击防护作用，能够可靠的保证设备安全运行。所以现在的接地方式已从过去的分开接地方式，转变为采用保护接地和功能接地公用一组接地体的联合接地方式。
下面是一个比较典型的CNG加气站的接地系统示意图。
1.该联合接地网并未考虑防雷击接地，因为该加气站位置较低，周围的高大建筑上安有防雷直击装置。
2.站区接地系统如图所示，共设接地极26根，接地系统布置呈环状。为了满足压缩机站防静电接地电阻值的要求，只能取三种接地方式中要求最低的值，所以联合接地网的工频接地电阻值必须不大于1Ω。
3.接地系统的镀锌角钢接地极和镀锌扁钢接地线均为埋地暗敷，仅有各个连接点伸出地面；镀锌扁钢接地线的规格为—40×4；镀锌角钢接地极的规格为∟50×50×5，L=2.5米。接地连接点伸出地面0.3米。
4.为了连接可靠，接地连接点采取搪锡措施处理，搪锡之前先在连接体上钻两个孔，然后将需要搪锡的连接面（四个面）刨光后立即搪锡以防止刨光面氧化。
5加气棚上方的不锈钢网架需用四根接地线沿支撑立柱表面引下，与接地系统相连接地，引下线为25×4的镀锌扁钢。
6.压缩机站上方的金属屋架及屋面需用25×4的镀锌扁钢将其跨结成一个整体并引下接地，其引下线在靠配电控制室一侧端头的屋架南北两个端点上，共两根。.

通过多座加气站的运行实践证明，联合接地方式简单高效、安全可靠，很值得在CNG加气站的工程建设中进一步推广应用。

参考文献：
《电气装置和电器设备的电击防护技术》主编 李世林 中国标准出版社1999.3出版。
CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》
GBJ65—83《工业与民用电力装置的接地设计规范》
GB50058—92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
GB50194—93《建设工程施工现场供用电安全规范》
HGJ28—90《化工企业静电接地设计规程》
YDJ26—89《通信局(站)接地设计暂行技术规定(综合楼部分)》
美国IEEE标准142：1982《工业和商业供电系统的接地》