Lightning hazard risk analysis of CNG filling station construction project in Dingyuan County

Yin Jian  Niu Zhiqing

Dingyuan Meteorological Bureau，Chuzhou 233200

Abstract: In this paper, the lightning hazard risk assessment is carried out for the construction of CNG filling station in Dingyuan County. Combining the attributes, geographical location, construction scale and other aspects of the project, according to industry construction standards and Dingyuan County lightning observation data and lightning location data analysis and evaluation, the objective evaluation conclusions are drawn; At the same time, it gives the countermeasures to the lightning disaster that the construction project may suffer, so as to reduce or avoid the lightning damage better.

Key words: CNG filling station, lightning disaster, risk analysis

1 引言  

依据《气象灾害防御条例》、《防雷减灾管理办法》、《安徽省人民政府安全生产职责规定》等有关规定，对定远县威东CNG加气站工程建设项目进行雷电灾害风险评估。考虑该建设项目的地理位置,距离最近的国家气象观测站为定远县国家基本气象观测站，因此确定本次评估的雷电灾害典型代表站,为定远县国家基本气象观测站，并依据其观测资料进行分析评估。为了精确计算和分析闪电发生的强度和频率，运用了滁州市闪电定位仪观测资料，在此基础上对定远县威东CNG加气站建设项目雷电灾害影响进行风险分析。

2 定远县威东CNG加气站建设项目

定远县威东CNG加气站建设项目位于定远县定城镇城南村境内，紧邻省道合蚌路，距市中心约2公里，加气站用地面积约3000平方米，总建筑面积868平方米，总建筑占地面积758平方米，容积率0.29，建筑密度25.3%。共建有：CNG加气站棚约400平方米，压缩机房238平方米，站房230平方米，储气井一组，工艺区一座，冷却水池一座，隔油池一座，消防台一座，放散管一座。

2.1 防雷安全相关电气设计,高压供配电系统，10KV电源取自区域市政电网，架空线路引入项目区域附近改用YJV22-10KV型铠装电缆直埋至高压控制柜，经高压开关柜控制后，经800KW干式变压器变压再进入低压配电系统。

2.2 低压供电系统.低压配电系统型式为50HZ，TN- S，采用放射式方式供电。加气站区域内的动力、照明电源全部采用防爆场所专用耐火型电缆，且比常规用电缆大一个规格，室外电缆采用直埋敷设，室内为穿管埋地敷设或沿墙穿钢管布线。对站内可燃气体检测报警系统、电脑控制的加气机等信息系统设置在线UPS供电电源。

2.3 过电压保护，在高压进线处和变压器高压端分别设高压防雷器各一组，低压侧低压母排安装一B级SPD电涌保护器，各重要设备配电箱安装一C级SPD电涌保护器，以防止雷电波侵入。

2.4 弱电系统，在综合楼内安装固话、宽带等通信设施。消防、检测报警、设备控制信息传输等各系统线缆的敷设均应考虑全程屏蔽措施。

3 定远县雷电活动状况

3.1 定远县年雷暴日数统计

常规人工观测雷电资料统计

表1

根据表1统计结果，定远县平均年雷暴日数为32天，其中年最多雷暴日数为54天（1974年）,最少为11天（1999年）。

闪电定位观测系统雷电资料统计（仅有2006—2010年）

表2

由表2统计可以看出，定城区域以负闪为主，占总闪电的90%以上；1月份闪电发生的频数最少，从3月起闪电频率逐渐增大，至7月达最高值，8月次之，9月急剧下降，其中的月变化中最突出的是4月份的闪电次数反而比5月份多。

3.2 定城区域雷电活动特征 

3.2.1 日变化特征

负闪与总电闪的趋势基本一致；日变化呈双峰分布，主峰突出，最高值是最低值的近5倍，最高值出现在16-17时；2时和上午11时分别有一较小的低谷；正闪变化幅度小，负闪变化幅度大，如图1。

图1

3.2.2 月变化特征

月变化中闪电次数主要出现在3-9月份，从3月起闪电频率逐渐增大，至7月达最高值，8月次之，9月快速下降，如图2。

图2

3.2.3 定城区域雷电流强度变化特征

正闪雷电流强度均值为57.1KA，负闪雷电流强度均值为-38.2KA；但负闪电的最大幅值远大于正闪电的幅值，达约-400KA。电流强度均值各月分布变化不大，各月正闪雷电流均值都高于相应月的负闪雷电流绝对值均值；正闪在10KA以下的出现次数极少，大于100KA的在6月出现最多；负闪在0～-10KA强度段出现的次数占所有负闪的31.2%，大于︱- 100︱KA的也在6月出现最多，如图3。

图3

3.2.5 CNG加气站项目所在地落雷状况

①、项目中心点经纬度

经度：117.673187°     纬度：32.494126°

②、年平均电闪次数逐月分布（项目区域半径：2000米）

表3

由表3统计可以看出，雷暴主要集中在夏季，占68%，春季次之，占20%，冬季最少。

③、雷电流强度分布

④、其它参数值

    综合评价：CNG加气站所在地属亚热带湿润季风气候，四季分明，各月雷电分布不均，可能致灾的强雷暴主要集中在４、５、６、７、８、９月。雷电流强度绝对值与周边区域相比正常，强雷暴次数较附近其它区域相比略偏多。

4 建设项目遭受雷电灾害危险性分析

4.1 加气棚（岛）遭受雷电灾害危险性评估

4.1.1 风险计算

加气棚（岛）的站棚长20.0米，宽20.0米，高取值11.025米，入户设施取一路低压埋地电缆，一路埋地信号线，设施L取1000m。雷暴日数Td取值53天,土壤电阻率ρ取值28.3Ω·m。

4.1.1.1 用于决定保护需要的风险计算

4.1.1.2 R1的组成部分

4.1.2 风险分析

人员生命损失的风险：

R1=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ

=0.79305×10-5

经济损失的风险R4：

R4=RB+RC+RV+RW+RZ

=0.61249×10-5

公众服务损失的风险：

R2= RB+RC+RM+RV+RW+RZ

=0.79299×10-5

加气棚（岛）区域为易燃易爆场所，一旦遭遇雷暴侵袭，存在人员生命损失、经济损失、公众服务损失风险，对照规范规定得到可容许的人员损失最大值为RT =10－5、公众服务最大值为RT=10－3、损失经济损失最大值为RT=10－3。

4.1.3 总风险值与可承受的风险值RT的比较

由雷击造成人员伤亡损失的最大风险可容许值为RT=1×10－5，经济损失、公众服务损失的最大风险可容许值为RT=1×10-3。加气棚（岛）在现有雷电防护设计下：由雷击造成的人员伤亡损失风险R1=0.79305×10-5< RT（1×10-5），能够满足规范的要求；由雷击造成的经济损失的风险R4=0.61249×10-5< RT（1×10-3），能够满足规范的要求；公众服务损失的风险R2=0.79299×10-5< RT（1×10-3），能够满足规范的要求。

4.2 压缩机房遭受雷电灾害危险性评估

4.2.1 风险计算

压缩机房长39.3米，宽7.8米，高取值7.5米。入户设施取一路低压埋地电缆，一路埋地信号线，设施L分别取500m、200m。雷暴日数Td取值53天,土壤电阻率ρ取值28.3Ω·m。

4.2.1.1 用于决定保护需要的风险计算

4.2.1.2 R1的组成部分

4.2.2 风险分析

人员生命损失的风险：

R1=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ

=0.91943×10-5

经济损失的风险R4：

R4=RB+RC+RV+RW+RZ

=0.87167×10-5

公众服务损失的风险：

R2= RB+RC+RM+RV+RW+RZ

=0.91767×10-5

燃气压缩机房为易燃易爆场所，一旦遭遇雷暴侵袭，存在人员生命损失、经济损失、公众服务损失风险，对照规范规定得到可容许的人员损失最大值为RT =10－5、公众服务最大值为RT=10－3、损失经济损失最大值为RT=10－3。

4.2.3 总风险值与可承受的风险值RT的比较

由雷击造成人员伤亡损失的最大风险可容许值为RT=1×10－5，经济损失、公众服务损失的最大风险可容许值为RT=1×10-3。压缩机房在现有雷电防护设计下：由雷击造成的人员伤亡损失风险R1=0.91943×10-5< RT（1×10-5），能够满足规范的要求；由雷击造成的经济损失的风险R4=0.87167×10-5< RT（1×10-3），能够满足规范的要求；公众服务损失的风险R2=0.91767×10-5< RT（1×10-3），能够满足规范的要求。

5 建设项目可能遭受雷电灾害的应对措施

现代防雷技术要求实施系统防雷工程，包括外部防雷措施和内部防雷措施,并将内外部防雷措施有效结合，达到全方位、立体化的防雷目的。外部防雷装置由接闪器、引下线、接地装置组成，主要用以防直击雷。内部防雷装置为除外部防雷装置为的所有附加措施，主要用以防止和减小需防护空间内的电磁效应。

5.1 建筑物直击雷防护设计

防直接雷击是系统防雷工程的基础，是防雷工作的首要任务。

5.1.1 接地装置的设计

接地装置是接地体和接地线的总和。压缩机房、加气棚建筑基础内的钢筋应利用作为自然接地体，同时在燃气装置区、管道、站棚的周围设人工接地体，并将自然基础接地体与人工接地体多处连接，作为气站的防雷接地、防静电接地、信息系统接地、防感应雷接地、电气设备的工作接地、保护接地的共用接地装置，要求由以上接地体组成的接地装置的工频接地电阻≤1Ω。人工接地体由水平接地体与垂直接地体构成。水平接地体采用40mm×4mm热镀锌扁钢，垂直接地体采用50mm×50mm×5mm热镀锌角钢，1.5—2.5米/根，垂直接地体水平间距应为垂直长度的2倍，接地体埋设深度不小于0.8m。接地线指从引下线断接卡或换线至接地体的连接导体，或从接地端子、总等电位连接带至接地装置的连接导体。

5.1.2 引下线的设计

利用站棚为钢结构，站房（压缩机房）为钢筋混凝土构架的特点，应利用钢柱或柱内直径≥φ12mm对角四条主钢筋或直径≥φ16mm对角两条主钢筋作为引下线，通长焊接且引下线宜沿建筑四周对称布置。对站棚，其引下线间距应不大于18m；对站房，其引下线间距应不大于18m，建筑物主要阳角位应设引下线。

5.1.3 接闪器的设计

站棚直接利用金属屋面作为接闪器；站房屋面设置由避雷带和避雷网格组成混合型接闪器。站房（压缩机房）避雷网格尺寸应不大于10m×10m或12m×8m。为保持美观，避免生锈更换，避雷带及避雷带支撑架建议均采用不锈钢材质，统一使用的材料规格避雷带、网为φ10mm镀锌圆钢，支撑架截面积不小于48mm²，带高应不低于150mm，避雷带在建筑物外边沿投影距外边沿不大于100mm。

5.2 燃气装置区防雷设计

燃气装置区各设备及管道必须作防雷接地，每台设备及每根管道接地点不少于2处，接地点的间隔不大于30m，接地线采用40mm×4mm热镀锌扁钢。埋地设备与露出地面的工艺管道相互做电气连接。

5.3 感应雷防护措施

防雷电感应的基本措施是采取屏蔽接地以及加装电涌保护器（也称过电压保护器，简称SPD）。根据本项目的实际情况，应采取以下的防雷电感应的措施：

5.3.1 屏蔽

屏蔽措施主要有建筑物屏蔽、以合适的路径敷设线路、线路屏蔽，这些措施宜联合使用。由于站棚、站房建筑本身的结构特性，使得利用建筑本身的钢筋、立面的屏蔽效果非常有限，因此以合适的路径敷设线路、线路屏蔽措施就显得非常重要。电力电缆应采用埋地敷设，电源入户处应作等电位连接接地，电缆金属外皮或电缆金属保护管应两端接地。站内信息系统应采用铠装电缆或导线穿管配线，电缆金属外皮或电缆金属保护管应两端接地，通讯电缆与电力电缆在同一凹槽应至少保持0.5米以上的间隔，以免干扰。

5.3.2 安装SPD

安装电涌保护器的目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件，电涌保护器至少含有一个非线性电压限制元件。SPD主要分为电源SPD和信号SPD。本工程信息系统的信号线路应采用铠装电缆或导线穿钢管配电配线，配线电缆金属外皮两端、保护钢管两端接地。信息系统的配电线路，装设与电子器件耐压水平相适应的电源SPD。380/220V供配电系统采用TN-S系统，供电系统的电缆金属外皮或电缆金属保护管两端接地。

5.4 防静电接地措施

＊设置防静电接地触摸桩，操作人员配置防静电衣服。

＊地上燃气管道始、末端和分支处作接地。

＊输气管道上的法兰、胶管两端连接处应用金属线跨接。当法兰的连接螺栓不少于5根时，在非腐蚀环境下，可不跨接。

＊应设置加气车辆的静电释放接地装置，并设能检测跨接线及监视接地装置状态的静电接地仪。

＊压缩机组撬、加气机、冷却水塔、放空立管、工艺装置区设备等，接地支线与接地干线，以及支线与设备均应做好可靠的放热焊接。

＊站棚内各加气机不少于两处与本工程的共用接地装置连接。

5.5、建立健全防雷装置维护制度

CNG加气站建设项目建成投入使用后，应加强对防雷装置的定期检测工作，检测周期为6个月，定期请有资质的单位对防雷、防静电装置进行检测。

6 项目评估结论

6.1 拟建的定远县威东CNG燃气加气站建设项目，在投入运行过程中可能遭受雷电灾害风险较高，产生的可能后果也较严重。威东燃气加气站建设项目站棚年预计直接雷击次数为0.054次/年虽然较低，但间接雷击概率较高（1.13次/年），同时考虑到加气站为火灾爆炸危险场所，根据现行防雷设计规范和其发生雷击事故的后果等综合因素考虑，站棚应按第二类防雷建筑的要求采取防直击雷、防感应雷、防雷电波侵入措施，其内设备应采取防感应雷、防静电接地措施；站房（压缩机房）直接雷击概率(0.0455次/年）较低，但间接雷击概率较高（年预计直接雷击次数为分别为1.15次/年），站房（压缩机房）同样为火灾爆炸危险场所，根据现行防雷设计规范和其发生雷击事故的后果等综合因素考虑，站房（压缩机房）应按第二类防雷建筑的要求采取防直击雷、防感应雷、防雷电波侵入措施，其内部电子信息设备的电源线路和信号线路采取感应雷防护措施。经有效防护后，其遭受雷击的可能性变为很小。

6.2 本建设项目在建成投入使用后，应建立防御雷电灾害的应急预案，科学防范雷电灾害；定期请有资质的机构对建筑物防雷装置防雷、防静电进行检测，切实将雷电灾害可能带来的风险降到最低。

作者简介：殷剑：（1974.12-）男，汉族、安徽合肥人，学历：本科，单位：安徽省定远县气象局，工程师，研究方向：县级综合气象服务。

参考文献

[1] 国家标准《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156-2002（2006版)

[2] 国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010

[3] 国家标准《液体石油产品静电安全规程》GB 13348-92

[4] 国家标准《石油化工装置防雷设计规范》GB50650-2011

[5] 朱浩,程向阳,王凯,刘佼,王晓东,安徽省雷电灾害特征分析及区域灾情评估,长江流域资源与环境,2015,