总等电位联结系统中燃气管道的做法

总等电位联结系统中燃气管道的做法

总等电位联结系统中燃气管道的做法

作者：徐静 于香…

引言
　　等电位联结是近几十年来国际上推广的电气安全措施。所谓总等电位联结(mainequipotential bonding，简称MEB)是将建筑物内的下列导电体汇接到进线配电箱近旁的接地母排(总等电位联结端子板)上而互相联结：[1]
　　(1)PE线(它通常指一回路中用于设备接地的导线)、PEN干线(指兼有PE线和中性线作用的回路导线)；
　　(2)电气装置接地极的接地干线；























图1总等电位联结系统图示例

　　(3)建筑物内的水管、燃气管、采暖和空调管道等金属管道；
　　(4)条件许可的建筑物金属构件等导电体。
　　自户外引入的上述管道应尽量在建筑物内靠近入口处进行联结，如图1所示。需要说明，联结也是一种电气连接，但它并非用于载流，而是用以取得相等的电位。
　　根据《低压配电设计规范》GB50054-95中第4．4．4条(强制性条文)要求，采用接地故障保护时，应将建筑物内导电体(其中包括燃气管道)作总等电位联结。其目的在于降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。接地故障是指相线对地或与地有联系的导电体之间的短路，它包括相线与大地、PE线、PEN线、配电和用电设备的金属外壳、敷线管槽、建筑物金属构件、上下水和采暖、通风等管道以及金属屋面、水面等之间的短路。当发生接地短路时，在接地故障持续的时间内，与它有联系的电气设备的金属外壳和金属管道、结构等装置外可导电部分相互间存在故障电压，此电压可使人身遭受电击，也可因对地的电弧或火花引起火灾或爆炸，造成严重生命财产损失。单一的切断接地故障保护措施因保护电器产品的质量、电器参数的选择和其使用中的变化以及施工质量、维护管理水平等原因，其动作并非完全可靠。且保护电器尚不能防止由建筑物外进入的故障电压的危害，因此IEC标准和一些技术先进的国家都规定在采用此种保护措施时，还应采取总等电位联结措施，以降低人体受到电击时的接触电压，提高电气安全水平。此条文目前被列为北京市施工图审查工作中重点审查内容之一，因此在该总等电位联结系统中燃气管道的做法成为急待解决的问题。

1 在总等电位联结中燃气管道做法的理论依据
1．1国内的有关规定
　　《等电位联结安装》02D501—2在等电位联结的安装要求中指出：“为避免用燃气管道做接地极，燃气管入产后应插入一绝缘段，以与户外埋地的燃气管隔离。为防雷电流在燃气管道内产生火花，在此绝缘段两端跨接火花放电间隙，此项工作由煤气公司确定。”[2]
　　在上述要求中有两处需要解释一下，其一，与大地接触的金属导体为接地体，如将此接地体赋以一定的电的作用，例如用于工作接地或保护接地，它将汇集电流或传导电位，则称作接地极。其二，火花放电间隙是电涌保护器(surge protective device简称SPD)中的一种类型，是用于限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。
1．2国外标准的有关规定
　　(1)IEC61024—1—2的第3．3．7条规定：“如果金属管置于土壤中并接到等电位连接系统和接地系统上，如果管道材料不绝缘，管道材料和接地系统导体材料应相同。具有油漆或沥青保护层的管道应视为非绝缘体。当无法使用相同的材料时，应通过绝缘段把管道系统与接到等电位连接系统上的设备段隔开。应通过放电间隙桥接绝缘段。当为了对管道进行阴极保护而安装绝缘段时，也通过放电间隙将两个被隔离段连接。放电间隙应能传导大部分的雷电流。”[3]
　　(2)IEC364—5—54：1980(GBl6895．3—1997)中第542．2．6条规定：“除542．2．5条所述仅作供水用的金属管道外，其他金属管道供应系统(如可燃液体或气体等)不应用作保护目的接地极。”[4]
　　(3)德国气水专业协会DVGW在1998年7月颁布的德国工业标准G459／1燃气进户管线技术规范工作手册中的3．2．5．3绝缘件中规定“在全金属进户管线中应安装绝缘件，绝缘件必须是指定用于燃气的，并且必须做有相应的标志(“G”)。若绝缘件安在楼内，必须具有较高的热负荷能力，并且必须做有相应的标志(“GT”)。绝缘件在结构上也可以同主截止装置连接在一起。”
　　由上述国内外相关规定可以看出，进出建筑物的燃气管道，应在其进出线的室内管道上就近设置绝缘段，并通过放电间隙对绝缘段两端的管道进行搭接。放电间隙的作用是传导大部分的雷电流，消除绝缘段两端电位差，防止绝缘段被击穿或产生火花，具体做法见图1。

2 绝缘段和放电间隙的性能参数指标
2．1绝缘段绝缘性能的要求：[5]
　　(1)耐压试验：工频电压(50Hz)2000V，持续时间为1分钟，在此期间不允许出现任何电击穿和电晕现象。
　　(2)绝缘电阻测试：绝缘电阻应在500kΩ以上(《绝缘法兰设计技术规定》SY／T0516—1997中7．1．3的规定，绝缘接头的绝缘电阻通常均大于此值)。
　　(3)绝缘法兰还应做潮湿情况下的绝缘性能试验：在测试前将绝缘件在20℃～25℃、相对空气湿度93％～95％的环境中放置超过48小时。待测绝缘件所占空间不应超出所处环境空间的十分之一。将待测绝缘件从上述环境取出后进行绝缘电阻测试，绝缘电阻应大于100kΩ。然后进行耐压测试，测试电压为工频(50Hz)500V。在大约10秒钟内，电压值就会升高到2000V。保持该电压持续1分钟。在此期间绝对不允许出现任何电击穿和电晕现象。
2．2放电间隙性能的要求：[6]
　　(1)放电间隙的雷电冲击电流试验
　　等电位系统中的放电间隙应能传导大部分的雷电流，根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)，燃气调压站、燃气锅炉房、民用住宅楼、一般商业楼和公共建筑原则上均为二类防雷建筑物，二类防雷建筑物遭受雷击时，雷电流的幅值为150kA，雷电冲击波波形t1／t2为：10／350μs，其中10μs表示波头时间，即从10％峰值上升到90％峰值的时间，350μs表示半峰值时间，即从波头始点到波尾降至50％峰值的时间，参见图2。





















图2 雷参数定义(短时雷击)






















图3 进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配
　　进入建筑物各种设施之间的雷电流分配可按以下方法确定：全部雷电流I的50％流入建筑物防雷装置的接地装置，其另50％，即Is分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线等设施。流入每一设施的电流Ii等于Is／n，n为上述设施的个数，按最不利的环境情况考虑，假设进入建筑物的服务性管线只有金属燃气管道、电力线路及金属水管，则：n=3，Is=I／2=150／2=75kA，那么通过燃气管道的雷电流为Ii=Is／n=75／3=25kA。因此放电间隙的放电电流应大于等于25kA，参见图3。
　　(2)放电间隙的击穿电压(50Hz)应大于1200V、小于2000V,其中1200V，为工频故障电压，2000V为绝缘段的耐压值。其意义在于：放电间隙即要保护绝缘段不被击穿，又要防止工频故障电流通过。
　　(3)放电间隙还应符合《低压配电系统的电涌保护器(SPD)第1部分：性能要求和试验方法》GBl8802．1—2002／IEC61643—1：1998的有关规定。[7]
　　(4)放电间隙应采用防爆型，其外壳防护等级为IP67。[8](IP代码含义：6—防止固体异物进入的等级为尘密；7—防止进水造成有害影响的等级为短时间浸水。)
2．3绝缘段及放电间隙的类型
　　绝缘段常用的有绝缘法兰和绝缘接头两种类型。其中有一种绝缘接头带有内置的放电间隙，其泄放雷击浪涌电流的能力可达50kA，它的优点是结构简单，使用寿命长(50年以上)且免维护，缺点是外形尺寸比较大，当室内空间有限时，安装较为困难。这种绝缘接头在做完雷电冲击电流试验后，要再测绝缘电阻，并应进行强度及严密性试验。在等电位系统中绝缘法兰要与外置的放电间隙组合使用，放电间隙跨接在两片法兰之间，德国生产的一种防爆型放电间隙，其泄放雷击浪涌电流的能力可达100kA，这种组合的优点是外形尺寸较小，安装方便，防雷效果好，缺点是绝缘法兰的绝缘体裸露部分较多，易受潮老化，降低绝缘效果和密封性，使用寿命短，需要定期检测，不宜用于不允许停气检修的场所。

3 建筑物内燃气管道在总等电位联结中的作法
3．1绝缘段和放电间隙的选型
　　(1)住宅楼：宜选用带有内置放电间隙的绝缘接头。
　　(2)燃气锅炉房、商业用户及工业用户：应首选带有内置放电间隙的绝缘接头，对于允许停气检修的用户，当引入管管径较大、室内安装空间不足时，也可选用绝缘法兰与外置放电间隙的组合形式。
　　(3)燃气调压站：因站内调压间燃气进出线较多、安装空间有限、不便于停气检修，可不安装绝缘段及放电间隙，站内燃气管道通过EB线(等电位联结线)接至总等电位联结箱。为了减少室外埋地燃气管道的微电池腐蚀，建议站外闸井至调压间的埋地管道采用三层PE结构防腐，并在这段埋地管道上安装带内置放电间隙的绝缘接头，防止雷电流在闸井的法兰连接处产生电火花。
3．2绝缘段和放电间隙的安装位置
　　(1)对于地上引入方式，绝缘接头宜设置在引入管出室外地面后至穿墙入户之前的位置，将抱箍设于室内燃气管道上，再通过EB线接至总等电位联结箱(见图4)。如采用绝缘法兰与外置放电间隙的组合形式，则应安装在室内燃气总阀门之后，以便检修，绝缘法兰两端的燃气管道用放电间隙进行连接后，通过EB线接至总等电位联结箱(见图5)。
　　(2)对于地下引入方式，绝缘接头宜在引入管出室内地面或进入地下室后就近安装，将抱箍设于绝缘接头通向室内燃气管道的一侧(否则绝缘接头将不起作用)，然后再通过EB线接至总等电位联结箱(见图6)。如采用绝缘法兰与外置放电间隙的组合形式，与地上引入方式时的作法相同(见图7)。

























图4 地上引入方式(a)绝缘段和放电间隙的安装位置





















图5 地上引入方式(b)绝缘段和放电间隙的安装位置





















图6 地下引入方式(a)绝缘段和放电间隙的安装位置




















图7 地下引入方式(b)绝缘段和放电间隙的安装位置
　　(3)穿墙套管与钢筋采取绝缘措施时，可以在钢套管与墙壁之间注入环氧树脂或钢套管采用聚脲弹性体材料(该材料绝缘电阻为200kΩ防腐等，以确保室内外燃气管道绝缘。
3．3沿建筑物外墙敷设的燃气管道等电位联结的做法
　　在我国南方地区，燃气管道多沿建筑物外墙或屋顶敷设，但燃气支管还是要进入室内，无论从保障人身安全还是防雷方面考虑，均应做等电位联结，燃气管道出室外地面后安装绝缘接头，再通过EB线接至总等电位联结箱(见图8)。





















图8 沿建筑物外墙敷设的燃气管道等电位联结的作法
　　同时，还应注意以下问题：
　　(1)燃气管道不应布置在屋面上的檐角、女儿墙、屋脊等较易遭受雷击的部位。
　　(2)燃气放散管应和屋面防雷装置相连。
　　(3)屋面上的燃气管道(在接闪器的保护范围以外)均应采用壁厚≥4mm的无缝钢管焊接连接，并采用法兰阀门，法兰连接处的过渡电阻大于0．03Ω时，连接处应用金属线跨接。对有不少于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。
　　(4)屋面上的水平燃气管道与其他金属管道、构件的水平、垂直净距不应小于100mm,当其净距小于100mm时，应采用金属导线跨接，两跨接点的间距不应大于30m。
　　(5)屋面上的水平燃气管道应尽量安装在接闪器的保护范围内，并应与避雷网(带)进行等电位联结。总等电位联结的详细做法见《等电位联结安装》02D501—2。

4 总等电位联结在国内、外应用现状
4．1国内现状
　　根据中华人民共和国工程建设标准强制性条文要求，采用接地故障保护时，在建筑物内应将导电体作总等电位联结，我国目前新建的建筑物内，除燃气管道外，其它导电体均做了总等电位联结，由于《城镇燃气设计规范》中对此没有具体的要求，各地燃气公司多采取回避、观望的态度。
4．2国外现状
　　据了解，许多发达国家早已将总等电位联结作为建筑物使用前必须完成的工作，否则电力公司不给送电。这些国家的公民安全意识也非常强，在购买住房时，安全设施(包括总等电位联结)是否齐备，是他们必须考虑的问题。
　　由于各国国情不同，燃气管道在总等电位联结中的作法也不尽相同。在日本，室内燃气管道只设置了绝缘接头，该绝缘接头不含内置的放电间隙。在德国，采用一种穿墙入户绝缘管组件，它是将钢制燃气管涂敷PE层，再用PE完全包覆穿墙入户绝缘组件，包括球阀在内，该球阀具有电绝缘性能及放电间隙结构，耐热650℃，该组件最大工作压力为0．4MPa，使用寿命50年。但是，该产品未做雷电冲击电流试验。在欧洲，许多国家的城市门站、调压站均为露天设置。

5 建筑物内燃气管道与其它导电体等电位联结的意义
　　(1)总等电位联结作用于全建筑物，它在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害，提高电气安全水平，减少生命财产损失。
　　(2)建设部新颁布的《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2003的3．0．2条(强制性条文)规定：“公称直径大于或等于200mm的低压管道必须采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制系统。管道运行期间阴极保护不应间断。”，由于建筑物内燃气管道在与等电位系统联结前要加绝缘段，使室内外燃气管道隔离，这种措施在满足等电位联结要求的同时，又为低压燃气管道实施阴极保护创造了有利条件。
　　(3)由于墙壁的混凝土属较强的碱性，混凝土中的金属其电位(-250mV)高于埋在地下的金属(-550mV～-750mV)，如果混凝土内的钢筋与燃气管接触，就会产生地下燃气管与混凝土中的钢筋间的电位差为(300mV～500mV)，腐蚀地下燃气管道，这就是混凝土／土质结构微电池腐蚀。同样，由于建筑物内燃气管道在与等电位系统联结前要加绝缘段，使得腐蚀电流无法形成回路，从而避免微电池腐蚀的发生，延长了燃气管道的使用寿命。

6 结语
　　建筑物内导电体总等电位联结中燃气管道做法的研究，涉及到燃气、电气、防雷、腐蚀控制等诸多领域，是一项综合性的研究， 目前国内尚无应用实例，国外因国情不同，做法也不尽相同，不能简单的照搬照抄。本文在参考国内外相关标准的基础上，结合我国的基本情况，提出了我们认为比较适宜的做法。只有燃气管道的做法确定下来，总等电位联结系统才能完整实施。这项安全措施的实施将会产生良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

　　(1)《低压配电设计规范》 GB50054-95
　　(2)《等电位联结安装》 02D501—2
　　(3)《建筑物的雷电保护第1部分：一般原则 第1—2分部分：指南B：雷电防护系统的设计、安装、维护、检验》 IEC61024—1—2：1998
　　(4)《建筑物电气装置第5部分：电气设备的选择和安装第54章：接地配置和保护导体》GB16895．3—1997 idt IEC364—5—54：1980
　　(5)《绝缘件的性能检测》 德国工业标准DIN 3389—1984
　　(6)《建筑物防雷设计规范》 GB50057—94(2000年版)
　　(7)《低压配电系统的电涌保护器(SPD) 第1部分：性能要求和试验方法》GB18802．1—2002／IEC61643-1：1998
　　(8)《外壳防护等级(1P)代码》 GB4208—93