汽车静电

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汽车加氢站防雷防静电及接地设计

摘要：氢气作为新型能源，已被运用于汽车领域，而作为燃

料电池汽车发展的基础配套设施，加氢站有着举足轻重的地位。

文章阐述了上海第一座汽车加氢站——安亭加氢站在其设计过程

中遇到的防雷、防静电及接地的相关问题，提出了在爆炸危险环

境中，建筑与工艺设备的防雷、防静电要求，和整个加氢站区内

采用的接地形式，以及采取的相应解决方案。可供今后加氢站的

相关设计提供借鉴。

1汽车加氢站的地位和重要性

近年来，由于石油资源日益匾乏以及环境污染等问题，世界

各国都在投人巨资加大新能源、清洁能源的开发力度。由于氢来

源丰富、循环利用、热值高、无污染且能够储存，不产生温室效

应气体等优点，逐渐成为新能源热点。以氢为动力的燃料电池汽

车是氢能应用的主要途径，也是节能环保汽车的最佳形态，作为

一种真正实现零排放的交通工具，氢燃料电池车唯一排放的是纯

净水，而且氢燃料电池制造过程和内部构件都对环境无毒害，它

在降低大气污染、调整能源结构、提高经济效益等方面具有显著

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功效，已经得到了广泛的关注。汽车的车载储罐储存能量有限，

当充注能源将耗尽时，必须有后续能源注人，才能使汽车继续行

驶，为促进燃料电池汽车的商业化，加快氢燃料电池汽车从实验

室走向市场，不仅需要汽车厂商的不懈努力，更需要基础设施的

跟进配套。为此，上海市政府制定了发展计划，到2010年世博

会时达到千辆级规模。为了给燃料电池汽车提供氢加注服务，上

海在2007年底建成了第一座固定式加氢站，并在今后数年内陆

续建设多座加氢站以满足燃料电池汽车的发展需要。加氢站作为

地面加注系统是实现能源注人的必要工具。氢燃料电池汽车能否

快速投人市场且被大众所接纳，建设和发展加氢站起到重要作用。

汽车加氢站的建设是将来清洁能源汽车基础设施发展的一个重要

里程碑。

2安亭加氢站的总体概况介绍

安亭加氢站位于上海安亭国际汽车城，于2007年11月建成，

是上海首座固定加氢站，是以同济大学为主承担的国家863项目

“燃料电池汽车高压氢气加氢站及供氢技术研发”的一部分，其

主要任务是为同济大学承担的国家863项目“燃料电池轿车”及

其示范运行车队提供氢气加注服务，同时也与GEF-UNDP(全球

环境基金和联合国计划署)、国家科技部和上海市政府合作，将为

上海使用氢燃料电池的轿车和公交车提供压缩氢气，是推进我国

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燃料电池汽车商用化进程的重要一步。安亭加氢站最大氢气存储

容量可达800kg，可连续为20辆燃料电池轿车和6辆燃料电池

公交车加注氢气，可满足近期现有车辆以及今后一段时期内发展

需求。

安亭加氢站总占地面积880m2，总建筑面积为196m2(站房

建筑面积93m2，压缩机、卸车处、储氢瓶组区103m2)，绿化面

积为74m2，绿化率为8.4%，建筑容积率为0.22。

安亭加氢站属于外供氢型加氢站。通过管束车、液氢槽车或

管道等方式输送氢至站内，氢气经压缩机压缩后利用储氢瓶高压

储存，然后通过加气机为车辆加注氢气。整个站分为输送系统、

储存系统、压缩系统、加注系统、控制系统和安全监控系统等子

系统。

目前加氢站在国内建设仅处于起步阶段，经验较少，技术方

面不是很全面，在设计过程中遇到的困难和问题有：

(1)作为本市首座固定加氢站，在整个工程设计上少有先例。

在某些部分只能参照汽车加气站(CNG)的设计思路，并且针对氢

气的特性进行设计。

(2)对于汽车加氢站来说，到目前为止，我国并不具备完善的

氢气加注站的规范。在设计的同时只能借鉴其他相关规范，例如，

《汽车加油加气站设计与施工规范》、《城镇燃气设计规范》、

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《氢气站设计规范》、《建筑物防雷设计规范》和《爆炸和火灾

危险环境电力装置设计规范》等。

(3)与其他可以作为能源的气体相比，氢气具有更宽的着火范

围，更低的着火能，更易泄漏，火焰速度更高，更容易爆炸等不

利的性质特点，逐渐累积易导致着火或爆炸。因此在设计尺度的

把握上相比较而言会更严格。

本文主要介绍安亭加氢站在设计过程中遇到的防雷、防静电

及接地的相关问题。

3安亭加氢站的防雷设计

3.1加氢站的防雷等级

首先根据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》第2.2.1

条中关于1区和2区的定义，确定加氢站的防爆等级为1区或2

区，而再根据《建筑物防雷设计规范》中关于1区和2区爆炸危

险环境的建筑物的防雷等级的规定，加氢站的防雷等级应不小于

第二类防雷建筑物。根据安亭加氢站为固定加氢站，即加氢站内

无制氢环节，气源由氢气罐束车拖至站内卸车处经卸车，经压缩

机增压后至中间储氢罐，加气时通过加注器将氢气加入氢燃料电

池汽车内。在正常工况下，不可能出现爆炸性气体混合物，即使

出现也是短时存在的爆炸性气体混合物，且达不到爆炸性气体爆

炸下限，因此整个工艺系统均为2区爆炸危险环境。确定了爆炸

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危险环境等级后，再根据《建筑物防雷设计规范》中防雷建筑等

级的划分，因此定性为第二类防雷建筑物。

3.2加氢站建筑分别采用不同的防雷措施

3.2.1防直击雷措施

放散管的保护采用了预放电避雷针做接闪器保护。安亭加氢

站的放散管，管高10m，带管帽，放散压力为1.6MPa。根据《建

筑物防雷设计规范》3.3.2条规定，第二类防雷建筑物的防雷措施

中，排放爆炸危险气体、蒸气或粉尘的放散管、呼吸阀、排风管

等的管口外的以下空间应处于接闪器的保护范围内，当有管帽时

应按表1确定，接闪器与雷闪的接触点应设在上述空间之外。

而《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》2.3.7条规定，

对于易燃物质轻于空气，通风良好且为第二级释放源的主要生产

装置区，其爆炸危险区域的范围划分，宜符合下列规定，以释放

源为中心，半径为4.5m，顶部与释放源的距离为7.5m，及释放

源至地坪以上的范围内划为2区。根据前面已经阐述的氢的本身

性质特点，参照爆炸危险环境的区域划分，因此考虑爆炸危险区

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域需在防雷保护范围内，所以在计算避雷针高度的时候，避雷针

接闪点在2区爆炸危险区域外，本设计对于放散管的防雷保护采

用预放电避雷针作为防雷接闪器。

预放电避雷针的保护半径Rp根据法国国家标准《提前放电

避雷针应用和测试标准》(NFC17-102：1995)计算(国内关于预放

电避雷针无相关标准规范，特参照法国国家标准)。

安亭加氢站的放散管高度为10m，管口上方7.5m应是保护

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范围。根据20m高度提前预防电时间为50μs的预放电避雷针的

保护曲线和安亭加氢站的站区平面布置图，得出：设计中的预放

电避雷针可以保护放散管及其管口外的区域，见图1。

通过以上对于预放电避雷针的保护曲线的计算，站区生产设

备区内的压缩机、卸车处、储氢瓶组区以及其2区爆炸危险环境

均已在保护曲线内，因此，站区内其他工艺设备区域不在单独设

置防雷接闪装置。

3.2.2防雷电感应和防雷电波侵入措施

加氢站内所有的工艺设备、管道、建筑物构架、电缆金属外

皮、保护钢管两端、天棚钢屋架、铁窗和突出屋面的放散管、风

管等均接到站区接地网上。站房内配电箱以及现场设备控制箱均

装有SPD电涌吸收装置，以此防雷电感应以及雷电波侵入。

3.3对于接地的设计思路

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3.3.1站区内防雷、防静电以及工作接地

对于防雷接地、防静电接地以及工作接地采用总等电位接地，

共用接地装置，接地电阻不大于1Ω。在接地中采用了总等电位接

地，将防雷接地、防静电接地以及工作接地全部接入站区接地网

中。例如，雷击时，高电压击中避雷针，大电流通过放电进入到

地下，避雷针接地系统电位被迅速抬高，这时如果避雷针没有与

站区的接地网连接，站区的接地网的电位还维持在原状，这时避

雷针的接地网的电位与站区内接地网的电位之间就形成了电位

差，如果两个接地网之间的距离保持足够大的话，不会形成放电

间隙，不会发生反击，但是安亭加氢站占地面积有限，安全间距

不够，这样就会造成避雷针的接地网对站区内接地网进行放电，

形成反击，同样这时人如果在避雷针边时，在两脚间会形成跨步

电压，发生雷击事故。因此，在站区内使用共用接地装置，并形

成网格，采用了总等电位的设计思路，避免形成独立接地网之间

的电位差，从而避免雷击事故。

3.3.2站区内防静电措施以及防静电接地

(1)防静电措施：防静电主要考虑站区内地面以上以及在管沟

内的工艺管道。在工艺管道的始端、终端、分支处用镀锌扁钢把

所有管道跨接。工艺管道的法兰接头、金属软管两端、胶管两端

（装卸接头与金属管道）间,采用断面不小于6mm2的绞铜线跨

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接。在平行管道之间采用绞铜线跨接，跨接点的间距不大于30m，

在氢气压缩机、氢气压力调节阀组间、加氢机等设备的进出管道

处、不同爆炸危险环境边界、可燃气体管道分岔处及长距离无分

支管道每隔50m处，均设防静电接地卡。

(2)防静电接地的考虑：在氢气卸车区、氢气罐束车区、压缩

机区和加氢区均设置了防静电接地装置，接地装置接入站区接地

网内，以便于工艺设备、氢气槽车、加氢车辆以及地面以上工艺

管道和人员操作需要临时就近防静电接地，在工艺管沟内预留了

接地扁铁，并与沟边角钢连接，且接入站区接地网内。

4结论

安亭加氢站于2006年底完成建设并投入运营。目前，已正

常运营两年有余。通过这次加氢站的设计，对加氢站的建设提供

了可参照的先例，是爆炸危险环境中的防雷、防静电、接地等安

全措施在加氢站中的一次实践，并且针对加氢站的特殊性，提出

了特殊的解决方案。为加快燃料汽车的发展提供了客观条件以及

物质基础。