油氣田數(shù)字化站點抗干擾及防雷優(yōu)化改造設(shè)計研究

彭章保 梁鵬 李海濤 晉琨 劉宇閑

[摘 要]油氣田數(shù)字化站點的防雷問題一直是困擾油氣田企業(yè)的問題之一。隨著近年來信息技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)管理者逐漸意識到油氣田數(shù)字化站點抗干擾及防雷優(yōu)化改造的重要性。基于此，通過分析油氣田場站數(shù)字化系統(tǒng)中雷電影響和設(shè)備之間信號干擾的成因，借助SPD、信號隔離安全柵等產(chǎn)品減少數(shù)字化站點內(nèi)PLC機柜信號干擾和雷電損害。

[關(guān)鍵詞]雷電防護;抗干擾;油氣田數(shù)字化

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.18.044

[中圖分類號]F270.7[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）18-00-02

1? ? ?現(xiàn)代雷電防護原理

1.1? ?信息系統(tǒng)易受雷擊原因

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，油田場站內(nèi)數(shù)字化程度越來越高，各類弱電設(shè)備日益增多，雷電對設(shè)備的損害更加明顯。其中，雷電損害途徑一般為：①雷電以雷電波的形式利用通信電路侵入設(shè)備系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備受到損壞;②建筑物受到雷擊或者附近位置受到雷擊放電后，產(chǎn)生的空間電磁感應(yīng)發(fā)生瞬間電壓過高，導(dǎo)致設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)路受損;③雷擊后在供電耦合的作用下破壞設(shè)備;④由于現(xiàn)場接地工作質(zhì)量較差，雷擊時大地出現(xiàn)點位反擊;⑤在靜電感應(yīng)的作用下，瞬變電荷發(fā)生反應(yīng)。電磁場在閃電或者靜電的作用下產(chǎn)生環(huán)境瞬變，在以上途徑的傳導(dǎo)下將大量電流引入信息系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致信息系統(tǒng)在面對浪涌電壓以及電磁脈沖時對電壓的耐受性變差，這是信息系統(tǒng)損害的主要原因。

1.2? ?雷電襲擊方式

1.2.1? ?直接受到雷電襲擊

建筑物或者設(shè)備、金屬線纜在沒有保護的情況下直接受到雷電的襲擊。在一瞬間會產(chǎn)生幾萬至幾十萬伏的高壓電，還會產(chǎn)生火花放電，這樣設(shè)備會受到大量熱能以及機械能的作用，容易受到損壞。

1.2.2? ?受雷電波影響

建筑物和設(shè)備并不會受到雷電的直接襲擊，但雷電會擊中和建筑物關(guān)聯(lián)的傳導(dǎo)管件，將傳導(dǎo)管件導(dǎo)入建筑物內(nèi)，容易破壞數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)如（計算機、通訊系統(tǒng)等）。

1.2.3? ?雷擊產(chǎn)生的強電磁場的破壞作用

雷擊時產(chǎn)生的電流會讓建筑物周圍瞬間產(chǎn)生較強的電磁場，導(dǎo)致電磁脈沖輻射發(fā)生，讓他們周圍的導(dǎo)體上產(chǎn)生極高的電動勢，電動勢導(dǎo)致耦合電流產(chǎn)生，造成相連設(shè)備破損。

1.2.4? ?由地電位反擊引發(fā)的損壞

設(shè)備接地的方式存在一定的差異性，如果設(shè)備之間沒有進行等電位的連接，雷擊產(chǎn)生的電流向大地釋放時，電流之間的差異性會導(dǎo)致地電位發(fā)生變化，如果此時地點位之間的差值大于設(shè)備的絕緣強度，會導(dǎo)致設(shè)備被擊穿并放電，破壞設(shè)備運行。

1.3? ?防護雷電、過電壓的有效措施

1.3.1? ?利用接閃防護

構(gòu)建外部的防雷系統(tǒng)指利用接閃針、接地裝置以及引下線的方式保護容易受到雷擊影響的建筑和設(shè)備，讓其不直接暴露在雷電中。在發(fā)生雷電時，接閃針可以將雷電產(chǎn)生的較大電流在引下線的作用下直接導(dǎo)入地下，利用地網(wǎng)釋放雷電，這種方式可以保護設(shè)備不會受到雷電直接襲擊。

1.3.2? ?將雷擊產(chǎn)生的電流進行分流

將建筑物的電源線以及天線饋線設(shè)置在防雷區(qū)的交接位置，并保證其處于終端設(shè)備之前。在《雷電電磁脈沖防護標(biāo)準(zhǔn)》IEC 1312的相關(guān)規(guī)定中，選擇并安裝不同類別的電源類SPD、通訊網(wǎng)絡(luò)類SPD及天線饋線類SPD（SPD瞬態(tài)過電壓保護器），利用SPD將雷電產(chǎn)生的電流在瞬間導(dǎo)入地下。在數(shù)字化防雷工作中，SPD可以保護數(shù)字化設(shè)備免遭雷電損害。

1.3.3? ?做好設(shè)備間的等電位連接

對設(shè)備間進行等電位連接。首先，將均壓環(huán)設(shè)置在需要保護的范圍內(nèi);其次，建筑物的主鋼筋應(yīng)該連接接閃器以及地網(wǎng)，在中間部位連接均壓網(wǎng)或者均壓帶，在上中下3層的相互作用下達到保護設(shè)備的目的，或者直接將建筑物連接的金屬物進行等電位均壓連接，將不同地線進行等電位處理。這樣一來，建筑物就是一個高質(zhì)量的等電位體，在受到雷擊后，建筑物內(nèi)部以及建筑的附近位置都處于等電位的狀態(tài)，不會因為地電位的反擊造成設(shè)備損壞。

1.3.4? ?減少電磁干擾，進行安全防護

減少電磁干擾最好的方式就是屏蔽電磁。雷電電磁脈沖會對金屬設(shè)備或線路產(chǎn)生輻射，因此，為了避免設(shè)備受到輻射，企業(yè)需要將建筑物的鋼筋利用含有金屬屏蔽層的電纜構(gòu)建法拉第籠，采用構(gòu)建金屬屏蔽層、金屬管槽、埋地線等方式，減少電磁干擾對設(shè)備的影響。

1.3.5? ?按要求設(shè)置電氣距離以及布線

設(shè)定電氣之間的距離以及在布線過程中按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定進行設(shè)置，以更好地避免線路之間以及線路與設(shè)備之間受到雷擊產(chǎn)生較高的電壓，避免設(shè)備損壞。

1.3.6? ?防雷接地

接地在防雷系統(tǒng)工作中起到關(guān)鍵的作用，接地能將雷擊產(chǎn)生的電流釋放到地下，將雷擊產(chǎn)生的電荷以及SPD分流電流分散到大地中，與大地異種電荷相吸，減少破壞。

2? ? ?產(chǎn)生PLC干擾的因素與解決措施

工業(yè)生產(chǎn)中，儀表、系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)用較多，從低頻直流到高頻脈沖類的信號、從mV-A的信號傳輸，種類多樣。建成系統(tǒng)后，儀表與設(shè)備之間經(jīng)常出現(xiàn)信號干擾情況，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響人員操作。除了儀表和設(shè)備本身的原因外，還有以下原因。

2.1? ?多點接地形成“接地環(huán)路”影響

系統(tǒng)連接存在多點接地，這樣電勢差就會出現(xiàn)在信號參考點之間，電勢差形成的接地環(huán)路會導(dǎo)致信號在傳輸中出現(xiàn)誤差。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)與實踐，解決接地環(huán)路造成的信號失真問題主要有3種渠道。第一，工作現(xiàn)場的設(shè)備都不接地，讓現(xiàn)場只有一個接地點。但在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，部分設(shè)備只有接地才能保證電阻值和操作人員的安全。即便都不接地，個別設(shè)備可能因為過舊產(chǎn)生絕緣性下降的情況，也會產(chǎn)生新的接地點。第二，設(shè)法讓兩接地點的電勢相同，這種方法實施性較差，因為接地點的電阻受到多種不可控條件的影響。第三，安裝信號隔離器隔斷環(huán)路，這樣既不影響信號傳輸，也能解決接地環(huán)路問題。

2.2? ?電磁干擾、高頻信號滲入影響

在工業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)中，會遇到測量信號不穩(wěn)定的情況：一種由電磁干擾引起;另一種由高頻信號滲入引起。如電流信號輸出控制變頻器，變頻器高頻干擾滲入信號中，導(dǎo)致控制室變頻器和閥門工作不穩(wěn)定、不正常。根據(jù)實驗結(jié)果可知，想要減少電磁干擾、高頻信號滲入影響，在兩個設(shè)備信號連接之間加信號隔離柵是最有效的方法之一。信號隔離柵采用電源、輸入和輸出三端隔離技術(shù)，打破干擾地環(huán)路，消除干擾信號。通過IO卡件形成接地回路，確保控制信號的純凈和穩(wěn)定。同時，隔離柵自身具有較強的濾波功能，在自身受到強干擾的情況下，抑制干擾信號的傳播，保障信號的穩(wěn)定。因此，在現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)中間采用隔離柵，解決現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)的不利影響，這是油田自控回路抗干擾的有效措施之一。

3? ? ?實施設(shè)計

3.1? ?概述

我國工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)防雷抗干擾廠家咸陽坤寧微電子研究所提出了相應(yīng)設(shè)計方案，解決了場站內(nèi)防雷及PLC信號干擾問題，通過現(xiàn)場測試，完成兩個雷暴季檢驗，解決站內(nèi)數(shù)字化的長久痛點問題，為數(shù)字化站點抗干擾及防雷改造的二次優(yōu)化設(shè)計帶來新思路。利用改造室內(nèi)均壓、站點以及數(shù)字化地網(wǎng)、配電室接地方式，減少電位差;通過光纖線路保護、增加電涌保護器、隔離柵對網(wǎng)絡(luò)交換機、PLC模塊和現(xiàn)場儀表進行保護，防止交換機網(wǎng)口、PLC模塊、現(xiàn)場儀表受外界雷電感應(yīng)效應(yīng)造成的串?dāng)_損害。

3.2? ?設(shè)計依據(jù)

①《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057-2010;②《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343-2012;③《雷電電磁脈沖的防護》IEC 1312;④《低壓配電設(shè)計規(guī)范》GB 50054-2011;⑤《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》GB 15599-2009;⑥《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》GB 50395-2007;⑦《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)范》HG/T 20513-2000;⑧《等電位聯(lián)結(jié)安裝圖集》02D 501-2;⑨《井場和增壓點數(shù)字化管理建設(shè)要求》Q/SYCQ 3356-2009。

3.3? ?改造措施

①聯(lián)合改造站點地網(wǎng)、數(shù)字化地網(wǎng)、配電室地網(wǎng)接地以及室內(nèi)均壓接地，使其達成均壓，最大限度地減少電位差;聯(lián)合接地電阻小于1歐姆。②進站低壓配電柜（數(shù)字化取電）安裝三相電源防雷保護器作為前級保護，型號為KNF 380-40，最大放電電流為80 kA，并聯(lián)安裝。③視頻服務(wù)器視頻線、控制線、電源線接入端口安裝三合一電涌保護器，型號為KNF 24-D12YD-D12BNC，防止或抑制視頻線、控制線、電源線受外界電磁效應(yīng)、雷電感應(yīng)效應(yīng)對視頻服務(wù)器造成的串?dāng)_損害。④加強網(wǎng)絡(luò)交換機保護，網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)交換機網(wǎng)線接入端口安裝網(wǎng)絡(luò)電涌保護器，型號為KNF C8-RJ45，防止網(wǎng)線受外界電磁效應(yīng)、雷電感應(yīng)效應(yīng)對數(shù)據(jù)交換機造成的串?dāng)_損害。⑤安裝保護光纖，光纖的鋼絲金屬構(gòu)件和防護外殼都是金屬導(dǎo)體，光纖在進入光電轉(zhuǎn)換器前應(yīng)該做好接地工作，避免損壞轉(zhuǎn)換器。⑥站內(nèi)PLC機柜信號采集、控制卡輸入、輸出端口安裝電涌保護型安全柵，型號為KN 5042GLB、KN 5045GLB，防止或抑制控制線受外界電磁效應(yīng)、雷電感應(yīng)效應(yīng)對PLC卡件造成的串?dāng)_損害（1#輸油泵進口壓力、1#輸油泵出口壓力、2#輸油泵進口壓力、2#輸油泵出口壓力、1#事故罐液位、2#事故罐液位、外輸管線溫度、外輸管線壓力、外輸管線流量計）。⑦站內(nèi)現(xiàn)場儀表輸入、輸出端口安裝變送器專用電涌保護器，型號為KNF 36i-I，防止或抑制現(xiàn)場儀表受外界電磁效應(yīng)、雷電感應(yīng)效造成的串?dāng)_損害（1#輸油泵進口壓力、1#輸油泵出口壓力、2#輸油泵進口壓力、2#輸油泵出口壓力、1#事故罐液位、2#事故罐液位、外輸管線溫度、外輸管線壓力、外輸管線流量計）。⑧將所有來自現(xiàn)場的信號線纜屏蔽層以最短的距離接入柜內(nèi)等電位連接排（備用電纜不接地，電纜的備用芯不接地，備用芯線宜在電纜終端處進行絕緣處理）。

4? ? ?結(jié) 語

通過現(xiàn)場試驗，站內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，信號監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力增強，雷雨季數(shù)字化設(shè)備損壞率降低90%，促進生產(chǎn)運行，減少了維護成本。

主要參考文獻

[1]于建國.風(fēng)電場的防雷優(yōu)化與改造[C]//第三屆中國風(fēng)電后市場專題研討會論文集，2016.