淺議如何降低雷電對儀器儀表的影響

高天鵬

（黑龍江省大慶市大同區第七采油廠數字化運維中心計量檢定室，黑龍江 大慶 163517）

雷電在人類社會誕生之前就已經存在，在人類社會的發展中起到積極的作用，例如凈化地球環境、啟發人類對火的認識以及如何用電等；但是雷電也對人類生活、工作具有極大的破壞性，不僅威脅著人類生命安全，而且常使建筑設施、電子設備遭受破壞。雷擊放電主要分為直接雷擊放電與雷電感應放電兩種類型，過去電子儀器儀表應用不多，雷電感應的危害現象也不明顯，我們只需通過接閃器防護即可；如今隨著數字化油田深入建設，計算機測控系統、數據通訊設備及自控儀表等電子設備被廣泛地應用于油田開發中，雷電感應的危害現象明顯增加，造成的經濟損失也日益嚴重。近五年來我廠因雷電導致儀器儀表損壞數量共計100余臺：葡一聯合站內質量流量計、液位計、安全柵等儀表共計損壞60余臺，直接經濟損失50萬余元。葡二聯合站內二次表、液位計、安全柵等儀器儀表共計損壞40余臺，直接經濟損失20萬余元，并且導致停產數小時。隨著油田自動化程度不斷提高，在降低勞動強度、增加工藝可控性的同時，對儀器儀表電子設備雷電防護提出了更高的要求，僅僅依靠接閃器已經遠遠不能滿足雷電防護的實際需要，結合現代技術做好儀器儀表雷電防護是必不可少的工作。

1 存在的主要問題

雷擊放電由一次或若干次單獨的閃電組成，每次閃電都攜帶若干幅值很高、持續時間很短的電流，大多數閃電電流在1萬～10萬安培的范圍之間降落，其持續時間一般小于100微秒。雷擊放電主要分為直接雷擊放電與雷電感應放電兩種類型，直接雷擊放電是指雷電直接擊中設備外殼或其他部件，導入很大的浪涌電流，在避雷針與接地線的保護作用下，直接雷擊放電造成的影響相對較低；雷電感應放電是指雷電閃擊時瞬間釋放巨大的電流，電流變化率高致使周圍空間感應產生很強的電磁場，并向外輻射電磁波，當耦合至供電導線時，生成很高的感應電動勢，燒毀儀器儀表，近年來，雷電感應危害現象尤為嚴重。隨著電子計算機技術、無線通訊技術以及自控儀器儀表向網絡化、智能化方向飛速發展，各式各樣的儀器儀表等電子設備被廣泛地應用于油田開發中，這些電子設備大部分由集成電路構成，普遍存在絕緣強度低、耐壓能力差、電磁干擾敏感等弱點，一旦電子設備受到雷電侵害，若防護不當，輕則造成電子設備損壞，重則會危害操作人員生命安全，釀成嚴重的安全事故。通過對我廠各站庫調研發現，存在以下主要問題：

（1）配電柜柜體接地不規范56項。配電柜是保護內部電氣設備的金屬箱體，能夠起到隔離電磁輻射、防塵以及防油污的作用。由于配電柜柜體經過涂漆防腐蝕處理，柜體絕緣，接地螺絲變成“準絕緣螺絲”（如圖1、圖2），一旦配電柜受到雷電侵害，或供電線路絕緣損壞對外殼漏電，都可能對配電柜的儀器儀表造成損壞，接地無法起到漏電保護的作用。

圖1

圖2

（2）未安裝防雷柵（防雷柵數目不夠）53項、防雷柵接地端子未接入接地系統47項，防雷柵接地線跨接15項。防雷柵，專業名稱為信號型浪涌保護器，是保護PLC控制柜內的電子設備、儀表元件、通訊線路的裝置（如圖3），當雷電產生的電磁波在整個回路中產生感應電流或感應電壓時，浪涌保護器可以及時的將多余的電流導出分流，并浪涌電流通過接地端子引入大地，從而避免浪涌電流對回路中電子設備造成損害。防雷柵的存在必不可少，在電氣回路中必須配置數量和安全柵數量相匹配的防雷柵；通常情況下，防雷柵后面的金屬接地端子與配電柜導軌連接（如圖4），通過配電柜柜體接入接地系統，由于配電柜經過涂漆防腐蝕處理，安裝儀器儀表的導軌絕緣，浪涌保護器無法將浪涌電流引入大地，浪涌保護器就失去了浪涌防護的作用，部分防雷柵帶有獨立接地端，可使用導線將防雷柵接地；防雷柵應獨立接地，避免發生部分線路損壞導致其余防雷柵失效；做好儀器儀表等電子設備的雷電防護工作，僅僅安裝浪涌保護器是遠遠不夠的，更重要的是將浪涌保護器合理規范的接入接地系統，這樣才能真正起到雷電防護的作用。

圖3

圖4

（3）站內避雷針，罐區罐體、燒火間，房屋避雷帶引下線接地不規范78處。站內避雷針存在的彎曲、丟失、損壞等現象，由于避雷針多數安裝在站內的照明燈燈桿上，故多用梯子作為其引下線且與照明燈供電電纜相鄰，梯子的材質并不符合作為引下線的要求，導電性能差，不能夠及時的將雷電電流導出，容易損害照明系統；罐區罐體、燒火間存在接地線不規范、接地線缺失等現象，如遇雷擊將無法起到放電的作用，可能引起火災或儀表損壞；站內房屋（加藥間、閥組間、值班室、泵房）避雷針、避雷帶存在缺失、搭接不規范等問題，易造成屋內儀器儀表等部件因瞬間電流過大而損壞。

2 改進方法及可行性分析

由于雷電的侵襲無孔不入，任何單一的防護措施效果都是有限的，因此儀器儀表的雷電防護工作要采取多方面的綜合防護措施。這些防護措施可概括為以下兩方面：外部雷電防護措施與內部雷電防護措施。外部雷電防護措施包括接閃器、引下線和接地系統，在屋頂安裝接閃桿或接閃網，在室外安裝獨立的接閃桿，利用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，宜優先采用圓鋼做引下線接入接地系統，避免受到直接雷擊的破壞。

內部雷電防護措施是指為儀器儀表安裝浪涌保護器、安全柵，利用浪涌保護器限制瞬時浪涌電壓和分流浪涌電流的特性，保證儀器儀表在雷暴天氣不會超過耐壓極限，利用安全柵保證信號傳輸安全、穩定、準確。只有將外部防護措施和內部防護措施因地制宜地結合起來，貫徹整體防御思想，構成一個完整的防護系統，才能取得有效的雷電防護效果。站庫儀器儀表雷電防護改進措施如下：

2.1 在合理的位置加裝浪涌保護器、安全柵

對于雷電引起的浪涌電流，最好采用分級防護的方式來完成，從供電系統的入口開始逐步進行浪涌能量的吸收，對浪涌電壓進行分階段抑制。在儀器儀表配電柜安裝不同規格型號的浪涌保護器，儀器儀表安裝安全柵，對儀器儀表設置四級保護：

（1）在供電系統變壓器低壓端和大地之間安裝120KA電源型浪涌保護器（單價700元/件），將高能量的浪涌電流泄放至大地。由于單井與站庫變壓器高壓端有避雷器，而低壓端普遍沒有雷電防護裝置，因此，雷電防護工作應從變壓器低壓端開始做起。

（2）在220V電源端安裝60KA電源型浪涌保護器（單價200元/件），將一級浪涌保護器的剩余浪涌電流進行更完善的吸收。

（3）在儀器儀表電源端安裝信號型浪涌保護器(防雷柵)，將微小而又瞬態的浪涌電流完全消除，保護耐壓能力差、電磁干擾敏感的儀器儀表設備免受浪涌電流的影響。

（4）在儀器儀表信號傳輸線路上安裝隔離式安全柵，將儀器儀表電源端、信號輸入端與信號輸出端三方之間相互電氣隔離，防止儀器儀表電源端與信號輸入端受到雷電的侵害。

2.2 依據規范布置引下線接地

將配電柜柜體、浪涌保護器接地端子、儀器儀表信號接地端利用引下線合理規范的接入接地系統，使浪涌電流通過低阻抗引下線泄放至大地，同時配電柜內的電子設備構成等電位，防止設備之間產生電位差造成電擊，保護操作人員和儀器儀表設備的安全。引下線應滿足機械強度高、耐腐蝕和熱穩定性強的要求，一般采用鍍鋅鋼絞線，橫截面積不應小于6mm2,電阻不高于10Ω。引下線接地是雷電防護的重要環節，儀器儀表如果沒有通引下線接入接地系統，就會增加雷電侵害的風險。引下線應注意以下幾個方面：

（1）引下線應按規范搭接、焊接：引下線搭接、焊接不規范，易引起引下線脫焊、電氣連接斷開、雷電流向下通道不暢通等安全隱患，引下線的搭接長度一般是其寬度的2倍，在焊接時應使用三面焊接防止脫焊，引下線的焊接部位應清理掉焊渣后作防腐處理。

（2）引下線數量應符合標準：引下線數量不夠，易引起雷電流卸放不及時，發生爆炸危險，造成不可避免的損失，中轉站、聯合站罐區的引下線不應少于2根，并且應在中轉站、聯合站內的值班室、加藥間、泵房、閥組間等建筑物的四周均勻對稱布置引下線，引下線的間距沿周長計算不宜大于18m。當站內值班室、加藥間、泵房、閥組間等建筑物的跨度較大，無法在跨距中間設置引下線，應在跨距兩端設引下線并減小其他引下線的間距，專設引下線的平均間距不應大于18m。

（3）引下線應設斷接卡：中轉站、聯合站內的值班室、加藥間、泵房、閥組間等建筑物四周存在多根引下線時，應在所有引下線上裝加斷接卡。如果引下線無斷接卡，將會對引下線的日常維護、電阻值檢測和更換造成不便，采用多根專設引下線時，一般在各引下線上距地面0.3～1.8m之間裝加斷接卡。有些中轉站、聯合站內的值班室、加藥間、泵房、閥組間的建筑物使用混凝土內的鋼筋、鋼柱作為引下線并用中轉站、聯合站內的值班室、加藥間、泵房、閥組間等建筑物基礎作為接地體時，可不架設斷接卡，但是使用鋼筋作引下線時應在中轉站、聯合站內的值班室、加藥間、泵房、閥組間等建筑物外的適當地方設置若干連接板。

（4）接地線在穿越墻體處宜套鋼管或其他非金屬保護套管：接地線在穿越墻體處未套鋼管或其他非金屬保護套管，易發生墻體擠壓破壞接地線，導致電流引導不通暢或接地線斷開無法傳導電流等安全隱患。接地線在穿越中轉站、聯合站內的值班室、加藥間、泵房、閥組間等建筑物的墻體時最好套上鋼管或其他非金屬的保護套管，如果使用鋼管作為保護管，應該在鋼管和接地線之間做電氣連通，避免漏電。接地線、浪涌保護器連接線轉彎時彎角應大于90度，彎曲半徑應大于導線直徑的10倍。

2.3 定期對防雷設備進行檢查

站庫工作人員定期對避雷針、引下線、接地端子以及浪涌保護器進行檢查。發現引下線出現破損、開焊，浪涌保護器電源指示燈熄滅等現象應及時向上級有關部門匯報，及時處理或更換相應設備，在雷雨季來臨之前做好防雷保障工作。

3 結語

隨著科技的不斷進步，越來越多的先進儀器儀表設備應用到數字化油田建設中，儀器儀表的雷電防護工作已經成為油田建設的重要內容之一。通過以上方法雖然不能完全消除雷電造成的危害，但也能夠大大降低雷電侵害的風險。安全無小事，防患于未然，我們應緊跟時代的步伐，探索新技術，學習借鑒國外先進的措施和經驗，不斷完善我們廠雷電防護系統，有效保障人員與設備的安全。