摘要：早在人類文明尚未萌芽之際，雷電便已在宇宙間活躍，它既扮演著大自然的清潔工角色，為地球生態(tài)循環(huán)增添了神秘色彩，也以獨特的方式引導了人類對燃燒現(xiàn)象的理解以及電力的探索；然而，雷電的力量亦如雙刃劍，對人類的生活和生產(chǎn)活動構(gòu)成潛在威脅，它不僅是生命的潛在殺手，還常常對建筑結(jié)構(gòu)和電子裝置造成毀滅性的打擊。雷擊放電主要分為直接命中和感應效應兩種形式，早年間由于電子技術(shù)的局限，這些影響并不顯著，僅需簡單的避雷設施就能應對；然而，隨著數(shù)字化油田時代的到來，計算機監(jiān)控系統(tǒng)、通信設備和自動化儀表等高科技產(chǎn)品深入到石油開采的各個環(huán)節(jié)，雷電感應的風險急劇上升，隨之而來的是經(jīng)濟損失的顯著增長，這無疑提出了新的挑戰(zhàn)和防護需求。
1、存在的主要問題
雷電放電現(xiàn)象由單次或多個獨立的閃電爆發(fā)構(gòu)成，每一次釋放出的電流強度極高且脈沖短暫，通常在10,000到100,000安培的區(qū)間內(nèi)發(fā)生，持續(xù)時間少于百萬分之一秒。雷擊放電主要分為直擊放電和感應放電兩大類：直擊放電指雷電直接命中設備表面或內(nèi)部元件，雖然可能帶來巨大的沖擊電流，但在避雷針和接地系統(tǒng)的保護作用下，其潛在風險相對較??；而感應放電則是由雷暴產(chǎn)生的瞬態(tài)電流激發(fā)，它能引發(fā)強烈的電磁場并輻射出電磁波。當這些電磁波影響到供電線路時，會形成極高的感應電壓，從而對電子設備，尤其是那些廣泛應用在石油開采中的精密儀器造成破壞。隨著計算機技術(shù)、無線通信和自動化儀表的迅速網(wǎng)絡化與智能化，各類電子設備如雨后春筍般涌入石油開采領域。這些設備多依賴于集成電路，但它們在絕緣性能、耐壓能力和抗電磁干擾方面存在顯著弱點。一旦遭遇雷擊，如果沒有適當?shù)姆雷o措施，輕則可能導致設備故障，重則可能危及操作人員的生命安全，釀成嚴重的生產(chǎn)事故。因此，對雷電防護的研究和實施顯得尤為重要。
2、儀器儀表雷電與浪涌防護電路設計
2.1雷擊防護原理
雷電防范策略分為兩個層次：初次直擊防護和二次感應防護。當雷電徑直命中目標時，我們稱其為一次直擊雷。為了抵御這種威脅，通常會采用避雷針和避雷網(wǎng)等裝置，它們的作用在于導引雷電，使其經(jīng)由地線導入大地，釋放能量。在此過程中，地表的電阻作用會導致雷電流在地面形成顯著的電壓分布，即所謂的分布電壓。而這個分布電壓，以及由此引發(fā)的電磁場影響，構(gòu)成了一次雷擊后的潛在風險，即二次雷擊。二次雷擊主要表現(xiàn)為設備供電中突發(fā)的高電壓沖擊，這會顯著增加電子設備特別是儀表遭受雷擊的概率。對于戶外設施如儀表和電纜，首要策略是遠離避雷裝置，以避免直接受雷擊；其次，降低設備和天線的安裝高度，能有效降低遭雷擊的可能性，從而減輕潛在的損害。在諸如風力發(fā)電、氣象監(jiān)測和通信基站這類系統(tǒng)中，設備往往位于高處，如鐵塔。這就要求這些設備不僅要應對一次直擊雷，還需防范因雷電感應進入線路帶來的二次損害。因此，全面的雷電防護設計至關(guān)重要，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和人員安全。
2.2直擊雷防護設計
在防止直擊雷的策略中，廣泛采用的是地網(wǎng)（等電位體）的集成。等電位體是一系列與大地緊密相連的導體，它們之間的跨步距離標準要求小于20米。在建筑物內(nèi)部，諸如鋼筋和水管這樣的基礎設施因其優(yōu)良的導電性，常被用于構(gòu)建等電位體，這種設計不僅有助于防雷，還能有效地削弱電磁兼容中的共模干擾信號。當雷擊擊中天線或結(jié)構(gòu)時，由于天線與地網(wǎng)相連，整個系統(tǒng)的電位同步上升，所有通過地網(wǎng)連接的設備接觸點也隨之升高。然而，這并不影響儀器儀表內(nèi)部與外部的電位差，保持基本穩(wěn)定。我國的低壓供電系統(tǒng)通常采用TN-C配置，其中N代表中性線，PE則是保護接地線，后者允許多點接地。PEN線的功能多元，既可以充當中性線，也可以作為保護接地線。在實際安裝中，我們會將三相電的中性線連接到等電位體（接地平臺），而儀器儀表的接地線則進一步與等電位體相連，形成一種效果，即中性線兩端均接地。這樣，三相的中性線與大地處于等電位狀態(tài)，儀器儀表的接地端也是如此，確保了系統(tǒng)的整體電氣安全。
2.3二次防雷防護設計
盡管地網(wǎng)理論上能承受一定程度的電荷，但其實際容量有限，且地網(wǎng)面積受限，接地電阻也不可能全無。因此，在雷擊事件中，地網(wǎng)與周邊設施間的電位差顯著。當遠程儀器的供電線路遭遇雷擊時，首先，高電壓會在設備接地點瞬間形成，隨后因落地電阻擴散，形成對儀器儀表輸入端與用戶接地間的大規(guī)模突涌電壓沖擊。其次，雷擊還會通過輸電線路引發(fā)強烈的感應電壓，這些電壓以行進波的形式沿線路傳至設備，傳輸距離雖有差異，但依然不容忽視。理想的突涌電壓吸收時機應為雷電流上升階段，即從0.1到0.9的上升期，約為5至8微秒。然而，線路中的突涌電壓會快速衰減，通常對應于1000至2000米的線路長度。針對長途輸電，僅需關(guān)注首尾15公里的防雷措施。盡管地下傳輸?shù)睦纂娝俣冗h低于地面，但在城市郊區(qū)和農(nóng)村普遍采用裸導線，易受二次雷擊的突涌電壓影響，設備極易受損。為此，風力發(fā)電機和通信塔等場所應優(yōu)先考慮地下鋪設電源和通信線路，至少20米長度，并采取靜電防護措施，以增強電磁兼容性能。在工業(yè)環(huán)境中，隔離變壓器的設計能進一步提升系統(tǒng)的防雷和電磁兼容性。
2.4儀器儀表雷擊防護電路的設計
在設計儀器儀表的防雷擊電路時，首要策略是在電路輸入端集成高效的EMC濾波系統(tǒng)，旨在同時消除高頻電磁干擾（EMI）的傳導影響，并有效抑制電源線路及突發(fā)的電壓脈沖。為了確保核心芯片和組件免受過壓和過流損害，電路設計需特別關(guān)注這些關(guān)鍵部分的靜電防護，通過實施有效的共模和差模干擾抑制，提升儀表信號的精確度。儀器儀表的金屬外殼利用法拉第籠原理，具備卓越的靜電屏蔽能力，但必須確保接地以防止雜散電流的積累。在實際設計中，金屬外殼與電路板之間的距離至少應保持3毫米以上，以防止在脈沖測試期間發(fā)生尖端放電，從而損害易損的芯片和模塊。針對一類或二類設備的安全標準，外殼強制接地是必不可少的，且外殼僅需與大地、兩個Y電容相連，禁止額外的電路連接。防雷擊電路的關(guān)鍵元件包括：浪涌抑制電感線圈、陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、X型防浪涌電容、半導體閘流管（TVS）、繼電器和隔離變壓器等。在電路設計過程中，根據(jù)各元件的特性和性能，如壓敏電阻快速響應但耐壓較低，應置于EMC濾波后的位置；而氣體放電管雖然啟動慢但耐壓高，應安置在輸入電路前端。然而，氣體放電管的放電過程可能時間較長，且存在殘壓，穩(wěn)定性有待提高。
3、結(jié)論
隨著科技領域的蓬勃發(fā)展，數(shù)字化油田建設的前沿技術(shù)日益豐富，儀器儀表設備扮演著關(guān)鍵角色。然而，如何確保這些精密設備免受雷電侵襲，已逐漸成為油田建設中不容忽視的議題。盡管現(xiàn)有的防護手段無法徹底排除雷電風險，但通過持續(xù)優(yōu)化策略，我們可以顯著降低遭受雷擊的可能性。強調(diào)預防優(yōu)于治療，我們必須積極擁抱創(chuàng)新，汲取國際上先進的防雷策略和教訓，不斷強化我們工廠的雷電防護體系，以確保員工和設備始終處于最安全的狀態(tài)。
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