本文從錄井現(xiàn)場工作的實(shí)際出發(fā)，利用國內(nèi)外在野外儀器設(shè)備防雷系統(tǒng)的最新研究成果，結(jié)合錄井現(xiàn)場儀器設(shè)備的實(shí)際情況，通過調(diào)研國內(nèi)外不同型號(hào)綜合錄井儀設(shè)備的特征，探討井場直接防雷和室內(nèi)間接防雷的先進(jìn)防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，尤其在室內(nèi)防雷器的選型和介入方法上進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期用于不同型號(hào)的綜合錄井儀的防雷措施中。

《現(xiàn)代石油井場電氣安全》一書涉及石油井場儀表、電氣的安全運(yùn)行及防雷接地方法，點(diǎn)擊微網(wǎng)右下角“課程圖書”了解詳情。

雷電對(duì)錄井儀器設(shè)備的主要入侵形式是直接雷擊和間接雷擊，其中間接雷擊包括：雷電的間接引入（由信號(hào)線或電纜線引入）、雷電感應(yīng)和雷電波的入侵。 

1.1　直接雷擊防護(hù)方案

直接雷擊防雷系統(tǒng)主要由接閃器、引導(dǎo)線、接地裝置等部分組成，雷擊于避雷針后，強(qiáng)大的雷電流通過接地引線至接地裝置泄入大地，如圖1所示。錄井現(xiàn)場的避雷針系統(tǒng)由架設(shè)在井架頂端的接閃器通過引導(dǎo)線與各個(gè)錄井儀器房進(jìn)行連接，儀器房接有地線裝置進(jìn)行泄流。 

1.1.1　井場避雷針系統(tǒng)保護(hù)范圍計(jì)算

單避雷針保護(hù)范圍計(jì)算方法［2］如圖2所示。從避雷針接閃器針的頂點(diǎn)向下作45°斜線，構(gòu)成錐形保護(hù)空間的上部，在其H／2處轉(zhuǎn)折，與地面上距針底各方向1.5　H 處相連接，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下的斜線，即構(gòu)成保護(hù)空間的下半部。井場避雷針系統(tǒng)設(shè)置如下：接閃器設(shè)置在井場井架的頂部，引導(dǎo)線沿著井架垂直方向鋪設(shè)，一般長度為40ｍ，接地線介入地下5ｍ；井場錄井儀器房的安裝位置Ｌ 一般位于距離井架50～100ｍ 處；錄井現(xiàn)場儀器設(shè)備房的高度H0一般為10ｍ；不同型號(hào)的井架高度有所不同，取其平均值40ｍ。井場避雷針系統(tǒng)的保護(hù)半徑Rｘ的計(jì)算公式為：

Rｘ＝B（1.5H －2H0） （1）

式中：

Rｘ為井場避雷針系統(tǒng)的保護(hù)半徑，ｍ；

H 為井場井架上接閃器頂端與地面的距離，ｍ；

H0為錄井儀器房的高度，ｍ；

B 為高度影響系數(shù)。 

一般井架高度都會(huì)大于30ｍ，系數(shù)B 取值依據(jù)《GB 50057－2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》：當(dāng)H≤30ｍ，B＝1；當(dāng)30ｍ＜H ≤120ｍ，B＝5.5。實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中宜取B＝5.5。

依據(jù)公式（1）和實(shí)際的參數(shù)值計(jì)算，可得井場避雷針系統(tǒng)的保護(hù)范圍Rｘ為220ｍ。 

1.1.2　錄井儀器房處于保護(hù)范圍內(nèi)

實(shí)際錄井儀器房距離井架的中心點(diǎn)的位置Ｌ一般為50～100ｍ，可見Ｌ＜Rｘ，因此在井架處設(shè)置避雷針系統(tǒng)，可以保護(hù)錄井儀器設(shè)備不遭遇直接雷擊危害。 

1.2　間接雷擊防護(hù)方案

錄井現(xiàn)場雷電間接引入的方式主要有：傳感器的信號(hào)線和儀器房的供電電纜線引入、衛(wèi)星信號(hào)線的引入以及雷電感應(yīng)和雷電脈沖的間接影響。間接雷擊的防護(hù)措施主要是在所需防護(hù)設(shè)備的前端介入防雷器（SPD），但要根據(jù)錄井現(xiàn)場的實(shí)際以及與錄井儀器設(shè)備的兼容性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等多方面進(jìn)行綜合考量，從而選擇最優(yōu)的方案、最合適的防護(hù)措施。

1.2.1　間接雷擊的入侵方式

雷電間接侵入錄井設(shè)備最為常見的方式是經(jīng)由傳感器信號(hào)線和儀器房的供電電纜以及電動(dòng)脫氣器的供電電纜，雷擊最有可能首先發(fā)生在鉆井井架，雷電因錄井傳感器與井架的良好連接而進(jìn)入錄井儀器房；其次是感應(yīng)雷擊，雷電放電在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，能使金屬部件之間產(chǎn)生火花，一般500ｍ范圍內(nèi)的電子信息設(shè)備均是其破壞對(duì)象；再次是雷電波入侵架空線路或金屬管道，沿著這些途徑入侵室內(nèi)，危及人身安全、損壞設(shè)備。雷電電磁脈沖防護(hù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，雷電入侵中電子信息設(shè)備的損壞主要是雷電感應(yīng)浪涌電壓造成的，它可以通過各種引線把感應(yīng)浪涌電壓波引入電子信息設(shè)備內(nèi)部，破壞其芯片和接口。

1.2.2　錄井儀器設(shè)備保護(hù)分區(qū)

根據(jù)以上分析不難看出，必須對(duì)錄井儀器設(shè)備按照其重要程度進(jìn)行保護(hù)級(jí)別的分區(qū)，依據(jù)ＩEC（國際電工委員會(huì)）雷電保護(hù)區(qū)的劃分要求，如圖3所示。錄井儀器設(shè)備分級(jí)保護(hù)如下： 

（1）錄井儀器房本身及傳感器的接線系統(tǒng)因處于井場井架避雷針系統(tǒng)的保護(hù)范圍內(nèi)，故屬于很少遭到直接雷擊區(qū)域，但該區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減，定義為LPZ0B區(qū)。

（2）錄井儀器設(shè)備電源系統(tǒng)，其中包括UPS電源系統(tǒng)及市電供電系統(tǒng)，位于儀器設(shè)備房內(nèi)部屬于不可能遭受直接雷擊且流經(jīng)各類導(dǎo)體的電流比LPZ0B區(qū)進(jìn)一步減小的區(qū)域，定義為LPZ1區(qū)，實(shí)行B級(jí)保護(hù)。

（3）錄井儀器設(shè)備通信系統(tǒng)，包括隔離柵、節(jié)點(diǎn)等，位于儀器房內(nèi)，其重要程度較高，是受電磁場或電流場影響嚴(yán)重的區(qū)域，定義為LPZ2區(qū)，實(shí)行C級(jí)保護(hù)。

（4）錄井儀器設(shè)備計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是較為脆弱的部分，也是最容易遭遇電磁場或電流場影響的區(qū)域，將該區(qū)定義為LPZ3區(qū)，實(shí)行D級(jí)保護(hù)。

1.2.3　錄井儀器設(shè)備不同級(jí)別的保護(hù)措施

不論是要確保各系統(tǒng)，特別是資料采集系統(tǒng)正常運(yùn)行，不受雷電所造成的過電流、過電壓的干擾和破壞，還是保護(hù)機(jī)房不致被雷電襲擊，首先是要阻斷所有的雷擊入侵渠道，實(shí)行分區(qū)和等電位連接的原則，并結(jié)合機(jī)房的實(shí)際情況按規(guī)范正確實(shí)施。

（1）B級(jí)保護(hù)措施。采用架設(shè)井場井架避雷針系統(tǒng)，同時(shí)在UPS供電系統(tǒng)中加入防雷開關(guān)的措施實(shí)施保護(hù)。

（2）C、D級(jí)保護(hù)措施。采用在設(shè)備前端介入防雷器SPD，同時(shí)對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還要采用DBSE技術(shù)，即分流、均壓、接地、屏蔽4項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，確保達(dá)到多重保護(hù)、層層防護(hù)的目的。

由于井場架設(shè)井架避雷針系統(tǒng)與UPS加入防雷開關(guān)保護(hù)措施較為簡單易行，這里不作系統(tǒng)介紹，以下重點(diǎn)介紹錄井儀器設(shè)備C、D級(jí)保護(hù)措施的具體實(shí)施和防雷器的介入辦法。

2.1　防雷器的介入方法

防雷器是一種電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器（英文縮寫SPD）［3］，為錄井儀器設(shè)備C、D級(jí)保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，它的基本原理是在最短時(shí)間（nS級(jí)）內(nèi)將被保護(hù)線路連入等電位系統(tǒng)中，使設(shè)備各端口電位相等，同時(shí)釋放系統(tǒng)中因雷擊而產(chǎn)生的大量脈沖能量，并短路泄放到大地，降低設(shè)備各接口端的電位差，從而保護(hù)線路上用戶的設(shè)備［2］。對(duì)錄井儀器設(shè)備而言，傳感器供電線路和傳感器信號(hào)線路是雷電襲擊產(chǎn)生過電壓并傳導(dǎo)的兩條主要通道，因此錄井現(xiàn)場必須將防雷器介入于傳感器接線與隔離柵或節(jié)點(diǎn)之間，才能達(dá)到防止間接雷電入侵的目的。

本文以隔離柵作為信號(hào)傳輸硬件設(shè)備的綜合錄井儀為例，介紹錄井現(xiàn)場儀器設(shè)備房內(nèi)部C、D級(jí)防護(hù)防雷器的介入方法。為了達(dá)到防雷效果，需將防雷器的介入方法與DBSE技術(shù)結(jié)合使用，因此需在錄井儀器設(shè)備傳感器信號(hào)接入的接線銅排和接線總成及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)3處A、B、C引入接地點(diǎn)，如圖4所示。 

2.2　防雷器的選型

2.2.1　防雷器選型原則

依據(jù)對(duì)錄井儀器設(shè)備防雷保護(hù)級(jí)別的分類，在實(shí)施C、D級(jí)保護(hù)的儀器設(shè)備中既包含電流、電壓信號(hào)的隔離柵等，還包括網(wǎng)絡(luò)接口裝置，因此防雷器選擇時(shí)必須考慮既能節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，又便于現(xiàn)場安裝維護(hù)的要求。選型的總體原則為：

（1）兼容性。防雷器的兼容性是能否應(yīng)用到錄井現(xiàn)場并起到較好防雷效果的關(guān)鍵，由于錄井傳感器通過信號(hào)線和供電線返回隔離柵或節(jié)點(diǎn)處的是4～20mA電流信號(hào)，SPD在選型時(shí)應(yīng)考慮電子設(shè)備的相容性，應(yīng)滿足錄井儀器設(shè)備信號(hào)傳輸速率、工作電平、網(wǎng)絡(luò)類型的需要，同時(shí)其接口應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備兼容［4－6］。

（2）特殊性。錄井現(xiàn)場設(shè)備供電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的特殊性決定防雷器在選用SPD電源時(shí)要考慮供電系統(tǒng)的形式、額定電壓和信號(hào)接口的連接及信號(hào)的輸入、輸出方式等因素；同時(shí)SPD串接在線路中，在選用時(shí)應(yīng)選用插入損耗較小的SPD，正確安裝才能收到預(yù)期的效果［7］。 

2.2.2　防雷器的技術(shù)參數(shù)

（1）交流標(biāo)稱電壓。錄井現(xiàn)場設(shè)備供電分為220V、380V，而國外引進(jìn)的新型錄井儀電源為110V，因此選擇防雷器的標(biāo)稱電壓應(yīng)為220V／380V／110V，可調(diào)。

（2）最大放電電流Ｉmax。考慮到錄井設(shè)備的實(shí)際載荷情況，選用Ｉmax為100～150kA，8／20～10／35μS為宜。