浅议如何降低雷电对仪器仪表的影响

高天鹏

（黑龙江省大庆市大同区第七采油厂数字化运维中心计量检定室，黑龙江 大庆 163517）

雷电在人类社会诞生之前就已经存在，在人类社会的发展中起到积极的作用，例如净化地球环境、启发人类对火的认识以及如何用电等；但是雷电也对人类生活、工作具有极大的破坏性，不仅威胁着人类生命安全，而且常使建筑设施、电子设备遭受破坏。雷击放电主要分为直接雷击放电与雷电感应放电两种类型，过去电子仪器仪表应用不多，雷电感应的危害现象也不明显，我们只需通过接闪器防护即可；如今随着数字化油田深入建设，计算机测控系统、数据通讯设备及自控仪表等电子设备被广泛地应用于油田开发中，雷电感应的危害现象明显增加，造成的经济损失也日益严重。近五年来我厂因雷电导致仪器仪表损坏数量共计100余台：葡一联合站内质量流量计、液位计、安全栅等仪表共计损坏60余台，直接经济损失50万余元。葡二联合站内二次表、液位计、安全栅等仪器仪表共计损坏40余台，直接经济损失20万余元，并且导致停产数小时。随着油田自动化程度不断提高，在降低劳动强度、增加工艺可控性的同时，对仪器仪表电子设备雷电防护提出了更高的要求，仅仅依靠接闪器已经远远不能满足雷电防护的实际需要，结合现代技术做好仪器仪表雷电防护是必不可少的工作。

1 存在的主要问题

雷击放电由一次或若干次单独的闪电组成，每次闪电都携带若干幅值很高、持续时间很短的电流，大多数闪电电流在1万～10万安培的范围之间降落，其持续时间一般小于100微秒。雷击放电主要分为直接雷击放电与雷电感应放电两种类型，直接雷击放电是指雷电直接击中设备外壳或其他部件，导入很大的浪涌电流，在避雷针与接地线的保护作用下，直接雷击放电造成的影响相对较低；雷电感应放电是指雷电闪击时瞬间释放巨大的电流，电流变化率高致使周围空间感应产生很强的电磁场，并向外辐射电磁波，当耦合至供电导线时，生成很高的感应电动势，烧毁仪器仪表，近年来，雷电感应危害现象尤为严重。随着电子计算机技术、无线通讯技术以及自控仪器仪表向网络化、智能化方向飞速发展，各式各样的仪器仪表等电子设备被广泛地应用于油田开发中，这些电子设备大部分由集成电路构成，普遍存在绝缘强度低、耐压能力差、电磁干扰敏感等弱点，一旦电子设备受到雷电侵害，若防护不当，轻则造成电子设备损坏，重则会危害操作人员生命安全，酿成严重的安全事故。通过对我厂各站库调研发现，存在以下主要问题：

（1）配电柜柜体接地不规范56项。配电柜是保护内部电气设备的金属箱体，能够起到隔离电磁辐射、防尘以及防油污的作用。由于配电柜柜体经过涂漆防腐蚀处理，柜体绝缘，接地螺丝变成“准绝缘螺丝”（如图1、图2），一旦配电柜受到雷电侵害，或供电线路绝缘损坏对外壳漏电，都可能对配电柜的仪器仪表造成损坏，接地无法起到漏电保护的作用。

图1

图2

（2）未安装防雷栅（防雷栅数目不够）53项、防雷栅接地端子未接入接地系统47项，防雷栅接地线跨接15项。防雷栅，专业名称为信号型浪涌保护器，是保护PLC控制柜内的电子设备、仪表元件、通讯线路的装置（如图3），当雷电产生的电磁波在整个回路中产生感应电流或感应电压时，浪涌保护器可以及时的将多余的电流导出分流，并浪涌电流通过接地端子引入大地，从而避免浪涌电流对回路中电子设备造成损害。防雷栅的存在必不可少，在电气回路中必须配置数量和安全栅数量相匹配的防雷栅；通常情况下，防雷栅后面的金属接地端子与配电柜导轨连接（如图4），通过配电柜柜体接入接地系统，由于配电柜经过涂漆防腐蚀处理，安装仪器仪表的导轨绝缘，浪涌保护器无法将浪涌电流引入大地，浪涌保护器就失去了浪涌防护的作用，部分防雷栅带有独立接地端，可使用导线将防雷栅接地；防雷栅应独立接地，避免发生部分线路损坏导致其余防雷栅失效；做好仪器仪表等电子设备的雷电防护工作，仅仅安装浪涌保护器是远远不够的，更重要的是将浪涌保护器合理规范的接入接地系统，这样才能真正起到雷电防护的作用。

图3

图4

（3）站内避雷针，罐区罐体、烧火间，房屋避雷带引下线接地不规范78处。站内避雷针存在的弯曲、丢失、损坏等现象，由于避雷针多数安装在站内的照明灯灯杆上，故多用梯子作为其引下线且与照明灯供电电缆相邻，梯子的材质并不符合作为引下线的要求，导电性能差，不能够及时的将雷电电流导出，容易损害照明系统；罐区罐体、烧火间存在接地线不规范、接地线缺失等现象，如遇雷击将无法起到放电的作用，可能引起火灾或仪表损坏；站内房屋（加药间、阀组间、值班室、泵房）避雷针、避雷带存在缺失、搭接不规范等问题，易造成屋内仪器仪表等部件因瞬间电流过大而损坏。

2 改进方法及可行性分析

由于雷电的侵袭无孔不入，任何单一的防护措施效果都是有限的，因此仪器仪表的雷电防护工作要采取多方面的综合防护措施。这些防护措施可概括为以下两方面：外部雷电防护措施与内部雷电防护措施。外部雷电防护措施包括接闪器、引下线和接地系统，在屋顶安装接闪杆或接闪网，在室外安装独立的接闪杆，利用热镀锌圆钢或扁钢，宜优先采用圆钢做引下线接入接地系统，避免受到直接雷击的破坏。

内部雷电防护措施是指为仪器仪表安装浪涌保护器、安全栅，利用浪涌保护器限制瞬时浪涌电压和分流浪涌电流的特性，保证仪器仪表在雷暴天气不会超过耐压极限，利用安全栅保证信号传输安全、稳定、准确。只有将外部防护措施和内部防护措施因地制宜地结合起来，贯彻整体防御思想，构成一个完整的防护系统，才能取得有效的雷电防护效果。站库仪器仪表雷电防护改进措施如下：

2.1 在合理的位置加装浪涌保护器、安全栅

对于雷电引起的浪涌电流，最好采用分级防护的方式来完成，从供电系统的入口开始逐步进行浪涌能量的吸收，对浪涌电压进行分阶段抑制。在仪器仪表配电柜安装不同规格型号的浪涌保护器，仪器仪表安装安全栅，对仪器仪表设置四级保护：

（1）在供电系统变压器低压端和大地之间安装120KA电源型浪涌保护器（单价700元/件），将高能量的浪涌电流泄放至大地。由于单井与站库变压器高压端有避雷器，而低压端普遍没有雷电防护装置，因此，雷电防护工作应从变压器低压端开始做起。

（2）在220V电源端安装60KA电源型浪涌保护器（单价200元/件），将一级浪涌保护器的剩余浪涌电流进行更完善的吸收。

（3）在仪器仪表电源端安装信号型浪涌保护器(防雷栅)，将微小而又瞬态的浪涌电流完全消除，保护耐压能力差、电磁干扰敏感的仪器仪表设备免受浪涌电流的影响。

（4）在仪器仪表信号传输线路上安装隔离式安全栅，将仪器仪表电源端、信号输入端与信号输出端三方之间相互电气隔离，防止仪器仪表电源端与信号输入端受到雷电的侵害。

2.2 依据规范布置引下线接地

将配电柜柜体、浪涌保护器接地端子、仪器仪表信号接地端利用引下线合理规范的接入接地系统，使浪涌电流通过低阻抗引下线泄放至大地，同时配电柜内的电子设备构成等电位，防止设备之间产生电位差造成电击，保护操作人员和仪器仪表设备的安全。引下线应满足机械强度高、耐腐蚀和热稳定性强的要求，一般采用镀锌钢绞线，横截面积不应小于6mm2,电阻不高于10Ω。引下线接地是雷电防护的重要环节，仪器仪表如果没有通引下线接入接地系统，就会增加雷电侵害的风险。引下线应注意以下几个方面：

（1）引下线应按规范搭接、焊接：引下线搭接、焊接不规范，易引起引下线脱焊、电气连接断开、雷电流向下通道不畅通等安全隐患，引下线的搭接长度一般是其宽度的2倍，在焊接时应使用三面焊接防止脱焊，引下线的焊接部位应清理掉焊渣后作防腐处理。

（2）引下线数量应符合标准：引下线数量不够，易引起雷电流卸放不及时，发生爆炸危险，造成不可避免的损失，中转站、联合站罐区的引下线不应少于2根，并且应在中转站、联合站内的值班室、加药间、泵房、阀组间等建筑物的四周均匀对称布置引下线，引下线的间距沿周长计算不宜大于18m。当站内值班室、加药间、泵房、阀组间等建筑物的跨度较大，无法在跨距中间设置引下线，应在跨距两端设引下线并减小其他引下线的间距，专设引下线的平均间距不应大于18m。

（3）引下线应设断接卡：中转站、联合站内的值班室、加药间、泵房、阀组间等建筑物四周存在多根引下线时，应在所有引下线上装加断接卡。如果引下线无断接卡，将会对引下线的日常维护、电阻值检测和更换造成不便，采用多根专设引下线时，一般在各引下线上距地面0.3～1.8m之间装加断接卡。有些中转站、联合站内的值班室、加药间、泵房、阀组间的建筑物使用混凝土内的钢筋、钢柱作为引下线并用中转站、联合站内的值班室、加药间、泵房、阀组间等建筑物基础作为接地体时，可不架设断接卡，但是使用钢筋作引下线时应在中转站、联合站内的值班室、加药间、泵房、阀组间等建筑物外的适当地方设置若干连接板。

（4）接地线在穿越墙体处宜套钢管或其他非金属保护套管：接地线在穿越墙体处未套钢管或其他非金属保护套管，易发生墙体挤压破坏接地线，导致电流引导不通畅或接地线断开无法传导电流等安全隐患。接地线在穿越中转站、联合站内的值班室、加药间、泵房、阀组间等建筑物的墙体时最好套上钢管或其他非金属的保护套管，如果使用钢管作为保护管，应该在钢管和接地线之间做电气连通，避免漏电。接地线、浪涌保护器连接线转弯时弯角应大于90度，弯曲半径应大于导线直径的10倍。

2.3 定期对防雷设备进行检查

站库工作人员定期对避雷针、引下线、接地端子以及浪涌保护器进行检查。发现引下线出现破损、开焊，浪涌保护器电源指示灯熄灭等现象应及时向上级有关部门汇报，及时处理或更换相应设备，在雷雨季来临之前做好防雷保障工作。

3 结语

随着科技的不断进步，越来越多的先进仪器仪表设备应用到数字化油田建设中，仪器仪表的雷电防护工作已经成为油田建设的重要内容之一。通过以上方法虽然不能完全消除雷电造成的危害，但也能够大大降低雷电侵害的风险。安全无小事，防患于未然，我们应紧跟时代的步伐，探索新技术，学习借鉴国外先进的措施和经验，不断完善我们厂雷电防护系统，有效保障人员与设备的安全。