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(dú)特的方式引導(dǎo)了人類對(duì)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(duì)人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)構(gòu)成潛在威脅，它不僅是生命的潛在殺手，還常常對(duì)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(yīng)效應(yīng)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(jiǎn)單的避雷設(shè)施就能應(yīng)對(duì)；然而，隨著數(shù)字化油田時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、通信設(shè)備和自動(dòng)化儀表等高科技產(chǎn)品深入到石油開采的各個(gè)環(huán)節(jié)，雷電感應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)急劇上升，隨之而來的是經(jīng)濟(jì)損失的顯著增長(zhǎng)，這無疑提出了新的挑戰(zhàn)和防護(hù)需求。
1、存在的主要問題
雷電放電現(xiàn)象由單次或多個(gè)獨(dú)立的閃電爆發(fā)構(gòu)成，每一次釋放出的電流強(qiáng)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(shí)間少于百萬分之一秒。雷擊放電主要分為直擊放電和感應(yīng)放電兩大類：直擊放電指雷電直接命中設(shè)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(hù)作用下，其潛在風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小；而感應(yīng)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(qiáng)烈的電磁場(chǎng)并輻射出電磁波。當(dāng)這些電磁波影響到供電線路時(shí)，會(huì)形成極高的感應(yīng)電壓，從而對(duì)電子設(shè)備，尤其是那些廣泛應(yīng)用在石油開采中的精密儀器造成破壞。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信和自動(dòng)化儀表的迅速網(wǎng)絡(luò)化與智能化，各類電子設(shè)備如雨后春筍般涌入石油開采領(lǐng)域。這些設(shè)備多依賴于集成電路，但它們?cè)诮^緣性能、耐壓能力和抗電磁干擾方面存在顯著弱點(diǎn)。一旦遭遇雷擊，如果沒有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，輕則可能導(dǎo)致設(shè)備故障，重則可能危及操作人員的生命安全，釀成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，對(duì)雷電防護(hù)的研究和實(shí)施顯得尤為重要。
2、儀器儀表雷電與浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)
2.1雷擊防護(hù)原理
雷電防范策略分為兩個(gè)層次：初次直擊防護(hù)和二次感應(yīng)防護(hù)。當(dāng)雷電徑直命中目標(biāo)時(shí)，我們稱其為一次直擊雷。為了抵御這種威脅，通常會(huì)采用避雷針和避雷網(wǎng)等裝置，它們的作用在于導(dǎo)引雷電，使其經(jīng)由地線導(dǎo)入大地，釋放能量。在此過程中，地表的電阻作用會(huì)導(dǎo)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(gè)分布電壓，以及由此引發(fā)的電磁場(chǎng)影響，構(gòu)成了一次雷擊后的潛在風(fēng)險(xiǎn)，即二次雷擊。二次雷擊主要表現(xiàn)為設(shè)備供電中突發(fā)的高電壓沖擊，這會(huì)顯著增加電子設(shè)備特別是儀表遭受雷擊的概率。對(duì)于戶外設(shè)施如儀表和電纜，首要策略是遠(yuǎn)離避雷裝置，以避免直接受雷擊；其次，降低設(shè)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(fēng)力發(fā)電、氣象監(jiān)測(cè)和通信基站這類系統(tǒng)中，設(shè)備往往位于高處，如鐵塔。這就要求這些設(shè)備不僅要應(yīng)對(duì)一次直擊雷，還需防范因雷電感應(yīng)進(jìn)入線路帶來的二次損害。因此，全面的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和人員安全。
2.2直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)
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(dǎo)體，它們之間的跨步距離標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)設(shè)施因其優(yōu)良的導(dǎo)電性，常被用于構(gòu)建等電位體，這種設(shè)計(jì)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(hào)。當(dāng)雷擊擊中天線或結(jié)構(gòu)時(shí)，由于天線與地網(wǎng)相連，整個(gè)系統(tǒng)的電位同步上升，所有通過地網(wǎng)連接的設(shè)備接觸點(diǎn)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(guó)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(hù)接地線，后者允許多點(diǎn)接地。PEN線的功能多元，既可以充當(dāng)中性線，也可以作為保護(hù)接地線。在實(shí)際安裝中，我們會(huì)將三相電的中性線連接到等電位體（接地平臺(tái)），而儀器儀表的接地線則進(jìn)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(hù)設(shè)計(jì)
盡管地網(wǎng)理論上能承受一定程度的電荷，但其實(shí)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(shè)施間的電位差顯著。當(dāng)遠(yuǎn)程儀器的供電線路遭遇雷擊時(shí)，首先，高電壓會(huì)在設(shè)備接地點(diǎn)瞬間形成，隨后因落地電阻擴(kuò)散，形成對(duì)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(huì)通過輸電線路引發(fā)強(qiáng)烈的感應(yīng)電壓，這些電壓以行進(jìn)波的形式沿線路傳至設(shè)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(shí)機(jī)應(yīng)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(huì)快速衰減，通常對(duì)應(yīng)于1000至2000米的線路長(zhǎng)度。針對(duì)長(zhǎng)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(yuǎn)低于地面，但在城市郊區(qū)和農(nóng)村普遍采用裸導(dǎo)線，易受二次雷擊的突涌電壓影響，設(shè)備極易受損。為此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和通信塔等場(chǎng)所應(yīng)優(yōu)先考慮地下鋪設(shè)電源和通信線路，至少20米長(zhǎng)度，并采取靜電防護(hù)措施，以增強(qiáng)電磁兼容性能。在工業(yè)環(huán)境中，隔離變壓器的設(shè)計(jì)能進(jìn)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(hù)電路的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)儀器儀表的防雷擊電路時(shí)，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(shí)消除高頻電磁干擾（EMI）的傳導(dǎo)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(shè)計(jì)需特別關(guān)注這些關(guān)鍵部分的靜電防護(hù)，通過實(shí)施有效的共模和差模干擾抑制，提升儀表信號(hào)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(shí)際設(shè)計(jì)中，金屬外殼與電路板之間的距離至少應(yīng)保持3毫米以上，以防止在脈沖測(cè)試期間發(fā)生尖端放電，從而損害易損的芯片和模塊。針對(duì)一類或二類設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)，外殼強(qiáng)制接地是必不可少的，且外殼僅需與大地、兩個(gè)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(dǎo)體閘流管（TVS）、繼電器和隔離變壓器等。在電路設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)各元件的特性和性能，如壓敏電阻快速響應(yīng)但耐壓較低，應(yīng)置于EMC濾波后的位置；而氣體放電管雖然啟動(dòng)慢但耐壓高，應(yīng)安置在輸入電路前端。然而，氣體放電管的放電過程可能時(shí)間較長(zhǎng)，且存在殘壓，穩(wěn)定性有待提高。
3、結(jié)論
隨著科技領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，數(shù)字化油田建設(shè)的前沿技術(shù)日益豐富，儀器儀表設(shè)備扮演著關(guān)鍵角色。然而，如何確保這些精密設(shè)備免受雷電侵襲，已逐漸成為油田建設(shè)中不容忽視的議題。盡管現(xiàn)有的防護(hù)手段無法徹底排除雷電風(fēng)險(xiǎn)，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(qiáng)調(diào)預(yù)防優(yōu)于治療，我們必須積極擁抱創(chuàng)新，汲取國(guó)際上先進(jìn)的防雷策略和教訓(xùn)，不斷強(qiáng)化我們工廠的雷電防護(hù)體系，以確保員工和設(shè)備始終處于最安全的狀態(tài)。
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