彭章保 梁鵬 李海濤 晉琨 劉宇閑

[摘 要]油氣田數(shù)字化站點的防雷問題一直是困擾油氣田企業(yè)的問題之一。隨著近年來信息技術的發(fā)展，企業(yè)管理者逐漸意識到油氣田數(shù)字化站點抗干擾及防雷優(yōu)化改造的重要性?；诖?，通過分析油氣田場站數(shù)字化系統(tǒng)中雷電影響和設備之間信號干擾的成因，借助SPD、信號隔離安全柵等產品減少數(shù)字化站點內PLC機柜信號干擾和雷電損害。

[關鍵詞]雷電防護;抗干擾;油氣田數(shù)字化

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.18.044

[中圖分類號]F270.7[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）18-00-02

1? ? ?現(xiàn)代雷電防護原理

1.1? ?信息系統(tǒng)易受雷擊原因

隨著信息技術的發(fā)展，油田場站內數(shù)字化程度越來越高，各類弱電設備日益增多，雷電對設備的損害更加明顯。其中，雷電損害途徑一般為：①雷電以雷電波的形式利用通信電路侵入設備系統(tǒng)，導致設備受到損壞;②建筑物受到雷擊或者附近位置受到雷擊放電后，產生的空間電磁感應發(fā)生瞬間電壓過高，導致設備網絡環(huán)路受損;③雷擊后在供電耦合的作用下破壞設備;④由于現(xiàn)場接地工作質量較差，雷擊時大地出現(xiàn)點位反擊;⑤在靜電感應的作用下，瞬變電荷發(fā)生反應。電磁場在閃電或者靜電的作用下產生環(huán)境瞬變，在以上途徑的傳導下將大量電流引入信息系統(tǒng)內，導致信息系統(tǒng)在面對浪涌電壓以及電磁脈沖時對電壓的耐受性變差，這是信息系統(tǒng)損害的主要原因。

1.2? ?雷電襲擊方式

1.2.1? ?直接受到雷電襲擊

建筑物或者設備、金屬線纜在沒有保護的情況下直接受到雷電的襲擊。在一瞬間會產生幾萬至幾十萬伏的高壓電，還會產生火花放電，這樣設備會受到大量熱能以及機械能的作用，容易受到損壞。

1.2.2? ?受雷電波影響

建筑物和設備并不會受到雷電的直接襲擊，但雷電會擊中和建筑物關聯(lián)的傳導管件，將傳導管件導入建筑物內，容易破壞數(shù)字化網絡如（計算機、通訊系統(tǒng)等）。

1.2.3? ?雷擊產生的強電磁場的破壞作用

雷擊時產生的電流會讓建筑物周圍瞬間產生較強的電磁場，導致電磁脈沖輻射發(fā)生，讓他們周圍的導體上產生極高的電動勢，電動勢導致耦合電流產生，造成相連設備破損。

1.2.4? ?由地電位反擊引發(fā)的損壞

設備接地的方式存在一定的差異性，如果設備之間沒有進行等電位的連接，雷擊產生的電流向大地釋放時，電流之間的差異性會導致地電位發(fā)生變化，如果此時地點位之間的差值大于設備的絕緣強度，會導致設備被擊穿并放電，破壞設備運行。

1.3? ?防護雷電、過電壓的有效措施

1.3.1? ?利用接閃防護

構建外部的防雷系統(tǒng)指利用接閃針、接地裝置以及引下線的方式保護容易受到雷擊影響的建筑和設備，讓其不直接暴露在雷電中。在發(fā)生雷電時，接閃針可以將雷電產生的較大電流在引下線的作用下直接導入地下，利用地網釋放雷電，這種方式可以保護設備不會受到雷電直接襲擊。

1.3.2? ?將雷擊產生的電流進行分流

將建筑物的電源線以及天線饋線設置在防雷區(qū)的交接位置，并保證其處于終端設備之前。在《雷電電磁脈沖防護標準》IEC 1312的相關規(guī)定中，選擇并安裝不同類別的電源類SPD、通訊網絡類SPD及天線饋線類SPD（SPD瞬態(tài)過電壓保護器），利用SPD將雷電產生的電流在瞬間導入地下。在數(shù)字化防雷工作中，SPD可以保護數(shù)字化設備免遭雷電損害。

1.3.3? ?做好設備間的等電位連接

對設備間進行等電位連接。首先，將均壓環(huán)設置在需要保護的范圍內;其次，建筑物的主鋼筋應該連接接閃器以及地網，在中間部位連接均壓網或者均壓帶，在上中下3層的相互作用下達到保護設備的目的，或者直接將建筑物連接的金屬物進行等電位均壓連接，將不同地線進行等電位處理。這樣一來，建筑物就是一個高質量的等電位體，在受到雷擊后，建筑物內部以及建筑的附近位置都處于等電位的狀態(tài)，不會因為地電位的反擊造成設備損壞。

1.3.4? ?減少電磁干擾，進行安全防護

減少電磁干擾最好的方式就是屏蔽電磁。雷電電磁脈沖會對金屬設備或線路產生輻射，因此，為了避免設備受到輻射，企業(yè)需要將建筑物的鋼筋利用含有金屬屏蔽層的電纜構建法拉第籠，采用構建金屬屏蔽層、金屬管槽、埋地線等方式，減少電磁干擾對設備的影響。

1.3.5? ?按要求設置電氣距離以及布線

設定電氣之間的距離以及在布線過程中按照《建筑物防雷設計規(guī)范》的規(guī)定進行設置，以更好地避免線路之間以及線路與設備之間受到雷擊產生較高的電壓，避免設備損壞。

1.3.6? ?防雷接地

接地在防雷系統(tǒng)工作中起到關鍵的作用，接地能將雷擊產生的電流釋放到地下，將雷擊產生的電荷以及SPD分流電流分散到大地中，與大地異種電荷相吸，減少破壞。

2? ? ?產生PLC干擾的因素與解決措施

工業(yè)生產中，儀表、系統(tǒng)以及執(zhí)行機構的應用較多，從低頻直流到高頻脈沖類的信號、從mV-A的信號傳輸，種類多樣。建成系統(tǒng)后，儀表與設備之間經常出現(xiàn)信號干擾情況，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響人員操作。除了儀表和設備本身的原因外，還有以下原因。

2.1? ?多點接地形成“接地環(huán)路”影響

系統(tǒng)連接存在多點接地，這樣電勢差就會出現(xiàn)在信號參考點之間，電勢差形成的接地環(huán)路會導致信號在傳輸中出現(xiàn)誤差。根據國家標準與實踐，解決接地環(huán)路造成的信號失真問題主要有3種渠道。第一，工作現(xiàn)場的設備都不接地，讓現(xiàn)場只有一個接地點。但在實際現(xiàn)場應用中，部分設備只有接地才能保證電阻值和操作人員的安全。即便都不接地，個別設備可能因為過舊產生絕緣性下降的情況，也會產生新的接地點。第二，設法讓兩接地點的電勢相同，這種方法實施性較差，因為接地點的電阻受到多種不可控條件的影響。第三，安裝信號隔離器隔斷環(huán)路，這樣既不影響信號傳輸，也能解決接地環(huán)路問題。

2.2? ?電磁干擾、高頻信號滲入影響

在工業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)中，會遇到測量信號不穩(wěn)定的情況：一種由電磁干擾引起;另一種由高頻信號滲入引起。如電流信號輸出控制變頻器，變頻器高頻干擾滲入信號中，導致控制室變頻器和閥門工作不穩(wěn)定、不正常。根據實驗結果可知，想要減少電磁干擾、高頻信號滲入影響，在兩個設備信號連接之間加信號隔離柵是最有效的方法之一。信號隔離柵采用電源、輸入和輸出三端隔離技術，打破干擾地環(huán)路，消除干擾信號。通過IO卡件形成接地回路，確保控制信號的純凈和穩(wěn)定。同時，隔離柵自身具有較強的濾波功能，在自身受到強干擾的情況下，抑制干擾信號的傳播，保障信號的穩(wěn)定。因此，在現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)中間采用隔離柵，解決現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)的不利影響，這是油田自控回路抗干擾的有效措施之一。

3? ? ?實施設計

3.1? ?概述

我國工業(yè)領域專業(yè)防雷抗干擾廠家咸陽坤寧微電子研究所提出了相應設計方案，解決了場站內防雷及PLC信號干擾問題，通過現(xiàn)場測試，完成兩個雷暴季檢驗，解決站內數(shù)字化的長久痛點問題，為數(shù)字化站點抗干擾及防雷改造的二次優(yōu)化設計帶來新思路。利用改造室內均壓、站點以及數(shù)字化地網、配電室接地方式，減少電位差;通過光纖線路保護、增加電涌保護器、隔離柵對網絡交換機、PLC模塊和現(xiàn)場儀表進行保護，防止交換機網口、PLC模塊、現(xiàn)場儀表受外界雷電感應效應造成的串擾損害。

3.2? ?設計依據

①《建筑物防雷設計規(guī)范》GB 50057-2010;②《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB 50343-2012;③《雷電電磁脈沖的防護》IEC 1312;④《低壓配電設計規(guī)范》GB 50054-2011;⑤《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》GB 15599-2009;⑥《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設計規(guī)范》GB 50395-2007;⑦《儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)范》HG/T 20513-2000;⑧《等電位聯(lián)結安裝圖集》02D 501-2;⑨《井場和增壓點數(shù)字化管理建設要求》Q/SYCQ 3356-2009。

3.3? ?改造措施

①聯(lián)合改造站點地網、數(shù)字化地網、配電室地網接地以及室內均壓接地，使其達成均壓，最大限度地減少電位差;聯(lián)合接地電阻小于1歐姆。②進站低壓配電柜（數(shù)字化取電）安裝三相電源防雷保護器作為前級保護，型號為KNF 380-40，最大放電電流為80 kA，并聯(lián)安裝。③視頻服務器視頻線、控制線、電源線接入端口安裝三合一電涌保護器，型號為KNF 24-D12YD-D12BNC，防止或抑制視頻線、控制線、電源線受外界電磁效應、雷電感應效應對視頻服務器造成的串擾損害。④加強網絡交換機保護，網絡柜內交換機網線接入端口安裝網絡電涌保護器，型號為KNF C8-RJ45，防止網線受外界電磁效應、雷電感應效應對數(shù)據交換機造成的串擾損害。⑤安裝保護光纖，光纖的鋼絲金屬構件和防護外殼都是金屬導體，光纖在進入光電轉換器前應該做好接地工作，避免損壞轉換器。⑥站內PLC機柜信號采集、控制卡輸入、輸出端口安裝電涌保護型安全柵，型號為KN 5042GLB、KN 5045GLB，防止或抑制控制線受外界電磁效應、雷電感應效應對PLC卡件造成的串擾損害（1#輸油泵進口壓力、1#輸油泵出口壓力、2#輸油泵進口壓力、2#輸油泵出口壓力、1#事故罐液位、2#事故罐液位、外輸管線溫度、外輸管線壓力、外輸管線流量計）。⑦站內現(xiàn)場儀表輸入、輸出端口安裝變送器專用電涌保護器，型號為KNF 36i-I，防止或抑制現(xiàn)場儀表受外界電磁效應、雷電感應效造成的串擾損害（1#輸油泵進口壓力、1#輸油泵出口壓力、2#輸油泵進口壓力、2#輸油泵出口壓力、1#事故罐液位、2#事故罐液位、外輸管線溫度、外輸管線壓力、外輸管線流量計）。⑧將所有來自現(xiàn)場的信號線纜屏蔽層以最短的距離接入柜內等電位連接排（備用電纜不接地，電纜的備用芯不接地，備用芯線宜在電纜終端處進行絕緣處理）。

4? ? ?結 語

通過現(xiàn)場試驗，站內數(shù)字化系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，信號監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力增強，雷雨季數(shù)字化設備損壞率降低90%，促進生產運行，減少了維護成本。

主要參考文獻

[1]于建國.風電場的防雷優(yōu)化與改造[C]//第三屆中國風電后市場專題研討會論文集，2016.