許永安 凌有江 柳海龍 王 懂 李憲寶 何 俊

（中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750）

0 引言

每年因采集設(shè)備雷擊損壞造成的損失巨大。如何有效減少雷擊損失、提高雷電天氣作業(yè)效率，一直是非常棘手的難題。筆者一直持續(xù)研究如何加強(qiáng)地面采集設(shè)備受雷擊時(shí)的抗擊能力，取得了一定成效，由于雷電發(fā)生迅速且強(qiáng)度巨大，有時(shí)加強(qiáng)受擊能力的裝置往往來不及起作用，采集設(shè)備即被雷擊損壞，始終不能取得根本性效果。通過打破思維定勢，運(yùn)用創(chuàng)新思維，理論聯(lián)系實(shí)踐，分析問題根本原因，繼續(xù)研發(fā)新的解決方案和新的裝置，以期根本有效地解決該生產(chǎn)技術(shù)難題。

1 預(yù)防雷擊的技術(shù)難點(diǎn)

由于雷電不宜把控且發(fā)生迅速，以及工區(qū)內(nèi)物探地震采集設(shè)備數(shù)量多、采集設(shè)備存在設(shè)計(jì)缺陷等因素，采集設(shè)備防雷擊十分困難，具體技術(shù)難點(diǎn)如下：1）直觀判斷雷電強(qiáng)度和落雷概率的難度很大。目前野外作業(yè)中判斷落雷概率的方法為傳統(tǒng)的依靠天氣預(yù)報(bào)和看云及聽雷的方法。工區(qū)內(nèi)氣象預(yù)報(bào)精度低，難以做到精準(zhǔn)預(yù)警雷電，不能科學(xué)直觀地判斷雷電強(qiáng)度和落雷概率，過晚停產(chǎn)會導(dǎo)致雷擊損壞采集設(shè)備或過早停產(chǎn)會損失生產(chǎn)時(shí)間。2）采集設(shè)備未及時(shí)斷電，導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞。在野外地震采集時(shí)采集設(shè)備須帶弱電作業(yè)，在其周圍形成電場，當(dāng)雷電閃擊時(shí)，極易通過被電離的空氣及導(dǎo)線形成放電回路，導(dǎo)致采集設(shè)備受到損壞。某工區(qū)3條沒有接電瓶且相互連接的備用排列，在受到雷擊后沒有被雷擊損壞，而緊鄰的及其他區(qū)域接電瓶的排列都有被雷擊損壞。3）采集設(shè)備之間的連接未及時(shí)斷開，導(dǎo)致更多采集設(shè)備受雷擊損壞。在野外采集時(shí)排列間處于連接狀態(tài)，雷電侵入產(chǎn)生的雷電波易在采集設(shè)備之間的傳輸，導(dǎo)致更多采集設(shè)備損壞。在雷電將至?xí)r，提前斷開排列之間連接，明顯減少了雷擊損壞地面采集設(shè)備。4）由于采集站為塑料材質(zhì)，屏蔽雷電能力不強(qiáng)，雷電容易侵入，導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞。從理論上分析，由高斯定理可知，通過一個(gè)閉合金屬曲面的總磁通量為0。因此，設(shè)計(jì)金屬屏蔽層是科學(xué)的。國家防雷電規(guī)范（6.2章節(jié)）也提到采用合適的設(shè)備屏蔽措施，以盡量減少電磁脈沖感應(yīng)帶來的破壞[1]。從現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，428儀器只有采集站和檢波器損壞，而電源站因是金屬外殼，接地良好，基本沒有因雷擊損壞。5）采集站接地不良導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞。根據(jù)采集設(shè)備內(nèi)部的防雷器原理，接地良好是基礎(chǔ)關(guān)鍵。例如Sercel 428儀器的電源站和交叉站外殼金屬材質(zhì)接地良好，幾乎未出現(xiàn)過由于雷擊損壞的情況。由于采集站設(shè)計(jì)原因，接地鐵片接地不良，雷電壓無法及時(shí)泄荷到地下，因此，加載于采集站的殘存電壓過大導(dǎo)致采集站電路損壞。

2 防雷擊解決思路

該防雷擊整體系統(tǒng)包括雷電預(yù)警裝置預(yù)警器、遙控通斷系統(tǒng)、金屬屏蔽層、接地樁，預(yù)期可達(dá)到預(yù)防雷擊和加強(qiáng)受擊能力效果，具體解決思路如下。

2.1 研制雷電預(yù)警器

針對不能科學(xué)直觀判斷雷電強(qiáng)度和落雷概率的難題，采取“加裝雷電預(yù)警器”預(yù)防雷擊方案。由于海外項(xiàng)目多為無公網(wǎng)信號地區(qū)，因此，須自行研制基于無線電傳輸模式的雷電預(yù)警器。儀器人員可以通過監(jiān)視雷電強(qiáng)度對應(yīng)的落雷概率，進(jìn)行科學(xué)地把控。

2.2 研制遙控通斷系統(tǒng)

針對采集設(shè)備未及時(shí)斷電和連接未及時(shí)斷開，導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞的難題，運(yùn)用“TRIZ”創(chuàng)新方法，將其他行業(yè)領(lǐng)域技術(shù)車輛遠(yuǎn)程熄火技術(shù)引入該行業(yè)領(lǐng)域，研制了基于無線電傳輸模式的自動(dòng)遙控通斷系統(tǒng)，提前快速斷開排列電瓶和排列之間連接的預(yù)防雷擊方案，解決該行業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)中的問題[2]。

2.2.1 工作原理

發(fā)射端單片機(jī)檢測到接通按鍵按下后，發(fā)射端lora模塊將發(fā)射端單片機(jī)的接通指令發(fā)射到接收端lora模塊；lora模塊將收到的指令傳送到接收端單片機(jī)，單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)無誤后，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送正轉(zhuǎn)指令，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)接通觸點(diǎn)。斷開觸點(diǎn)同理。將該通斷系統(tǒng)接收端的觸點(diǎn)串接在電瓶和電源站之間，即可實(shí)現(xiàn)遙控通斷電瓶與電源站之間的連接。同理，將接收端的觸點(diǎn)串接在電源站和大線之間，即可實(shí)現(xiàn)通斷排列之間的連接。參見圖1。

圖1 遙控通斷系統(tǒng)程序流程圖

2.2.2 通斷系統(tǒng)遙控電路軟硬件研制

應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)+C語言編程，研制通斷系統(tǒng)遙控電路[3-4]。

2.2.3 通斷系統(tǒng)遙控電路與無線電模塊對接

單片機(jī)與無線模塊采用串口通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)需要將通信模塊也進(jìn)行相同的設(shè)置。單片機(jī)以串行數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給模塊，模塊收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)出去。

2.2.4 殼體和機(jī)電執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

利用雙向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)與電機(jī)連接的螺桿正反方向旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)與該螺桿連接的觸點(diǎn)行進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)間的接觸和隔離。由于移動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)分別與電瓶電源線以及與排列兩端相連，因此，移動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)的接觸和隔離即等同于將電瓶電源線以及排列接通和斷開。并且移動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間的物理間隔距離為5cm以上，遠(yuǎn)大于空氣被雷電擊穿的距離，因此可保證在雷電時(shí)機(jī)構(gòu)處于隔離狀態(tài)的觸點(diǎn)間不被雷電擊穿，是安全可靠的。

2.2.5 遙控通斷系統(tǒng)測試

遙控通斷系統(tǒng)測試：1）無線電、控制電路的功能穩(wěn)定性測試。將接收端控制電路輸出端接上一個(gè)雙向電機(jī)，通過發(fā)射端交替發(fā)送斷開和接通指令，觀察雙向電機(jī)能否同步正常實(shí)現(xiàn)與指令對應(yīng)的正反轉(zhuǎn)。重復(fù)測試100次，功能穩(wěn)定。2）遙控通斷系統(tǒng)的通信距離和功能穩(wěn)定性測試。一名測試人員定時(shí)通過發(fā)射端按一定頻率交替發(fā)送斷開和接通指令，另一名測試人員攜帶接收端逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射端，并時(shí)刻監(jiān)控接收端通斷指示燈變化情況。直至接收端指示燈變化與發(fā)射端通斷指令不同步，記錄此時(shí)接收端與發(fā)射端之間的距離。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在開闊地帶最遠(yuǎn)有效控制距離15km以上，且功能穩(wěn)定。3）驗(yàn)證遙控通斷系統(tǒng)的通信、控制電路、機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能穩(wěn)定性。將接收端成品連接1個(gè)燈炮。一名測試人員通過發(fā)射端向接收端交替發(fā)送接通和斷開指令，另一名測試人員通過觀察于接收端連接的燈泡的點(diǎn)亮和熄滅，來判斷接收端內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)是否真正處于接通和斷開狀態(tài)，重復(fù)該測試100次，功能穩(wěn)定。4）應(yīng)用該遙控通斷系統(tǒng)通斷排列電瓶與人工通斷排列電瓶所用時(shí)間比測試。應(yīng)用該遙控通斷系統(tǒng)，操作人員遙控通斷附近排列電瓶，并記錄所用時(shí)間。工作人員行至同一排列連接電瓶處，人工通斷排列電瓶，并記錄所用時(shí)間。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該科研產(chǎn)品通斷排列電瓶比人工通斷排列電瓶更快速。參見表1。

表1 2種通斷方式所用平均時(shí)間對比

2.3 噴涂金屬屏蔽層

針對采集站接地不良導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞的問題，采取“噴涂金屬屏蔽層” 方案加強(qiáng)受擊能力。

對比選用結(jié)合附著力強(qiáng)、價(jià)格適中、導(dǎo)電性能良好的鍍鋅自噴漆。在采集站塑料外殼噴涂0.5mm厚鍍鋅金屬屏蔽層。改善了采集設(shè)備內(nèi)外磁通量不平衡，增強(qiáng)了雷電時(shí)采集站對雷電的屏蔽能力，減少了雷電侵入概率。

2.4 研制接地樁

針對采集站接地不良導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞的問題，采用“加裝金屬接地樁” 方案加強(qiáng)泄荷能力。

選用輕薄金屬材質(zhì)，設(shè)計(jì)合頁鉸接式可折疊結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)有固定卡箍和接地鐵片收納卡箍，這樣接地樁很容易加裝固定在采集站上。解決了采集設(shè)備接地片過小問題，加強(qiáng)了卸荷能力，減少了殘余電壓。

3 防雷擊系統(tǒng)整體測試與應(yīng)用

在雷電實(shí)驗(yàn)室對防雷擊裝置真實(shí)有效性分項(xiàng)進(jìn)行了模擬落雷測試。參見圖2。

圖2 模擬落雷測試該防雷擊裝置

具體測試方法：將采集設(shè)備放置于模擬雷電場中，在采集設(shè)備上先后加裝各防雷擊裝置，分別測量并記錄加裝各裝置時(shí)采集設(shè)備中雷電感應(yīng)電壓值壓制效果，并進(jìn)行了破壞性對比測試。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)各測試項(xiàng)均符合判定指標(biāo)。雷電實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果驗(yàn)證這些裝置真正具有防雷擊作用。

在2個(gè)國內(nèi)項(xiàng)目進(jìn)行了功能應(yīng)用試驗(yàn)。通過雷電預(yù)警系統(tǒng)，儀器操作員可直觀監(jiān)視雷電強(qiáng)度，并能科學(xué)把控；一鍵秒通斷電瓶和排列；而采集站噴涂的金屬屏蔽層加強(qiáng)了屏蔽雷電效果，減少了雷電侵入概率；即使有雷電侵入，大部分從加裝的接地樁泄荷到地下；未被泄荷的雷電波也不會在預(yù)先斷開的排列中傳播，避免損壞更多采集設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了“科學(xué)把控、一鍵通斷、加強(qiáng)屏蔽、加強(qiáng)卸荷”的目標(biāo)。經(jīng)應(yīng)用試驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，且功能穩(wěn)定。參見圖3。

圖3 應(yīng)用試驗(yàn)示意圖

通過雷電實(shí)驗(yàn)室測試和生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證能有效實(shí)現(xiàn)排列和電瓶的快速遙控通斷，減少采集設(shè)備雷擊損壞和生產(chǎn)時(shí)間損失，大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

該文涉及的預(yù)防雷擊和加強(qiáng)受擊能力新方案新裝置，為石油物探行業(yè)地面采集設(shè)備預(yù)防雷擊損壞，提供了一個(gè)科學(xué)創(chuàng)新性解決方案。1）該方案裝置研制基于防雷擊理論+實(shí)踐論證，及雷擊損壞采集設(shè)備根本原因分析，可削弱雷電對采集設(shè)備的侵入強(qiáng)度，減少雷電波在采集設(shè)備中的傳播條件，并兼顧加強(qiáng)受擊能力措施，因此，能根本有效地減少采集設(shè)備雷擊損壞率。2）該裝置能進(jìn)一步埋設(shè)石油物探野外作業(yè)的自動(dòng)化程度，可為石油物探作業(yè)保障安全生產(chǎn)、提高作業(yè)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少生產(chǎn)成本發(fā)揮巨大作用。