油气田数字化站点抗干扰及防雷优化改造设计研究

彭章保 梁鹏 李海涛 晋琨 刘宇闲

[摘 要]油气田数字化站点的防雷问题一直是困扰油气田企业的问题之一。随着近年来信息技术的发展，企业管理者逐渐意识到油气田数字化站点抗干扰及防雷优化改造的重要性。基于此，通过分析油氣田场站数字化系统中雷电影响和设备之间信号干扰的成因，借助SPD、信号隔离安全栅等产品减少数字化站点内PLC机柜信号干扰和雷电损害。

[关键词]雷电防护;抗干扰;油气田数字化

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.18.044

[中图分类号]F270.7[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）18-00-02

1     现代雷电防护原理

1.1   信息系统易受雷击原因

随着信息技术的发展，油田场站内数字化程度越来越高，各类弱电设备日益增多，雷电对设备的损害更加明显。其中，雷电损害途径一般为：①雷电以雷电波的形式利用通信电路侵入设备系统，导致设备受到损坏;②建筑物受到雷击或者附近位置受到雷击放电后，产生的空间电磁感应发生瞬间电压过高，导致设备网络环路受损;③雷击后在供电耦合的作用下破坏设备;④由于现场接地工作质量较差，雷击时大地出现点位反击;⑤在静电感应的作用下，瞬变电荷发生反应。电磁场在闪电或者静电的作用下产生环境瞬变，在以上途径的传导下将大量电流引入信息系统内，导致信息系统在面对浪涌电压以及电磁脉冲时对电压的耐受性变差，这是信息系统损害的主要原因。

1.2   雷电袭击方式

1.2.1   直接受到雷电袭击

建筑物或者设备、金属线缆在没有保护的情况下直接受到雷电的袭击。在一瞬间会产生几万至几十万伏的高压电，还会产生火花放电，这样设备会受到大量热能以及机械能的作用，容易受到损坏。

1.2.2   受雷电波影响

建筑物和设备并不会受到雷电的直接袭击，但雷电会击中和建筑物关联的传导管件，将传导管件导入建筑物内，容易破坏数字化网络如（计算机、通讯系统等）。

1.2.3   雷击产生的强电磁场的破坏作用

雷击时产生的电流会让建筑物周围瞬间产生较强的电磁场，导致电磁脉冲辐射发生，让他们周围的导体上产生极高的电动势，电动势导致耦合电流产生，造成相连设备破损。

1.2.4   由地电位反击引发的损坏

设备接地的方式存在一定的差异性，如果设备之间没有进行等电位的连接，雷击产生的电流向大地释放时，电流之间的差异性会导致地电位发生变化，如果此时地点位之间的差值大于设备的绝缘强度，会导致设备被击穿并放电，破坏设备运行。

1.3   防护雷电、过电压的有效措施

1.3.1   利用接闪防护

构建外部的防雷系统指利用接闪针、接地装置以及引下线的方式保护容易受到雷击影响的建筑和设备，让其不直接暴露在雷电中。在发生雷电时，接闪针可以将雷电产生的较大电流在引下线的作用下直接导入地下，利用地网释放雷电，这种方式可以保护设备不会受到雷电直接袭击。

1.3.2   将雷击产生的电流进行分流

将建筑物的电源线以及天线馈线设置在防雷区的交接位置，并保证其处于终端设备之前。在《雷电电磁脉冲防护标准》IEC 1312的相关规定中，选择并安装不同类别的电源类SPD、通讯网络类SPD及天线馈线类SPD（SPD瞬态过电压保护器），利用SPD将雷电产生的电流在瞬间导入地下。在数字化防雷工作中，SPD可以保护数字化设备免遭雷电损害。

1.3.3   做好设备间的等电位连接

对设备间进行等电位连接。首先，将均压环设置在需要保护的范围内;其次，建筑物的主钢筋应该连接接闪器以及地网，在中间部位连接均压网或者均压带，在上中下3层的相互作用下达到保护设备的目的，或者直接将建筑物连接的金属物进行等电位均压连接，将不同地线进行等电位处理。这样一来，建筑物就是一个高质量的等电位体，在受到雷击后，建筑物内部以及建筑的附近位置都处于等电位的状态，不会因为地电位的反击造成设备损坏。

1.3.4   减少电磁干扰，进行安全防护

减少电磁干扰最好的方式就是屏蔽电磁。雷电电磁脉冲会对金属设备或线路产生辐射，因此，为了避免设备受到辐射，企业需要将建筑物的钢筋利用含有金属屏蔽层的电缆构建法拉第笼，采用构建金属屏蔽层、金属管槽、埋地线等方式，减少电磁干扰对设备的影响。

1.3.5   按要求设置电气距离以及布线

设定电气之间的距离以及在布线过程中按照《建筑物防雷设计规范》的规定进行设置，以更好地避免线路之间以及线路与设备之间受到雷击产生较高的电压，避免设备损坏。

1.3.6   防雷接地

接地在防雷系统工作中起到关键的作用，接地能将雷击产生的电流释放到地下，将雷击产生的电荷以及SPD分流电流分散到大地中，与大地异种电荷相吸，减少破坏。

2     产生PLC干扰的因素与解决措施

工业生产中，仪表、系统以及执行机构的应用较多，从低频直流到高频脉冲类的信号、从mV-A的信号传输，种类多样。建成系统后，仪表与设备之间经常出现信号干扰情况，导致系统不稳定，影响人员操作。除了仪表和设备本身的原因外，还有以下原因。

2.1   多点接地形成“接地环路”影响

系统连接存在多点接地，这样电势差就会出现在信号参考点之间，电势差形成的接地环路会导致信号在传输中出现误差。根据国家标准与实践，解决接地环路造成的信号失真问题主要有3种渠道。第一，工作现场的设备都不接地，让现场只有一个接地点。但在实际现场应用中，部分设备只有接地才能保证电阻值和操作人员的安全。即便都不接地，个别设备可能因为过旧产生绝缘性下降的情况，也会产生新的接地点。第二，设法让两接地点的电势相同，这种方法实施性较差，因为接地点的电阻受到多种不可控条件的影响。第三，安装信号隔离器隔断环路，这样既不影响信号传输，也能解决接地环路问题。

2.2   电磁干扰、高频信号渗入影响

在工业过程监控系统中，会遇到测量信号不稳定的情况：一种由电磁干扰引起;另一种由高频信号渗入引起。如电流信号输出控制变频器，变频器高频干扰渗入信号中，导致控制室变频器和阀门工作不稳定、不正常。根据实验结果可知，想要减少电磁干扰、高频信号渗入影响，在两个设备信号连接之间加信号隔离栅是最有效的方法之一。信号隔离栅采用电源、输入和输出三端隔离技术，打破干扰地环路，消除干扰信号。通过IO卡件形成接地回路，确保控制信号的纯净和稳定。同时，隔离栅自身具有较强的滤波功能，在自身受到强干扰的情况下，抑制干扰信号的传播，保障信号的稳定。因此，在现场仪表和控制系统中间采用隔离栅，解决现场干扰对控制系统的不利影响，这是油田自控回路抗干扰的有效措施之一。

3     实施设计

3.1   概述

我国工业领域专业防雷抗干扰厂家咸阳坤宁微电子研究所提出了相应设计方案，解决了场站内防雷及PLC信号干扰问题，通过现场测试，完成两个雷暴季检验，解决站内数字化的长久痛点问题，为数字化站点抗干扰及防雷改造的二次优化设计带来新思路。利用改造室内均压、站点以及数字化地网、配电室接地方式，减少电位差;通过光纤线路保护、增加电涌保护器、隔离栅对网络交换机、PLC模块和现场仪表进行保护，防止交换机网口、PLC模块、现场仪表受外界雷电感应效应造成的串扰损害。

3.2   设计依据

①《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010;②《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343-2012;③《雷电电磁脉冲的防护》IEC 1312;④《低压配电设计规范》GB 50054-2011;⑤《石油与石油设施雷电安全规范》GB 15599-2009;⑥《视频安防监控系统工程设计规范》GB 50395-2007;⑦《仪表系统接地设计规范》HG/T 20513-2000;⑧《等电位联结安装图集》02D 501-2;⑨《井场和增压点数字化管理建设要求》Q/SYCQ 3356-2009。

3.3   改造措施

①联合改造站点地网、数字化地网、配电室地网接地以及室内均压接地，使其达成均压，最大限度地减少电位差;联合接地电阻小于1欧姆。②进站低压配电柜（数字化取电）安装三相电源防雷保护器作为前级保护，型号为KNF 380-40，最大放电电流为80 kA，并联安装。③视频服务器视频线、控制线、电源线接入端口安装三合一电涌保护器，型号为KNF 24-D12YD-D12BNC，防止或抑制视频线、控制线、电源线受外界电磁效应、雷电感应效应对视频服务器造成的串扰损害。④加强网络交换机保护，网络柜内交换机网线接入端口安装网络电涌保护器，型号为KNF C8-RJ45，防止网线受外界电磁效应、雷电感应效应对数据交换机造成的串扰损害。⑤安装保护光纤，光纤的钢丝金属构件和防护外壳都是金属导体，光纤在进入光电转换器前应该做好接地工作，避免损坏转换器。⑥站内PLC机柜信号采集、控制卡输入、输出端口安装电涌保护型安全栅，型号为KN 5042GLB、KN 5045GLB，防止或抑制控制线受外界电磁效应、雷电感应效应对PLC卡件造成的串扰损害（1#输油泵进口压力、1#输油泵出口压力、2#输油泵进口压力、2#输油泵出口压力、1#事故罐液位、2#事故罐液位、外输管线温度、外输管线压力、外输管线流量计）。⑦站内现场仪表输入、输出端口安装变送器专用电涌保护器，型号为KNF 36i-I，防止或抑制现场仪表受外界电磁效应、雷电感应效造成的串扰损害（1#输油泵进口压力、1#输油泵出口压力、2#输油泵进口压力、2#输油泵出口压力、1#事故罐液位、2#事故罐液位、外輸管线温度、外输管线压力、外输管线流量计）。⑧将所有来自现场的信号线缆屏蔽层以最短的距离接入柜内等电位连接排（备用电缆不接地，电缆的备用芯不接地，备用芯线宜在电缆终端处进行绝缘处理）。

4     结 语

通过现场试验，站内数字化系统运行更加稳定，信号监控系统抗干扰能力增强，雷雨季数字化设备损坏率降低90%，促进生产运行，减少了维护成本。

主要参考文献

[1]于建国.风电场的防雷优化与改造[C]//第三届中国风电后市场专题研讨会论文集，2016.