石油物探地震采集设备防雷击新装置的研发及应用

许永安 凌有江 柳海龙 王 懂 李宪宝 何 俊

（中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072750）

0 引言

每年因采集设备雷击损坏造成的损失巨大。如何有效减少雷击损失、提高雷电天气作业效率，一直是非常棘手的难题。笔者一直持续研究如何加强地面采集设备受雷击时的抗击能力，取得了一定成效，由于雷电发生迅速且强度巨大，有时加强受击能力的装置往往来不及起作用，采集设备即被雷击损坏，始终不能取得根本性效果。通过打破思维定势，运用创新思维，理论联系实践，分析问题根本原因，继续研发新的解决方案和新的装置，以期根本有效地解决该生产技术难题。

1 预防雷击的技术难点

由于雷电不宜把控且发生迅速，以及工区内物探地震采集设备数量多、采集设备存在设计缺陷等因素，采集设备防雷击十分困难，具体技术难点如下：1）直观判断雷电强度和落雷概率的难度很大。目前野外作业中判断落雷概率的方法为传统的依靠天气预报和看云及听雷的方法。工区内气象预报精度低，难以做到精准预警雷电，不能科学直观地判断雷电强度和落雷概率，过晚停产会导致雷击损坏采集设备或过早停产会损失生产时间。2）采集设备未及时断电，导致采集设备被雷击损坏。在野外地震采集时采集设备须带弱电作业，在其周围形成电场，当雷电闪击时，极易通过被电离的空气及导线形成放电回路，导致采集设备受到损坏。某工区3条没有接电瓶且相互连接的备用排列，在受到雷击后没有被雷击损坏，而紧邻的及其他区域接电瓶的排列都有被雷击损坏。3）采集设备之间的连接未及时断开，导致更多采集设备受雷击损坏。在野外采集时排列间处于连接状态，雷电侵入产生的雷电波易在采集设备之间的传输，导致更多采集设备损坏。在雷电将至时，提前断开排列之间连接，明显减少了雷击损坏地面采集设备。4）由于采集站为塑料材质，屏蔽雷电能力不强，雷电容易侵入，导致采集设备被雷击损坏。从理论上分析，由高斯定理可知，通过一个闭合金属曲面的总磁通量为0。因此，设计金属屏蔽层是科学的。国家防雷电规范（6.2章节）也提到采用合适的设备屏蔽措施，以尽量减少电磁脉冲感应带来的破坏[1]。从现场调研发现，428仪器只有采集站和检波器损坏，而电源站因是金属外壳，接地良好，基本没有因雷击损坏。5）采集站接地不良导致采集设备被雷击损坏。根据采集设备内部的防雷器原理，接地良好是基础关键。例如Sercel 428仪器的电源站和交叉站外壳金属材质接地良好，几乎未出现过由于雷击损坏的情况。由于采集站设计原因，接地铁片接地不良，雷电压无法及时泄荷到地下，因此，加载于采集站的残存电压过大导致采集站电路损坏。

2 防雷击解决思路

该防雷击整体系统包括雷电预警装置预警器、遥控通断系统、金属屏蔽层、接地桩，预期可达到预防雷击和加强受击能力效果，具体解决思路如下。

2.1 研制雷电预警器

针对不能科学直观判断雷电强度和落雷概率的难题，采取“加装雷电预警器”预防雷击方案。由于海外项目多为无公网信号地区，因此，须自行研制基于无线电传输模式的雷电预警器。仪器人员可以通过监视雷电强度对应的落雷概率，进行科学地把控。

2.2 研制遥控通断系统

针对采集设备未及时断电和连接未及时断开，导致采集设备被雷击损坏的难题，运用“TRIZ”创新方法，将其他行业领域技术车辆远程熄火技术引入该行业领域，研制了基于无线电传输模式的自动遥控通断系统，提前快速断开排列电瓶和排列之间连接的预防雷击方案，解决该行业领域生产中的问题[2]。

2.2.1 工作原理

发射端单片机检测到接通按键按下后，发射端lora模块将发射端单片机的接通指令发射到接收端lora模块；lora模块将收到的指令传送到接收端单片机，单片机对接收到的数据进行校验无误后，对电机驱动电路发送正转指令，电机正向旋转，带动机械机构接通触点。断开触点同理。将该通断系统接收端的触点串接在电瓶和电源站之间，即可实现遥控通断电瓶与电源站之间的连接。同理，将接收端的触点串接在电源站和大线之间，即可实现通断排列之间的连接。参见图1。

图1 遥控通断系统程序流程图

2.2.2 通断系统遥控电路软硬件研制

应用单片机技术+C语言编程，研制通断系统遥控电路[3-4]。

2.2.3 通断系统遥控电路与无线电模块对接

单片机与无线模块采用串口通信模式进行数据交换，系统需要将通信模块也进行相同的设置。单片机以串行数据格式将数据发送给模块，模块收到数据后，将数据再转发出去。

2.2.4 壳体和机电执行机械结构的设计和优化

利用双向电机转动，推动与电机连接的螺杆正反方向旋转，从而推动与该螺杆连接的触点行进，以实现移动触点与固定触点间的接触和隔离。由于移动触点与固定触点分别与电瓶电源线以及与排列两端相连，因此，移动触点与固定触点的接触和隔离即等同于将电瓶电源线以及排列接通和断开。并且移动触点与固定触点之间的物理间隔距离为5cm以上，远大于空气被雷电击穿的距离，因此可保证在雷电时机构处于隔离状态的触点间不被雷电击穿，是安全可靠的。

2.2.5 遥控通断系统测试

遥控通断系统测试：1）无线电、控制电路的功能稳定性测试。将接收端控制电路输出端接上一个双向电机，通过发射端交替发送断开和接通指令，观察双向电机能否同步正常实现与指令对应的正反转。重复测试100次，功能稳定。2）遥控通断系统的通信距离和功能稳定性测试。一名测试人员定时通过发射端按一定频率交替发送断开和接通指令，另一名测试人员携带接收端逐渐远离发射端，并时刻监控接收端通断指示灯变化情况。直至接收端指示灯变化与发射端通断指令不同步，记录此时接收端与发射端之间的距离。经测试发现，在开阔地带最远有效控制距离15km以上，且功能稳定。3）验证遥控通断系统的通信、控制电路、机电执行机构的功能稳定性。将接收端成品连接1个灯炮。一名测试人员通过发射端向接收端交替发送接通和断开指令，另一名测试人员通过观察于接收端连接的灯泡的点亮和熄灭，来判断接收端内部执行机构的触点是否真正处于接通和断开状态，重复该测试100次，功能稳定。4）应用该遥控通断系统通断排列电瓶与人工通断排列电瓶所用时间比测试。应用该遥控通断系统，操作人员遥控通断附近排列电瓶，并记录所用时间。工作人员行至同一排列连接电瓶处，人工通断排列电瓶，并记录所用时间。经测试发现，应用该科研产品通断排列电瓶比人工通断排列电瓶更快速。参见表1。

表1 2种通断方式所用平均时间对比

2.3 喷涂金属屏蔽层

针对采集站接地不良导致采集设备被雷击损坏的问题，采取“喷涂金属屏蔽层” 方案加强受击能力。

对比选用结合附着力强、价格适中、导电性能良好的镀锌自喷漆。在采集站塑料外壳喷涂0.5mm厚镀锌金属屏蔽层。改善了采集设备内外磁通量不平衡，增强了雷电时采集站对雷电的屏蔽能力，减少了雷电侵入概率。

2.4 研制接地桩

针对采集站接地不良导致采集设备被雷击损坏的问题，采用“加装金属接地桩” 方案加强泄荷能力。

选用轻薄金属材质，设计合页铰接式可折叠结构，并设计有固定卡箍和接地铁片收纳卡箍，这样接地桩很容易加装固定在采集站上。解决了采集设备接地片过小问题，加强了卸荷能力，减少了残余电压。

3 防雷击系统整体测试与应用

在雷电实验室对防雷击装置真实有效性分项进行了模拟落雷测试。参见图2。

图2 模拟落雷测试该防雷击装置

具体测试方法：将采集设备放置于模拟雷电场中，在采集设备上先后加装各防雷击装置，分别测量并记录加装各装置时采集设备中雷电感应电压值压制效果，并进行了破坏性对比测试。经测试，发现各测试项均符合判定指标。雷电实验室测试结果验证这些装置真正具有防雷击作用。

在2个国内项目进行了功能应用试验。通过雷电预警系统，仪器操作员可直观监视雷电强度，并能科学把控；一键秒通断电瓶和排列；而采集站喷涂的金属屏蔽层加强了屏蔽雷电效果，减少了雷电侵入概率；即使有雷电侵入，大部分从加装的接地桩泄荷到地下；未被泄荷的雷电波也不会在预先断开的排列中传播，避免损坏更多采集设备。实现了“科学把控、一键通断、加强屏蔽、加强卸荷”的目标。经应用试验达到了设计效果，且功能稳定。参见图3。

图3 应用试验示意图

通过雷电实验室测试和生产应用试验，验证能有效实现排列和电瓶的快速遥控通断，减少采集设备雷击损坏和生产时间损失，大幅度降低劳动强度，达到预期设计目标。

4 结论

该文涉及的预防雷击和加强受击能力新方案新装置，为石油物探行业地面采集设备预防雷击损坏，提供了一个科学创新性解决方案。1）该方案装置研制基于防雷击理论+实践论证，及雷击损坏采集设备根本原因分析，可削弱雷电对采集设备的侵入强度，减少雷电波在采集设备中的传播条件，并兼顾加强受击能力措施，因此，能根本有效地减少采集设备雷击损坏率。2）该装置能进一步埋设石油物探野外作业的自动化程度，可为石油物探作业保障安全生产、提高作业效率、降低劳动强度、减少生产成本发挥巨大作用。