第八章 石油井场专用防雷系统
石油井场专用防雷系统是四川石油管理局和西南石油大学的合作开发项目，是四川石油管理2008年度科研项目（2008年科通字第35号）。
随着钻井现场微电子技术、通信技术的发展和计算机的快速普及，雷电的灾害性破坏作用也日益增多。受到破坏较严重的主要有通信设备、计算机网络和一些微电子仪器设备，石油井场开始遭到雷击破坏。
分析雷击对井场综合录井房的破坏主要有二次雷击、感应雷、静电浪涌和雷电波等多种形式。二次雷击主要是在直击雷时井架与录井房之间的放电和井架基础与录井房接地体之间的放电，感应雷是由直击雷的电流变化在与录井房连接导体上产生的感应浪涌电流，静电浪涌是雷云下端负电荷感应在录井房连接导体上产生的静电释放浪涌，雷电波是云层之间雷击时空间辐射电磁波入侵到井场设备。
四川属高雷暴地区，四川油气田大部分钻机在雷暴区，近年来，频繁遭受雷击，先后造成石油钻井井场录井系统、视频监视系统、顶驱、参数仪及井队指挥系统办公设备等被雷击破坏，造成一定损失，石油钻井井场的防雷成为一项重要的安全措施，因此四川石油管理局和西南石油大学合作开发了石油钻井井场专用防雷系统。
第一节 石油井场专用防雷系统综合工程
石油井场专用防雷系统实际上是一个综合防雷工程，包括钻探公司水电队、钻井队、综合录井队等单位同时进行的防雷工程。
一、水电队防雷工程内容
（一）总等电位联结及接地
井场总等电位联结的敷设，即在井场沿主要金属构件敷设长度不大于100m、截面积为35mm2的铝芯双色电线，其等电位联结电阻值不大于0.2Ω。
接地体的埋设，即将总等电位联结线重复接地，确保接地电阻值小于4Ω。
对主要金属构件进行等电位联结电阻检测，凡等电位联结电阻值大于0.2Ω时，应采取等电位联结。
对发电房、电控房、顶驱房等重要金属构件采取双联结，即在房体对角处接地螺栓同时与总等电位联结电缆进行连接。
生活区重要设施接地，即队长室、会议室等重要房体进行单独接地。
（二）防雷器的安装
1．生活区防雷器安装，即对生活区队长室、会议室等进行防雷器安装。
会议室安装内容包括交流电源防雷箱、防雷插座、电视防雷器、无线传真天馈防雷器、无线电话天馈防雷器、综合录井VGA终端防雷器等，电脑、电视、打印机、无线传真等办公设备均必须安装防雷插座供电。
队长室安装内容包括交流电源防雷箱、防雷插座、电视防雷器、综合录井VGA视频终端防雷器等，电视、电脑、电话、传真机等办公设备电源必须通过交流电源防雷箱供电。
2．视频防雷系统的安装
摄像头防雷器安装包括带云台和不带云台两种，在靠近摄像头端将防雷器串联到摄像头视频通道和电源通道以及云台控制通道。
司控房视频交换矩阵防雷器安装,在司控房正压防爆箱内视频端子处，分别安装视频通道及视频电源防雷器。
二层台摄像头。原则上二层台摄像头不安装防雷器，但其安装位置应在井架框架以内，同时到司控房的视频通道、电源通道及控制通道等电缆应沿笼梯内敷设，确保屏蔽效果。
3．钻井参数仪防雷器
司控台参数仪信号采集通道的防雷器安装。在司控房参数仪正压防爆箱内，安装信号接线排防雷器，将DC 24V 4～20mA信号通道串入防雷器中，同时将防雷器接地通道与司控房局部等电位母排联结。
现场钻井参数仪信号采集防雷器的安装。根据现场损失情况，决定是否安装信号防雷器，一般情况下不安装。
（三）检测
按川庆钻探工程公司《石油井场防雷技术规范》进行检测，并进行整改。
二、综合录井队防雷工程内容
（一）录井房总等电位联结及接地
钻机底座—录井房总等电位联结的安装。在钻机底座右前端靠近固控一侧处焊接接地螺栓，通过35mm2导线与录井房连接，并通过引下线与接地体连接。
地质房接地与录井房连接。
（二）录井房内防雷器的安装
录井房防雷箱的安装，包括录井房交流电源防雷箱Ⅰ和Ⅱ的安装，两个箱体之间的连接电缆，要根据录井房负载确定，其电感值为15µH左右。
防雷插座的安装，将防雷插座与录井房交流电源防雷箱连接。房内三相设备必须通过录井房交流电源防雷箱Ⅱ连接供电，单相设备必须通过防雷插座供电。
视频分配器防雷器的安装，在视频分配器处安装四个通道的VGA防雷器。
现场信号传感器防雷器安装，现场信号传感器防雷器均为隔爆型，通过支架与金属构件焊接。并检测其与井场总等电位联结的电阻值，如不符合要求，要采取等电位联结措施，确保防雷器与总等电位联结的电阻值不大于0.2Ω。
（三）录井房搬安防雷工程
录井房—钻机底座等电位联结电缆的拆装；现场信号传感器防雷器的安装。
三、钻井队搬安防雷工程
（一）视频线路的拆装
包括二层台、振动筛、机泵房、电控及钻台等多处摄像头进行拆装，第一次安装的防雷器与电缆一起拆装。
（二）等电位联结电阻的检测
使用等电位电阻测试仪进行检测。
第二节 石油井场专用防雷器简介
一、综合录井队防雷器
（一）录井交流电源防雷箱
录井交流电源防雷箱Ⅰ（TJPXAC3-60G）和录井交流电源防雷箱Ⅱ（TJPXAC3-20），采用串级连接方式（两箱之间连线电感应保证约15µH）用于泄放雷电流及防止雷电过电压和瞬态电压对三相电源供电设备和用电设备造成的损害，分别用于B、C级保护，其主要特点是采用温控断路技术及空开短路保护，彻底避免火险发生。TJPXAC3-60G带有雷电计数器，并且两个防雷箱均具有双端子结构，以便采用凯文接法进行串接。
1．录井交流电源防雷箱
录井房防雷箱Ⅰ和Ⅱ如图8-1和图8-2所示。
图8-1 录井房三相交流电源防雷箱Ⅰ（第一级）
图8-2 录井防雷箱Ⅱ
应用及特点。TJPXAC3-60G、TJPXAC3-20录井交流电源防雷箱（又名三相交流电源避雷器），采用串级连接方式（两箱之间连线应保证约15µH的退耦）用于泻放雷电流及防止雷电过电压和瞬态过电压对三相交流电源供电设备和用电设备造成的损害，分别用于B级和C级保护。其主要特点是采用温控断路技术及空开断路保护，彻底避免火险发生。TJPXAC3-60G带有雷电计数器。两避雷器均具有双端子结构，以便串接（凯文接法）。
主要性能参数见表8-1。
表8-1
工作环境见表8-2。
表8-2
安装和维护。该类产品均为户内型，选择适合的安装位置，用坚固螺钉固定在墙上，距录井房配电柜总开关的连接线长度不应超过0.5m。将L1、L2、L3、N及PE线从避雷器下方的孔穿入箱内，分别固定在接线端子及等电位联结母排相应的位置，并将等电位联结母排接地。其两级接线方式如图8-3所示。避雷器Ⅰ及Ⅱ之间连接线应保证15μH以上的线路电感（必要时可将导线绕成多圈圆形），接线顺序是先接地线，再接相线，连接线为6～25mm2的多股铜线。
本产品无需特别维护，但应定期（特别是雷雨后）检查箱内防雷模块状况，当发现箱内电源防雷器模块窗口变成红色时，说明该模块已劣化失效，需立即更换。
图8-3 安装示意图
（二）防雷插座
如图8-4所示为防雷插座。
图8-4 防雷插座
YLHAC2-CZ产品是具有防雷功能的电源转换器，其插座可提供办公设施、家用电器及其他小型设备、仪器的安全用电。
其主要特点雷电通流量大，响应速度快，结构紧凑，安全可靠。
主要性能参数见表8-3。
表8-3
防雷插座无需特别维护，可固定在墙上或平放于桌面及地面使用。
使用时请注意电器的总功率。注意防潮（特别是置放地面时）及防尘（定时清洁）。
（三）接线排防雷器
接线排防雷器（如图8-5所示）由十路供RS-485传输通道使用的防雷电路组成，用于综合录井房进线排处作雷电防护。具有结构紧凑、高速响应及低残压等优势。
电参数见表8-4。
图8-5 接线排防雷器
表8-4 接线排防雷器电参数
安装。由厂家指导，综合录井房队在综合录井房内进线柜处安装。维护时，拆开接线排防雷器，使用浪涌电压测试仪检查，若保护电压值高于60V，则应更换接线排防雷器。
（四）防爆型传感器防雷器
分线型现场传感器防雷器如图8-6所示。
分线型传感器防雷器具有隔爆型防爆盒，直接应用于石油与天然气钻井井架周围各传感头的雷电防护。防护电路由两路组成，一组为直流供电电路防护，另一组为信号电路防护。均采用对称模式，更易于连接，避免接线错误。
电气参数见表8-5。
图8-6 防爆型传感器防雷器
表8-5 电气参数
避雷器输入、输出全部采用压线端子排固定；进出线分别采用4芯电缆，从防爆盒隔栏进入盒内。
接地线直接通过固定螺钉使电路地线与防爆盒连接。外部通过固定螺栓将防爆盒与支架角钢连接，并将支架角钢焊接在接地机座上。
安装接线时应取下印制电路板，注意印制板输入（IN）和输出（OUT）方向进行接线。复原时拧紧相应螺钉。
避雷器无需特殊维护，当相关电路失控时，可拆除避雷器，并将输入与输出线对应连接，若故障消失，应更换新的避雷器。
总线型现场传感器的电源和信号共四根线，需要同时接上。
（五）地质房交流电源防雷器
见队长室交流电源防雷箱说明。防雷插座同综合录井房。
二、钻井队防雷器(www.xing528.com)
（一）队长室交流电源防雷箱（又名地质房/队长室/会议室防雷箱
交流电源防雷箱如图8-7所示。
图8-7 地质房/队长室/会议室电源防雷箱
TJPXAC3-40G地质房/队长室/会议室（又名串联型交流电源避雷器），用于地质房、队长室和会议室的单相交流电源保护。该产品为一路输入，两路输出。采用插头输入时的最大输入功率为2000W。可同时对单相用电设备进行雷电及浪涌的保护。本避雷器采用了焊接式电源模块，可在过热情况下自动脱扣，并能有效自动记录雷电放电次数。
本避雷器采用1+1模式，具有防接反提示，通流量大，残压低，响应时间短，压敏元件有可靠的热脱扣装置，便于安装和检测。
主要性能参数见表8-6。
表8-6 性能参数
工作环境见表8-7。
表8-7 工作环境
安装和维护：
a．该产品为户内型，选择适合的安装位置。
b．接线：将本防雷箱电源插头插到室内电源插座上，将防雷插座插到本防雷箱插座，将单相电器设备插到防雷插座上即可。
c．本防雷箱电源及故障指示齐全，不需要特殊维护，在使用过程中，特别是在雷雨后应及时检查防雷箱，若发现防雷箱内的故障指示灯（红灯）亮时，必须及时查明原因并及时更换。
（二）防雷插座
与综合录井房防雷插座相同。
（三）会议室交流电源防雷箱
见队长室交流电源防雷箱说明。
（四）电视防雷器
电视防雷器如图8-8所示。
图8-8 电视防雷器
用于电视机信号通道的雷电防护。本避雷器具有宽频带、低耗损，并带有备用电路。当一路损坏时可换接另一路继续使用。
电气参数见表8-8。
表8-8 电气参数
安装与维护：
a．将电视防雷器金属外壳固定在房内金属结构上。
b．如发现不能工作，应更换电视防雷器。
（五）天馈防雷器
天馈防雷器如图8-9所示
图8-9 天馈防雷器
YLTFC75型天馈避雷器用于保护天线馈电设备和收发系统，使其免受雷电过电压和感应过电压所造成的损坏。
其主要特点是：通流容量大；工作频带特别宽；核心部件选用国际名牌产品，性能优异；插入损耗和电压驻波比小；性能稳定、工作可靠；体积小、重量轻、安装方便、无需维护。
主要技术参数见表8-9。
表8-9 主要技术参数
安装与维护：
a．为防止雷电袭击，可以在天线输出和被保护设备输入端各串接一个天馈避雷器。
b．避雷器上的接地导线（导线截面积不小于4mm2）,与防雷系统接地母线尽量短的可靠连接（≤0.5m）。
c．在户外使用时必须有可靠的防雨保护措施。
三、钻井参数仪
参数仪接线排防雷器由十路供RS-485传输通道使用的防雷电路组成，用于井场参数仪及连接排处作雷电防护。具有结构紧凑、高速响应及低残压等优势。
参数仪电参数见表8-10。
表8-10 电参数
安装与维护由钻井参数仪防雷器厂家指导、水电队在司控房正压防爆箱内安装。
四、钻井队视频系统
（一）云台组合防雷器
该防雷器是为钻井现场专用摄像头及云台而设计的防雷器。其中TJXVCSP-1（FB）是为可动云台设计的，它包括：
1．云台：上、下、左、右四组触发继电控制电路防护。
2．摄像头伸缩继电控制电路及电源电路防护。
3．视频通道电路防护（TJXVCSP-2（FB）是为固定云台设计的，防护电路同TJXVCSP-1（FB）。
两种防雷器（如图8-10和图8-11所示）均装在隔爆型盒内以保护运行时的安全性。
型号：TJXVCSP-1（FB）。
电气参数见表8-11。
安装与维护：
a．避雷器输入、输出全部采用压线端子排固定。
b．进出线分别采用两组电缆，从防爆盒两组带隔栏的引入和输出连接头伸入盒内，一组为9芯电缆（其中5芯为AC 24V线，4芯为DC 12V线，TJXVCSP-2（FB）为四芯电缆，只包含两组DC 12V线）。另一组为视频，按标志接线，不能接错。
c．接地线直接通过固定螺栓与防爆盒连接，并通过防爆盒固定螺栓与接地机座相连。
d．安装时应取下印制电路板以便接线。复原时注意印制板方向及拧紧相应螺钉。
e．本防雷器无须特殊维护，当相关电路失控时，可拆除避雷器，并将输入与输出线对应连接，若故障消失，应更换新的避雷器。
图8-10 视频（不带云台）防雷器
图8-11 视频（带云台）防雷器
表8-11 电气参数
(续表)
（二）视频交换矩阵控制柜防雷电路板
用于视频矩阵控制器雷电防护。石油天然气钻井系统之视频系统由4～5路摄像头组成（2路可动云台，3路固定云台）。因此该矩阵控制器由5路视频通道与5路电源通道组成，分别采用两张印制板完成其雷电防护电路，如图8-12和图8-13所示。电源防护板采用对称模式，而视频信号板采用非对称模式。为连接方便可靠，接头均采用螺钉压紧端子排。
图8-12 视频电源防雷器
图8-13 视频通道防雷器
视频矩阵控制器防雷器具体电气参数见表8-12。
表8-12 电气参数
(续表)
安装由云台组合防雷器生产厂家指导，水电队在司控房正压防爆箱内安装。
五、电控防雷器
接线排防雷器如图8-14所示。本防雷器由十路供RS-485传输通道使用的防雷电路组成，用于井场参数仪及连接排处作雷电防护。具有结构紧凑、高速响应及低残压等优势。
图8-14 接线排防雷器
电参数见表8-13。
表8-13 电气参数
由电控防雷器厂家指导安装，根据需要，水电队在电控房出线柜内安装。
第三节 防雷的管理措施
技术部门制定防雷电危害的具体措施，建立设备防雷活动档案。负责管理工作的人员应掌握雷电知识。当发现雷电可能酿成雷电事故时，应及时采取有效措施，并上报主管单位。每年雷雨季节之前及雷雨季节期间，应检查、维修防雷电设备和接地，检查的主要项目如下：
1．防雷设备的外观形貌连接程度，如发现断裂损坏松动应及时修复。
2．用仪器检测防雷设备冲击接地电阻值，如发现不符合要求应及时修复。
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