石油儀器設備電涌防護技術相關問題

王富民

中船重工第七一五研究所，浙江富陽 311400

各種先進的電子設備隨著科技的飛速發展而逐漸應用在石油行業中，和其他電子設備一樣，石油儀器設備存在一些缺點，比如過電流、電壓耐受能力差，絕緣等級較低，對外界干擾敏感等。石油儀器設備對電涌的防護不當，會導致設備故障，降低設備使用壽命，甚至還有導致人員傷亡。而在我國石油儀器設備中電涌的威脅并沒有受到足夠的重視，所以研究石油設備中的電涌防護技術具有相當重要的價值。

1 電涌的概述

電涌也叫浪涌，它是一種是異常大的微秒量級電流脈沖，其持續時間大約百萬分之一秒，單位能量在2.5-10MJ/Ω左右。電涌會產生短暫的過電壓，破壞電子設備。并且隨著半導體的厚度在減小，承受能力未成倍增長，電涌這種瞬態過電壓對電子設備的破壞的可能、程度也越來越大。

2 電涌產生的原因

2.1 直擊雷

直擊雷有兩種情況，一是雷電擊中建筑物具有引雷作用的裝置，會直接放電，并將電流引入建筑物的內部設備中，其雷電流具有高能量。另外是雷電擊中建筑物的外部防雷裝置，這時雷電流就會通過引雷裝置傳輸到大地，使地電動勢提升，并從設備接地線反沖到設備中。

這兩種雷擊都會產生電涌現象，導致設備過流而損壞。

2.2 感應雷及雷電波入侵

雷云放電會使設備產生靜電感應和電磁感應，從而導致設備過電壓。感應電荷沿著設備的線路產生過電流沖擊，另外，雷擊會產生交變電磁場，磁場的能量作用在設備上，對設備產生不同程度的損壞。感應雷能量沒有直擊雷那么強，但其產生的概率要比直擊雷大得多。

2.3 系統過電壓或者電網波動

導體上的電流在流動時，會感應出磁場并以磁場的形式儲存能量，如果設備中存在電感，那么設備在開關時就瞬態的過電壓。電網波動與開關時的過電壓一樣，都有可能會導致設備電子元件損壞。

2.4 地電位反擊

雷擊到接閃器或者引下線，可能會引起地電位上升，從而對附近的電子設備產生反擊，導致設備的絕緣皮破壞，損壞其絕緣性能。

3 石油儀器設備電涌防護的措施

3.1 接閃

對于在戶外生產的石油儀器設備，如果建筑物的材質，或者設備本身材料的壓力、溫度以及性質等能夠防護雷擊，就可以選用設備本身為接閃器；如果設備內燃料為易燃易爆物質，并且其操作溫度大于閃點，金屬外殼面積較大，也可以不用設置額外的接閃器，而選用設備本身當作接閃器；如果設備內燃料操作溫度大于閃點，但是其金屬外殼較小，則需要在設備建筑頂部加設避雷針來接閃。

3.2 分流

不論石油設備的生產裝置是否裝設接閃器，都需要顧及到分流問題。盡可能多的布設接地點、下引線。對于大型的石油儀器設備，其接地點不能少于2處；對于小型的石油設備，必須接地。在一些特殊的位置，比如管道的分支處、始末端也需設置接地。可以選用接地可靠、導電性能好的金屬構架把電流引到大地，避免電流流過受保護的石油儀器設備。設置分流的下引線的阻抗要低，這樣能有效降低電位，同時要求其散流好，使電流大面積地向大地泄漏，從而保護石油儀器設備以及人員的安全。

3.3 接地

在石油設備防護的接地裝置中，有防靜電接地、信號地、屏蔽電磁設置地 、防雷地裝置、SPD地等。對于這些起不同作用的接地，需要將它們接到一個共同的接地裝置中。并且該接地裝置的接地阻值不應該大于4Ω。根據石油設備生產裝置的位置，比如配電儀表間、空壓機房等地點，將接地設置成環形閉合的形式。并且每個小型的環形閉合接地裝置通過扁鋼與相鄰的環形閉合接地裝置連接起來，整合成一個大型的環形接地裝置，將不同位置的機房統一起來。

3.4 均壓

在石油儀器設備所在的生產建筑物內，選用導電體將設備本身的金屬殼體與鄰近設備的金屬殼體連接起來，連接的導體可以置在地上，也可以布置在地下，這樣可以使設備之間的感應電動勢平衡，避免發生電火花的現象。在兩個設備連接起來以后，操作人員應避免同時接觸這兩個設備，否則可能會產生電擊。石油儀器設備的易爆危險區域，就更需要進行均壓設置。因為在兩個相鄰的金屬外殼的設備間，如果存在電動勢差，即使只是空氣作為介質，也可能會產生雷擊電火花，從而導致爆炸。另外，不允許有單獨的金屬導體布置在易爆的危險區域內，即使是與地面絕緣，但是與相鄰的導體間不連接的金屬也不能存在。

3.5 設備屏蔽

石油儀器設備大多都是在野外運作的，其直接暴露在電磁以及電涌干擾中。對于這類戶外的石油儀器設備，可以利用屏蔽體將其屏蔽，減輕電磁對電子設備的干擾，衰減電涌的能量。一般工程中經常應用的石油設備屏蔽體有法拉第籠、屏蔽盒以及金屬設備本身的殼體等。

3.6 保護

石油儀器設備大多是弱電設備，有時采用以上的接閃、均壓、分流以及屏蔽等方法也足以消除電涌的威脅，因為石油儀器設備的耐過電壓能力不強，電涌雖然衰減了，但仍然高于設備的承受能力，所以還需要采用額外的保護措施。綜合不同防護方法的優點，構建多級電涌保護，比如在電涌容易損壞的接口設置過電流、電壓保護裝置，電涌吸收裝置。在電子控制系統輸入端的電源線，輸出端的信號線上設置細保護、粗保護等，是侵入的瞬態過電壓衰減到設備能承受的范圍之內。

4 結論

石油儀器設備的電涌防護是一項綜合性很強的系統工程。在實際的應用中需要綜合使用不同的防護措施，協調各種防雷裝置的作用。在設計石油儀器設備電涌防護的時候，要從高標準的目標出發， 遵循“綜合運用、多重防護、有效保護” 的基本思想，避免設備遭受電涌損壞，以及人員傷亡、財產損失不測的發生。總之，隨著科學的不斷發展，以及人們對電涌過電流、電壓理論的研究的深入，石油儀器設備的電涌防護手段和等級將會得到有效的升級。

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