石油鉆機井架防雷系統設計研究

朱永慶 ， 張鵬飛 ， 惠川川 ， 廖恒偉 ， 李立新

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

0 引言

石油鉆機作業場所大多處于平原、戈壁、沙漠等曠野地帶，且鉆機井架（連同鉆臺、天車）高度都超過30 m，矗立在野外，相對孤立，在雷雨天很容易遭受雷擊。鉆井作業時大部分工作人員都處于鉆臺、固控系統上，雷擊對作業人員的人身安全風險很高；還有井架等鋼結構件通常與鉆機所有的電氣設備外殼作等電位聯接，如果井架防雷做得不好，雷擊電磁脈沖和雷電波有可能會對鉆機的供配電、儀表及通訊等系統造成危害，這會嚴重影響鉆井正常的作業。因此，為鉆機井架設計一套安全可靠的防雷系統勢在必行。

1概述

石油鉆機井架防雷系統是整個鉆機防雷的重要部分，主要是防止擊雷，系統由接閃器（獨立的避雷針）、接地引下線和接地極三部分串聯組成。接閃器安裝在井架頂部的天車上，通過接地引下線將接閃器與接地極聯接起來。接閃器的頂尖必須高于天車最高點一定的高度，這樣才能吸引雷電，使雷云向接閃器放電，這時強大的雷電流會通過接地引下線和接地極流散到大地，使被保護的鉆機相關設備免遭雷擊。

2 系統設計

2.1 防雷要求分類

鉆井作業時，鉆機井架、底座附近個別區域存在一定的危險氣體，但周圍敞開，通風良好，危險氣體混合物容易擴散，發生雷擊時，一旦點燃，爆壓很低，不易造成大的危害。因此，參考《石油化工裝置防雷設計規范》（GB50650-2011）和《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010），本文將鉆機井架認定為第二類防雷建筑物。

2.2 避雷針選型

避雷針的防雷原理為：在雷雨天氣，被保護物上空出現帶電云層時，避雷針和被保護物頂部都被感應上大量電荷，靜電感應時，避雷針尖端就聚集了大部分電荷；當云層上電荷較多時，避雷針與云層之間的空氣很容易被擊穿，成為導體，這樣就使帶電云層與避雷針形成通路，而避雷針通過引下線接入地下，就可以把云層上的電荷導入大地，使其不對被保護物構成危險，保證了保護對象的安全。

傳統的避雷針有以下缺陷：1）保護范圍不確定，有繞擊發生；2）有反擊發生；3）產生較高的接觸電壓及跨步電壓；4）在引雷過程中會形成較高的感應過電壓，因此對鉆機的通訊裝置、控制系統、儀表等弱電設備危害較大。

本設計選用具有提前放電功能的避雷針作為接閃器，由接閃針、觸發器、絕緣連接管等部分組成。提前放電避雷針在傳統避雷針的基礎上增加了一個主動觸發系統，這個觸發系統能建立起重復的高壓脈沖信號，在放電過程中適時產生一個連續的放電路徑與雷云的下行先導會合，把雷電流引入大地。提前放電避雷針通過一個脈沖變壓器和振蕩器的結合實現了以嚴格控制的頻率和幅度發射高壓信號的技術；它的能量來自靜電場與電磁場并轉化成高壓信號送到針尖，產生大量的電離子，這種功能使提前放電避雷針發出的一行先導提前行至遠離避雷針數十米甚至上百米處與來自雷云的下行先導接閃，從而擴大了避雷針的保護范圍。一次引發也可能是不成功的，多次引發總是可以成功的。在一個不成功的向上先導發展停止以后，儲能裝置立即恢復到接收能量的狀態，放電留下的殘余電荷在停歇的瞬間迅速消失，在外界電場沒有減弱的情況下，下一次動作又繼續。整個過程極短，而且在電場愈高時，動作頻率愈高，保證了引發的可靠性。所選避雷針具體參數為：接閃針材料為不銹鋼，尺寸為φ14×270 mm；通流量為 300 kA（10/350 μs）；提前接閃時間ΔTB=45μs；幅值衰減率幅值不小于82%；陡度衰減倍率不小于35；限流阻抗值不大于2Ω；抗風等級為12級。

表1 不同建筑物防雷的滾球半徑

2.3 避雷針保護范圍計算

“滾球法”是國際電工委員會（IEC）推薦的計算避雷針保護范圍的方法之一，《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）也把“滾球法”強制作為計算避雷針保護范圍的方法。“滾球法”是以hr為半徑的一個球體沿需要防止雷擊的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被用作接閃器的金屬物）或只觸及接閃器及地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到了接閃器的保護。當采用避雷針作為接閃器時，應按表1規定的不同建筑防雷級別的滾球半徑計算避雷針的保護范圍。

按照滾球法，單支避雷針（接閃器）的保護范圍應該按照以下方法確定：

1）當避雷針的高度h小于或等于滾球半徑hr時，避雷針在被保護物高度hx平面上的保護半徑rx由式（1）確定，在地面的保護半徑r0由式（2）確定：

2）當避雷針的高度h大于滾球半徑hr時，避雷針在被保護物高度hx平面上的保護半徑rx由式（3）確定，在地面的保護半徑r0由式（4）確定：

以5000 m鉆機為例計算避雷針的保護范圍。鉆臺高度為9m，井架（連同天車）高度為49.5m，總高度為58.5m，即hx=58.5 m；假設避雷針尖高出天車2 m，那么避雷針的高度h=60.5 m。由于井架避雷系統按第二類防雷建筑考慮，所以 hr=45 m［2］。顯然 h＞hr，適合用式（3）、式（4）分別確定 rx和 r0,于是由式（3）可得 rx=45-≈2.1 m，由式（4）可得 r0=45 m。

由鉆機結構可知，井架及底座所有部分沒有超出保護半徑的范圍，也就是說在避雷針的保護范圍內，所以是安全的。

根據上述公式以及假設條件，計算了不同規格鉆機的rx和r0，如表 2 所示。

從表 2可以看出，3000和4000兩個型號鉆機，井架總高度接近滾球半徑45 m，故rx較小，保護范圍不能完全覆蓋天車。要想擴大保護范圍，需要采用雙支避雷針或在天車上增加避雷帶。

表2 不同規格鉆機避雷針的保護半徑

2.4 接地引下線設計

井架防雷系統不能直接用鋼結構的井架體作為引下線，因為鉆井作業時作業人員有可能觸碰井架，一旦發生雷擊，對人可造成電位反擊，所以必須設計專門的引下線。根據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010），引下線可以采用φ15 mm的熱浸鍍鋅圓鋼，左右井架每段各設置一條引下線［1］。為了方便拆裝，井架各段之間的引下線間通過1×50 mm2的銅電纜連接（如圖2所示）；為了使引下線與井架徹底絕緣，井架上安裝絕緣卡箍（帶特制的防雷絕緣子）用于固定引下線（放大圖如圖3所示）。在最上端，引下線通過1×50 mm2的銅電纜與避雷針管連接；在鉆機底座附近距地面0.3～1.8 m處設斷接卡［2］，通過1×50 mm2的銅電纜與接地極連接。

2.5 接地極設計

接地極的作用是承載避雷針系統引導的雷電流并盡快通過低阻抗通道進入大地，減少因雷電流流過地面使得地電位升高，產生跨步電壓或地電位反擊。鉆機接地體的設計要考慮鉆井作業流動性大和工期短，野外山區埋設困難，土壤電阻率高等因素，能方便安裝和循環使用。具體的做法是，在鉆機底座兩側地面，分別設菱形接地網作為接地極。菱形接地網如圖4所示，采用4根φ14mm×2500 mm熱鍍鋅圓鋼垂直埋設，間距5 m［2］，之間用1×50 mm2的銅電纜互相連接，埋入地下的深度不得小于0.5 m［2］，降阻劑使用飽和濃度的鹽水，確保接地電阻在10Ω之內。接地極通過1×50 mm2的銅電纜最終與鉆機井場公共接地網連接，以減少作業區域內的跨步電壓，防止地電位反擊。

1）用提前放電功能的避雷針作為接閃器，保護范圍更大，防雷效果更可靠。

3 井架防雷系統的安裝

3.1 防雷系統在井架及天車上安裝示意圖（如圖1）

3.2 接地極安裝布置示意圖（如圖4）

4 系統特點

2）使用雙引下線，引流效果明顯；并且能做到與井架金屬構件的完全絕緣，能有效避免雷電流可能對人造成的電位反擊，安全系數高。

3）整套裝置經濟實用，安裝、拆卸簡單。目前已經在上百套鉆機井架上進行了安裝，現場反映效果良好。

5 井架避雷系統安裝注意事項

1）提前在天車上預留避雷針安裝接口，避雷針應垂直安裝牢固，垂直度允許偏差為3/1000；在一些風大的區域，避雷針管要配備安全繩，與天車本體可靠聯接，能預防意外墜落。

2）避雷針頂尖高出天車最高點2 m為宜［1］，能確保避雷針有最大的保護角。

3）在接地極附近，10 m的范圍內，由于跨步電壓甚高，雷電天氣人員接近時有觸電的危險，所以接地極的埋設位置必須選擇在沒有人員活動的區域。接地極埋設得盡量深些，地面裸露的部分要套上絕緣橡膠管。

6結語

石油鉆機作為大型設備，集各種強弱電、機械設備于一體，對雷電的防護是個系統工程，井架防雷只是其中一個重要方面，除了安裝必要的防雷裝置外，還需要加強對鉆機井場作業人員雷電防護知識培訓，定期對防雷裝置進行檢測、維護，才能使防雷裝置發揮很好的作用，確保人員和設備安全。

［1］ 建筑物防雷設計規范：GB50057-2010［S］.

［2］ 石油化工裝置防雷設計規范：GB50650-2011［S］.

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