等離子接地極在數字化工程建設中的應用研究

王大文，蘇大超，王朝翔

1.中國石油長慶油田分公司技術監測中心 （陜西 西安 710018）

2.中國石油長慶油田分公司第七采油廠 （甘肅 慶陽 745700）

隨著油田科學技術的快速發展，數字化技術工程在油氣田建設工程管理中的重要程度也越來越突顯出來，數字化技術在油氣田設備上的普及應用已經成為一種必然趨勢[1]。油、氣田數字化工程就是將油、氣田管控系統“裝進電腦，用電腦進行控制”，建造一套數字化管理平臺，通過數字化管理平臺調控中心達到對生產組織、安全管理及油氣井管理的目標[2]。其目的是充分發揮數字化設備作用，實現井場無人值守，遠程數字化控制、電子化巡井、生產監控、生產數據查詢及報表、管網、生產預警及預案管理、生產數據和井場視頻圖像的采集、傳輸和遠程監控數字化布站。

將電力系統或建筑物電氣裝置、設施過電壓保護裝置用接地線與接地體連接，稱為接地[3]。“接地”工程，是保證數字化工程安全平穩運行的重要環節。數字化傳輸纜線屏蔽層接地質量，直接影響到數字化數據采集及數據傳輸的準確性，同時也會影響圖像質量的清晰。保護接地及防雷接地工程質量的好壞，也直接影響到現場工作人員安全。因此，“接地”工程是數字化工程中比較重要的一個環節。等離子接地極是通過獨特的離子緩釋技術與抗腐蝕性能，使接地降阻效果不斷提升并在最佳值趨于穩定，實現接地效果的明顯提升。

等離子接地系統是由先進的緩釋接地極 （內含可逆性緩釋填充劑）、引發劑和增效電解離子填充劑組成。電極外表是紫銅合金，以確保最高導電性能及較長使用壽命，并配以內外兩大種類填充劑（無毒化合物），對環境無污染。

1 數字化工程中接地的作用和重要性

接地體或自然接地體的對地電阻和接地線電阻的總和，稱為接地裝置的接地電阻[3]。接地電阻越低，雷電流及影響數字化正常傳輸的雜散電流通過率就越強，數字化工程設備及操作人員就越安全，操控平臺的干擾就越小。所以，接地電阻是否達到設計要求，直接對數字化工程能否安全運行，數據能否正確傳輸起著重要的作用。

數字化管理平臺中傳輸信號多為數字信號，而數字信號電流較強，都是一些高電平、低電平的跳變。這種跳變在線纜中傳輸時，若屏蔽不好將會相互影響，使數字管理平臺上產生很大的雜散電流，出現噪聲和電流尖峰、圖像變形抖動、模糊不清等現象，通過良好的金屬層屏蔽方可有效防止其相互干擾，而金屬屏蔽層又必須通過良好的接地裝置 （由接地端頭、引下線接地干線與接地體組成的裝置）將其雜散電流導入大地[4]。

經檢查發現，經常出現由于接地裝置安裝不規范、屏蔽接地和接地保護的處理不當，接地電阻過大，而造成不良后果的發生：輕者造成數字化平臺中部分儀器受到接地電流的干擾，不能正常工作，影響數字化工程中數據的傳輸；重者危及操作人員安全或造成設備損壞。因此，接地網（由垂直和水平接地極組成的供發電廠、變電站使用的兼有泄流和均壓作用的較大型的水平網狀接地裝置）的接地電阻能否達到設計要求[5]，對設備運行成效有著重要影響。

數字化工程中，由于邊遠站點、油井、氣井的數字化監控信號傳輸距離長，線路耐電壓性低，容易被感應雷及傳導雷電流入侵而損壞設備。接地方式主要為防雷接地，為了將雷電流從信號傳輸線導入大地，在設計傳輸線纜時必須考慮接地，以避免雷電入侵。

油氣田數字化管理平臺多處于油氣生產場所，均涉及易燃、易爆等安全風險，其接地方式除工作接地、線纜屏蔽層接地外還有防靜電接地和安全防護接地等。設計中一般室內接地電阻值較室外接地電阻的要求小得多，對接地方式及接地材料要求較高；而對室外油氣場所，空氣及土壤中的水分及環境中的油氣成分還存在對金屬材料腐蝕的因素，會直接影響到接地裝置使用效率和壽命，應重點考慮外在環境對接地裝置腐蝕性，因此應對接地裝置防腐提出較高的要求。

2 等離子接地裝置的特性

2.1 等離子接地極具有“三大應用優勢”

1）實際效果明顯：該技術采用幾組等離子接地極單元并聯的接地電阻就可以達到傳統大型接地網絡的效果。

2）使用時間更長：在結構設計和材料配比等方面均考慮到接地效果的長效性，使用時間可以達到傳統接地網絡的幾倍到幾十倍。

3）適應性范圍廣：在膨潤土與降阻劑組合配合下，等離子接地系統可直接改善接地極周圍的土壤電阻率，即使在沙地或巖石土壤條件下，也能保持較低接地電阻。

2.2 等離子接地極具有“六大安裝特性”

1）膨脹性好。等離子接地極作為連接接地電極與大地之間的載體，通過接地體中的電解質滲透到周圍土壤，改變土壤條件和增強導電性，增大了接地極的等效截面積和土壤的接觸面積，有效降低了接地電阻。

2）良好的吸附性能。消除了接地極與土壤之間接觸電阻，改善了大地中的電場分布，具有低阻抗，能有效消散雷電流和電力故障電流；其負阻特性，降低了接地體在瞬間泄流時，地表面裝置之間的電位分布梯度，提高了對人身、設備和設施的安全保護性和可靠性。

3）施工比較方便。利用接地棒上的電纜(向上或向下均有)，可方便地連接到其他接地導體。

4）耐用性和抗腐蝕能力強，具有較長的使用壽命。通過查閱相關技術文件，一般一套裝置使用壽命長達20～30年，并對電極有獨特的防腐功能，因此，該裝置可保證油、氣田數字化工程長時間平穩運行。

5）較強的親和性，接地媒介較好。接地體內包括自然電解鹽，共滲透到周圍土壤能有效地改善接地棒與土壤之間的接觸。

6）接地電流消散方向可控。等離子接地極可通過設置放射條，控制電流消散的方向，有效降低高頻率雷電流通過的阻抗，可用于對接地電阻要求較高的工程。

3 傳統接地方式與等離子接地方式的比較

3.1 傳統接地方式

1）傳統接地極埋設未按相關要求，導致接地電阻值不能滿足設計。目前，多數油氣田數字化工程中仍采用鍍鋅鋼管或鍍鋅角鋼及鍍鋅扁鋼制作的傳統式人工接地網，部分場區地理條件差，施工難度較大，施工中存在埋深不夠或敷設方式不正確等原因，使整個接地系統的接地電阻值超標，接地電阻值無法保證在設計范圍內。

2）傳統接地方式需有后期維護跟進才能保證其效果。通過實際測試發現，人工接地網使用一段時間后，接地電阻值逐漸增大，當增大至一定數值后，阻值超過了設計阻值，這時，必須重新進行降阻處理，方可保持阻值在合格范圍內。

實際上，使用單位在裝置投運后，很少進行定期檢測和降阻處理，除非是不能正常工作時才進行檢查處理。這樣，在雷雨季節，雷電的危害給油氣田數字化工程就帶來較大的威脅，在對接地電阻處理之前極有可能影響數字化管理平臺的數據傳輸，不僅增大了返工工作量，也給數字化管理平臺的安全運行帶來一定的威脅。

3）傳統接地方式對氣候和土壤濕度有要求。鍍鋅鋼材接地裝置，有施工過程簡便，材料價格較低的優點，其工作原理是通過接地引下線將雷電流或影響數字化數據傳輸的雜散電流引入接地極，接地極和土壤緊密接觸后，引入大地，然而，受敷設場地及埋設深度的影響，在干旱季節時經常無法使接地電阻值滿足設計要求。

4）接地體材質導電性能受影響較多。現場監督檢查時發現多數鍍鋅材料的鍍鋅層因質量不達標，或在施工過程中對鍍鋅層保護不好發生碰損，鍍鋅材料極易返銹，有的鍍鋅材料未施工完就已出現返銹現象。接地裝置埋入地下后，隨著時間的延長，返銹后的材料，金屬表面在各種腐蝕作用下不斷加快銹蝕速度，鐵銹在金屬和土壤層之間形成了阻礙電流通過的間隔層，造成金屬（接地極）和大地間接觸不良，電阻值也隨之增大，金屬銹蝕程度不斷加大的同時也縮短了接地極的壽命。

5）傳統接地體使用壽命較短。經過相關機構調查統計，金屬鍍鋅材料接地裝置，接地電阻保持在基本能滿足要求的狀況下正常工作，最多能夠使用3～5年，這種情況不能長時間滿足油氣田數字化工程對接地工程的要求。

3.2 等離子接地方式

1）等離子接地極具有較強自我調節濕度的能力。 等離子接地極，通過潮解，能充分吸收空氣中的水分，將活性電離子有效釋放到土壤中，可自行調解離子生成含量及導體周圍的濕度，使導體與大地緊密結合，通過土壤及空氣中的水分作用，不斷促進導體外部緩釋降阻，從而降低了電極與土壤的接觸電阻，改善了周邊土壤的電阻率，有效地增強了電流的導通釋放能力（圖1）。

2）等離子接地極具有高效降解性能。土壤電阻率過高的直接原因是因為缺乏自由離子的輔助導電作用。等離子接地極因它的高效降阻性能，可使整個接地網電阻降到規定范圍內。等離子接地極，通過潮解，能充分吸收空氣中的水分，將活性電離子有效釋放到土壤中，可自行調解導體周圍的濕度、離子生成含量，使導體與大地緊密結合。通過土壤及空氣中的水分作用，不斷促進導體外部緩釋降阻，從而降低了電極與土壤的接觸電阻，改善了周邊土壤的電阻率，有效地增強了雷電導通釋放能力。

圖1 等離子接地極結構示意圖

3）等離子接地極內部角質化合物能形成理想、穩定的接地系統。等離子接地裝置導體內部的化合物，隨著時間的延長逐步化合成膠質透明狀態。利用膠質化合物的導電性能，使整個接地系統能長期處于離子交換的狀態中，從而構成了理想的電解離子接地系統。等離子接地系統安裝后，接地電阻會逐漸下降，半年至一年內達到穩定值，接地極導體內部的電離子化合物，能保持接地電阻值長期穩定，緩釋過程最長可達30年，能長期滿足數字化工程的需要。

4 結束語

在油、氣田數字化管理平臺不斷完善的過程中，采用新型等離子接地裝置，在很大程度上，延長了接地系統的有效使用壽命，保持接地電阻值長時間的在設計范圍內，確保數字化工程數據的安全可靠傳輸，同時降低了施工難度，減少了接地網絡的維護工作量。

等離子接地極通過緩釋作用，形成了一個殼層內環境，通過內外環境融合逐漸向四周擴散，完成了殼層土壤化學處理作用，從而有效解決了接地技術中的諸多難題，成為一種良好的接地系統，能夠滿足油、氣田數字化接地網絡的各項指標要求。

[1]吉效科.油田設備管理方法與實例[M].北京：中國石化出版社，2013.

[2]冉新權，朱天壽.油氣田數字化管理 [M].北京：石油工業出版社，2011.

[3]GB 50169-2006電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范[S].

[4]SY 5984-2007 油（氣）田容器、管道和裝卸設施接地裝置安全檢查規范[S].

[5]GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].