428地震儀采集鏈防雷保護措施

劉學勤　黃偉

摘要：隨著電子技術的發展，近年來428采集儀器運用得越來越廣泛，設備的防雷顯得日益重要。本文介紹了雷電電壓的形成及其對428儀器的影響，通過現代化電子設備系統中防雷技術和地震勘探實際分析，針對428儀器采集過程中遇到的問題進行分析，提出了一些改進和處理的方法。

關鍵詞：428儀器；防雷；地震采集

隨著石油地震勘探不斷發展深入，越來越多石油地震勘探在山地、森林、湖泊、沼澤里進行，石油地震勘探接收道數由以前幾十道、上百道發展到目前大規模三維勘探幾千道、上萬道，甚至十多萬道，施工面積可達上百平方千米。目前，各石油勘探隊伍絕大多數使用采集儀器為法國SERCEL生產的428儀器。因428地震儀器地面采集設備大規模采用現代微電子技術元件，其集成度高、運算速度快，但其耐壓低、耐過流能力差，在雷電較多的工區施工經常出現被雷擊現象，近年來，幾乎各使用428儀器的石油勘探公司都遭遇過設備被雷擊的現象，被雷擊后損失輕為近萬元，重的達十多萬元、幾百萬元，嚴重影響施工進度，給施工帶來極為不利影響，并帶來嚴重的經濟損失。

本文探討如何在野外施工時盡量減少428采集設備被雷擊的現象，及被較輕微雷擊后428采集單站的維修方法。

1 雷電的形成與危害

1.1 雷電的形成

雷電是由帶電的云層對大地或地面建筑物的自然放電引起的，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主，因此，在云的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產生放電，這就是我們常見的閃電現象。據有關報道，閃電的平均電流約為3萬A，最大電流可達30萬A。閃電的電壓很高，約為1億V至10億V。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，雷電對電器設備有強大的破壞作用。

1.2 雷電的危害

雷電的破壞作用基本上可以分為3類：

1.2.1 直擊雷

雷云直接對建筑物或地面上的其他物體放電的現象稱為直擊雷。雷云放電時，引起很大的雷電流，可達幾百千安，從而產生極大的破壞作用。

如果直擊雷打中大線，通常會引起較大的設備損失，通過電纜連接在一起的所有采集站、電源站、交叉站、近距離的檢波器和電纜等設備幾乎嚴重燒毀，燒毀設備無法修復。給施工帶來極大的損失。

1.2.2 感應雷

雷電感應是雷電的第二次作用，即雷電流產生的電磁效應和靜電效應作用。雷云在測線上空形成很強的電場，便會感應出與雷云電荷相反的電荷（稱為束縛電荷）。在雷云向其他地方放電后，云與大地之間的電場突然消失，線路上形成的高電位造成線路放電。根據有關人員試驗，這種感應電荷在低壓架空線路上可達100kV，信號線路上可達40～60kV。

感應雷給428設備帶來的影響根據云層放電大小和距施工測線長度有大有小，設備可能被燒毀、設備元件被擊穿等影響。

1.2.3 富電波侵入

當線路或架空金屬管道遭受雷擊，或者與遭受雷擊的物體相碰，以及由于雷云在附近放電，在導線上感應出很高的電動勢，沿線路或管路將高電位引進線路內部，稱為雷電波侵入，又稱高電位引入。出現雷電波侵入時，可能發生火災及觸電事故。

雷電的形成與氣象條件（即空氣濕度、空氣流動速度）及地形（山岳、高原、平原）有關。濕度大、氣溫高的季節以及地面的空出部分較易形成閃電。地下有金屬管道、金屬礦藏，突出的高建筑物、樹木、山頂、地下水位較高地方易遭雷擊。

雷電波侵入428設備通常引起地面采集損壞，設備電子元件被擊穿，通常可以通過更換元件維修好損壞設備。

2 428地面站電子元件防雷性能設備元件被擊穿

428地面設備及主機的很多電子設備元件為CMOS電路，其耐壓僅3～5V。428儀器地面設備工作電壓不超50V，電流也很小，對外界的干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達數百萬V，瞬間電流可高達數十萬A，具有極大的破壞性。雷電造成的危害是無孔不入的。據研究當磁場強度大于0.07高斯時，無屏蔽的計算機會發生暫時性失效或誤動作，磁場強度大于2.4高斯時，計算機元件會發生永久性損壞。而雷電電流周圍出現的瞬變電磁場強度往往超過2.4高斯。

3 428儀器防雷設計

3.1 428 LINK電纜結構

從上述圖中428地震儀LINK由四根電纜組成，這四根電纜線既傳輸數據，又同時作為電源傳輸線。

3.2 采集站防雷設計

3.3 電源站防雷設計

從圖2、圖3中我們知道可以看出，428采集站、電源線站簡單利用5只和4只氣體放電管作為保護措施，這些放電管接地端與采集站里面不銹鋼板相連，里面不銹鋼板再通過一顆鏍釘接到外面。電源線站放電管接到金屬外殼上。當設備遭受雷擊時，放電管對地導通，通過向大地泄放電流。

這種簡單防雷措施要起到良好的作用，首先要保證采集鏍釘與大地接地電阻要良好，接地電阻要小于10Ω，這樣才能起到迅速泄放雷電。但在實際生產中幾乎不可能做到，一般采集站也經常側放在地上，鏍釘碰不到大地。另外，這些放電管耐壓值也有一定的限制，在比較強烈的雷電也起不到保護作用，放電管也會因泄放電流的次數的失效。

4 野外施工防雷措施

項目施工過程中，遇到的雷電影響絕大多是雷電波入侵，在儀器上的直觀表現如下圖：

如圖顯示為2014年在南美玻利維亞項目采集過程中實際遇到的雷電的影響，圖中黃色顯示為遠處雷擊后對側線的影響，在此工區，雷電活動非常頻繁，嚴重影響了生產。根據情況，我們研究了多種防雷措施：

（1）采集站后面鏍釘要按照SERCEL技術說明書要求達到2N扭力矩上緊，以保證減少接觸電阻。

（2）在施工之前要收集當地氣象資料，盡量避開雷電較多的氣節施工。

（3）布線時要盡量保證采集站后面接地鏍釘與大地接觸良好，電源站、交叉線要接地線，接地線要盡量用短而粗的銅線接上銅棒，銅棒要盡量插深，最好插放潮濕的地方，或在銅棒周圍撒些水（最好為導電良好的鹽水、降阻劑）。有可能的話，采集站后面鏍釘再接根地線。

（4）放電纜時盡量避開或遠離易雷擊的地方，如大樹、鐵塔、電線、電話線、鐵軌、陡坡、地下金屬管道、金屬礦藏等。

（5）如果在易雷擊地點布線，可以在LINK、檢波器5m以外安放避雷針、避雷帶攔截雷擊。

（6）如果在施工時發現有打雷跡象，要及時關閉主機、電源站、交叉線電源，大線盡可能全部斷開，特別是在易產生雷擊地點一定要及時斷開電纜。

（7）有可能的話，可以在傳輸電纜加一層金屬屏蔽網，屏蔽網要多點接地，這樣可以大大減少感應雷擊現象發生。

5 被雷擊采集站維修方法

對被雷擊較輕的428采集站，如果采集站線路板未擊穿，大部分可以通過更換損壞的元件修復，主要需要更換的元件有：

（1）根據SERCEL公司提供的428 FDU元件圖標志的T3、T4、T5、T6（Line transformer），這些元件被雷擊損壞后，用電表測量為不通，被雷擊的采集站這些元件有90%以上都需更換。

（2）電源變壓器T2，被雷擊后經我們檢查有很多采集站的電源變壓器T2被擊穿，用電表測量為不通，需更換。

（3）D12穩壓二極管，被雷擊后經我們檢查有很多采集站的電源變壓器D12被擊穿，輸出端無電壓，需更換。

（4）Y1、Y2晶振，被雷擊后經我們檢查有很多采集站的Y1、Y2晶振被擊穿，輸出端無用示波器檢查無信號，需更換。

（5）采集站檢波器輸入端的放電管，被雷擊采集站需要更換這只放電管。