海上鉆井設施防雷技術研究與應用

苑世寧，王瀟瀟，田志新，孫玉江(.中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 005；.寶雞石油機械有限責任公司自動化設備分公司，陜西 寶雞 7000；.中海石油技術檢測有限公司，天津 005；.中海油安全技術服務有限公司，天津 005)

0 引言

海上油氣生產設施主要包括海上油氣作業設施和海上油氣生產設施。近年統計表明：有多個海上油氣設施遭受不同程度的雷擊損壞，其中主要對編碼器、變頻器、現場儀表等關鍵設備造成損壞，直接造成的經濟損失不大，但造成的故障停工時間超過100 h以上。經現場調研發現，僅有部分平臺配備了簡易的避雷針及引下線裝置，二次低壓配電系統、PLC控制系統、通訊系統、儀表系統存在未設置電磁感應、靜電感應、雷電波影響的防護措施，另外，雷達、高頻電線等通訊設備的天線也沒有安裝避雷針進行保護。

隨著各種設備的智能化發展，海上設施的控制系統越來越復雜，弱電系統在現場應用越來越廣泛，同時伴隨著全球變暖的趨勢，部分海域雷暴日天氣越來越多，海上設施的雷電風險隱患在提高，為了有效降低風險，保障設備的完整性，保障生產安全，就要在雷電危害、雷電風險評估、適應性改造等方面開展研究。

1 雷電危害分析

直擊雷危害就是雷雨就近對地放電的過程，這種情況在海上設施時有發生，部分冷放空管線經常有雷擊起火現象。感應雷危害就是雷電流的瞬變磁場在金屬導線中產生的高電位和瞬間大電流造成的，密閉金屬艙室內的設備因為艙室本身就是金屬導體，能夠起到屏蔽作用保護內部的儀表設備。但對于裸露于環境中的設備，能夠造成較大的損害，現場的信號傳輸、狀態顯示、狀態反饋等儀表，在缺少浪涌保護的條件下，如電磁兼容性較差，磁感峰值過高，極易造成損壞。國外的一些石油公司的海上設施在雷暴季節也曾遇到過雷電損害的情況，最后通過適應性改造，控制了雷電損失，保障了設備的完整性。

2 海上設施雷電防護現狀

海上設施的雷電防護，目前沒有國家標準、行業標準和團體標準?，F有標準主要針對建(構)物，在防雷產品、工程設計、施工和檢驗方面的標準。僅有部分企業參照陸地設施的相關防雷技術和標準，對海上鉆井設施進行防雷設計和施工，積累了一些技術和工程經驗。如在西非作業的Jade海上鉆井平臺，在雷雨季節飽受雷擊困擾，2003年由Lightning Eliminators &Consultants公司針對平臺發電系統、變頻系統、通訊系統、設備控制系統制定了一套防雷解決方案，取得一定成效。目前，Transocean、Chevron、Texaco、ExxonMobil和BP等國際石油公司已逐步意識到海上鉆井設施面臨的雷電危害，開始著手對所屬海上鉆井平臺和其他各類石油設施開展有針對性的防雷設計改造。

3 防雷分區的劃分

依據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[1]，結合海上設施的空間結構和高程，以45 m作為滾球半徑，根據滾球半徑的保護位置，計算雷電防護區域和非防護區域。非防護區用LPZ0A表示，防護區用LPZ0B，鋼制房間內的保護用LPZ1。以此，得到某海上設施防直擊雷防護區域的劃分。

(1)頂驅本體：LPZ0B；頂驅傳感器：LPZ0B；頂驅旋轉編碼器：LPZ0B；頂驅電磁閥：LPZ0B；頂驅電機：LPZ1；頂驅接線箱：LPZ0B。

(2)頂驅變頻房房體：LPZ0B；變頻器柜：LPZ1；空調：LPZ1；DTI板、CUVC板等電路板：LPZ2。

(3)司鉆房房體：LPZ0B；鉆井儀表外殼：LPZ1；儀表電路：LPZ2；顯示屏電路：LPZ2。

(4)泥漿池液位傳感器：LPZ1；計量罐液位傳感器：LPZ1；泥漿返流探頭：LPZ1；頂驅懸重傳感器：LPZ0B；頂驅轉速傳感器：LPZ0B；頂驅扭矩傳感器：LPZ0B；立管壓力傳感器：LPZ0B；泵沖傳感器：LPZ1。

(5)硫化氫探頭：司鉆房：LPZ0B；喇叭口：LPZ0B；振動篩：LPZ1；泥漿池：LPZ1；機艙門口：LPZ0B；生活區：LPZ0B。

(6)可燃氣探頭：泥漿池右：LPZ1；振動篩前：LPZ1；泥漿池左：LPZ1；振動篩后：LPZ1；喇叭口：LPZ0B；機艙門口：LPZ0B；鉆臺：LPZ0B。

(7)帶云臺攝像頭：二層臺帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B；攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。

(8)套管平臺帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B；攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。鉆臺帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B；攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。生活樓頂帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B。

(9)攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。

根據GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》，對于處于LPZ0B區的設備和線路應在接口處安裝浪涌保護器；對于處于LPZ1區的設備和線路，宜采用在接口處安裝浪涌保護器；對于處于LPZ2區的設備和線路，可不采用在接口處安裝浪涌保護器。

4 現有直擊雷防護措施驗證

4.1 鉆井平臺接地電阻的計算

鉆井平臺的接地電阻根據典型人工接地極均勻土壤中垂直接地極的接地電阻計算公式：

如考慮海水電阻率和海底土壤電阻率均為恒定值(標準海水的電阻率在0.21～0.22 Ω·m之間；渤海海域海底多為泥沙和軟質泥，土壤電阻率在10 Ω·m左右)，則樁腿接地電阻的計算公式如下：

式中：ρ1為海水電阻率；ρ2為海底土壤電阻率，；1為樁腿在海水中的長度；l2為l1加上樁腿入泥深度；d是樁腿等效直徑。

對海上某一鉆井平臺采用三電極測試法，某鉆井平臺樁腿的接地電阻≤0.01 Ω，小于國家標準不宜大于10 Ω的要求。

4.2 鉆井平臺等電位連接驗證

依據移動鉆井平臺入級規范，該設施上部結構與主甲板采用焊接結構，電阻值小于0.01 Ω，設備外殼采用軟銅絞線與船體連接，截面積不小于16 mm2。因此該平臺在等電位連接上能夠滿足防雷電的要求。

4.3 鉆井平臺線路敷設屏蔽驗證

該設施電纜均為船用電纜，分為動力電纜、控制電纜和通訊電纜，這些電纜均具備編織鎧裝層，均采用穿鋼管敷設，或采用金屬橋架敷設，并且接線良好，電纜與防雷引下線交叉敷設的間距應大于2 m，能夠滿足屏蔽技術要求。

4.4 直擊雷防護措施分析

鉆井平臺除直升機甲板外，其他部位均處于直擊雷防護范圍內；雷擊平臺時，整體結構具備良好的直擊雷能量泄放能力。但平臺強弱電線路還存在集中布設的情況，外部線路屏蔽合規，但還不足以消除感應雷浪涌對設備接口的影響，弱電系統接口電路頻繁的事故案例也能說明這一點。防雷設計時應充分考慮平臺惡劣環境(大風、潮濕、鹽腐、震動等)對防雷裝置的要求，重點關注甲板上的變送器等信號傳送模塊。

依據防雷區劃分圖中的滾球圓弧，平臺直升機甲板、井架二層臺外金屬罩部分處于井架和樁腿的直擊雷保護范圍外。其中二層臺外金屬罩與井架有可靠電氣連接，過渡阻抗小于0.03 Ω；而直升機甲板因直升機起降不適合單獨設置雷電防護系統，建議雷電活動發生期間，盡量避免人員在直升機甲板上活動。

5 浪涌保護器設置與驗證

5.1 浪涌保護器選用標準

在實際現狀中，布線和線路屏蔽問題難以在防雷改造中予以解決，可作為新建平臺在防雷設計方面的建議。對于防雷改造的鉆井平臺，考慮為線路兩端的雷電易損設備加裝浪涌抑制設備，比較符合實際需求，也能夠比較容易實現。

依據中國船級社的規范GD 01—2006《電氣電子產品型式認可試驗指南》，進行選型。該指南規定了不同區域選用浪涌保護器的選擇，同時，明確指出所需要的型式試驗。同時參考IEC 61643《低壓電涌保護器》規范，該規范包含了GD 01—2006規定的型式試驗內容及驗收標準。因此，海上平臺防雷設計中選用的浪涌保護器應符合船用電子產品的要求。

5.2 浪涌保護器應用分析

針對某一鉆井平臺，針對雷暴發生時需要保護的關鍵設備開展了適應性改造，下面對部分改造進行說明。

5.3 鉆井儀表接線箱浪涌保護器安裝

5.3.1 浪涌保護器的選用

鉆井儀表接線箱現有11對線路(1對計量罐液位、4對泥漿池液位、1對泥漿流量、1對懸重、1對轉盤轉速、1對頂驅轉速、1對泵壓、1對泵沖)連接到鉆井傳感器，分別是9對24VDC、4-20 mA傳感器模擬量信號，2對0-5VDC開關量信號；1路線路連接到鉆井儀表，為雙絞線傳輸數字信號。最終為鉆井儀表控制箱的泥漿返流、泥漿池液位、計量罐液位傳感器、懸重、泵壓輸入選用OBO MDP-4/D-24-T浪涌保護器。另為鉆井儀表控制箱的網線選用OBO RJ45S-E100/4-F浪涌保護器，技術參數如表1所示。鉆井儀表接線箱浪涌保護器安裝示意圖如圖1所示。

表1 OBO RJ45S-E100/4-F SPD技術參數

圖1 鉆井儀表接線箱浪涌保護器安裝示意圖

5.3.2 浪涌保護器對原系統的分析

OBO RJ45S-E100/4-F浪涌保護器(鉆井儀表改造用的)。

內部原理圖和實物圖如圖2所示。根據浪涌保護器的內部原理圖，1、2、3、6線路串聯接入到原有系統中，這四段線路自身電阻極小，不會對信號傳輸帶來影響。該浪涌保護器內部電路考慮到了浪涌的共模干擾和差模干擾，線線、線地間均設置一級GDT(氣體放電管)，在未出現浪涌時GDT呈斷路狀態，漏流幾乎為零，只有當浪涌入侵時GDT才會瞬間導通，泄放浪涌至PE線，并立即恢復斷路狀態；為了更精細地抑制信號線間的差模干擾浪涌，設置一組橋式整流電路，起穩壓鉗位作用。綜上，該浪涌保護器在系統正常工作狀態下既不會干擾信號的傳輸，也不會影響原有系統的性能，只在感應浪涌出現時發生動作。

圖2 OBO RJ45S-E100/4-F SPD內部原理圖和實物圖

5.4 視頻監控主機系統控制箱更換

浪涌保護器的選用：監控主機系統控制箱內無足夠空間安裝浪涌保護器，加裝1臺防爆接線箱，監控攝像機電纜通過新加防爆箱內浪涌保護器后，再接入監控主機系統控制箱，最終選用OBO VF2-230-AC/DC-FS型浪涌保護器。增設防爆型如圖3所示。

6 海上設施防雷技術發展建議

圖3 視頻監控主機系統增設防爆接線箱前后對比圖

關于海上設施的雷電防護，中國目前沒有形成相關的國家或行業防雷標準，同時也缺乏設計和施工經驗。對海上鉆井設施進行防雷設計、評估和改造，陸地通訊、建筑、工業設施等方面的防雷技術理論和經驗是否可以完全照搬到海上鉆井設施，目前來說都是未知。因此，應在陸地防雷技術理論和標準的基礎上，針對具體類型的海上設施開展適用性研究，找出海上設施和陸地建構筑物在防雷需求方面的異同點，并開展專項研究，在上述規范已有防雷規定的框架上，進一步細化、量化防雷標準。經過與國內防雷專家的交流和討論，總結了以下發展方向：(1)以降低雷擊時生產作業帶來的安全隱患為目的的雷電監測系統和預警技術；(2)海上設施雷電風險評估技術，包括半定量和定量評估技術；(3)海上鉆井設施專用防雷裝置的開發和應用。

7 結語

此外，應努力制定并不斷完善海上鉆井設施防雷標準和規范，并加大防雷裝置常規檢測和維護力度，杜絕由于防雷裝置損壞和失效造成的雷擊事故。