石油物探地震采集設(shè)備防雷擊新裝置的研發(fā)及應(yīng)用

許永安 凌有江 柳海龍 王 懂 李憲寶 何 俊

（中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750）

0 引言

每年因采集設(shè)備雷擊損壞造成的損失巨大。如何有效減少雷擊損失、提高雷電天氣作業(yè)效率，一直是非常棘手的難題。筆者一直持續(xù)研究如何加強地面采集設(shè)備受雷擊時的抗擊能力，取得了一定成效，由于雷電發(fā)生迅速且強度巨大，有時加強受擊能力的裝置往往來不及起作用，采集設(shè)備即被雷擊損壞，始終不能取得根本性效果。通過打破思維定勢，運用創(chuàng)新思維，理論聯(lián)系實踐，分析問題根本原因，繼續(xù)研發(fā)新的解決方案和新的裝置，以期根本有效地解決該生產(chǎn)技術(shù)難題。

1 預(yù)防雷擊的技術(shù)難點

由于雷電不宜把控且發(fā)生迅速，以及工區(qū)內(nèi)物探地震采集設(shè)備數(shù)量多、采集設(shè)備存在設(shè)計缺陷等因素，采集設(shè)備防雷擊十分困難，具體技術(shù)難點如下：1）直觀判斷雷電強度和落雷概率的難度很大。目前野外作業(yè)中判斷落雷概率的方法為傳統(tǒng)的依靠天氣預(yù)報和看云及聽雷的方法。工區(qū)內(nèi)氣象預(yù)報精度低，難以做到精準(zhǔn)預(yù)警雷電，不能科學(xué)直觀地判斷雷電強度和落雷概率，過晚停產(chǎn)會導(dǎo)致雷擊損壞采集設(shè)備或過早停產(chǎn)會損失生產(chǎn)時間。2）采集設(shè)備未及時斷電，導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞。在野外地震采集時采集設(shè)備須帶弱電作業(yè)，在其周圍形成電場，當(dāng)雷電閃擊時，極易通過被電離的空氣及導(dǎo)線形成放電回路，導(dǎo)致采集設(shè)備受到損壞。某工區(qū)3條沒有接電瓶且相互連接的備用排列，在受到雷擊后沒有被雷擊損壞，而緊鄰的及其他區(qū)域接電瓶的排列都有被雷擊損壞。3）采集設(shè)備之間的連接未及時斷開，導(dǎo)致更多采集設(shè)備受雷擊損壞。在野外采集時排列間處于連接狀態(tài)，雷電侵入產(chǎn)生的雷電波易在采集設(shè)備之間的傳輸，導(dǎo)致更多采集設(shè)備損壞。在雷電將至?xí)r，提前斷開排列之間連接，明顯減少了雷擊損壞地面采集設(shè)備。4）由于采集站為塑料材質(zhì)，屏蔽雷電能力不強，雷電容易侵入，導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞。從理論上分析，由高斯定理可知，通過一個閉合金屬曲面的總磁通量為0。因此，設(shè)計金屬屏蔽層是科學(xué)的。國家防雷電規(guī)范（6.2章節(jié)）也提到采用合適的設(shè)備屏蔽措施，以盡量減少電磁脈沖感應(yīng)帶來的破壞[1]。從現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，428儀器只有采集站和檢波器損壞，而電源站因是金屬外殼，接地良好，基本沒有因雷擊損壞。5）采集站接地不良導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞。根據(jù)采集設(shè)備內(nèi)部的防雷器原理，接地良好是基礎(chǔ)關(guān)鍵。例如Sercel 428儀器的電源站和交叉站外殼金屬材質(zhì)接地良好，幾乎未出現(xiàn)過由于雷擊損壞的情況。由于采集站設(shè)計原因，接地鐵片接地不良，雷電壓無法及時泄荷到地下，因此，加載于采集站的殘存電壓過大導(dǎo)致采集站電路損壞。

2 防雷擊解決思路

該防雷擊整體系統(tǒng)包括雷電預(yù)警裝置預(yù)警器、遙控通斷系統(tǒng)、金屬屏蔽層、接地樁，預(yù)期可達(dá)到預(yù)防雷擊和加強受擊能力效果，具體解決思路如下。

2.1 研制雷電預(yù)警器

針對不能科學(xué)直觀判斷雷電強度和落雷概率的難題，采取“加裝雷電預(yù)警器”預(yù)防雷擊方案。由于海外項目多為無公網(wǎng)信號地區(qū)，因此，須自行研制基于無線電傳輸模式的雷電預(yù)警器。儀器人員可以通過監(jiān)視雷電強度對應(yīng)的落雷概率，進(jìn)行科學(xué)地把控。

2.2 研制遙控通斷系統(tǒng)

針對采集設(shè)備未及時斷電和連接未及時斷開，導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞的難題，運用“TRIZ”創(chuàng)新方法，將其他行業(yè)領(lǐng)域技術(shù)車輛遠(yuǎn)程熄火技術(shù)引入該行業(yè)領(lǐng)域，研制了基于無線電傳輸模式的自動遙控通斷系統(tǒng)，提前快速斷開排列電瓶和排列之間連接的預(yù)防雷擊方案，解決該行業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)中的問題[2]。

2.2.1 工作原理

發(fā)射端單片機檢測到接通按鍵按下后，發(fā)射端lora模塊將發(fā)射端單片機的接通指令發(fā)射到接收端lora模塊；lora模塊將收到的指令傳送到接收端單片機，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗無誤后，對電機驅(qū)動電路發(fā)送正轉(zhuǎn)指令，電機正向旋轉(zhuǎn)，帶動機械機構(gòu)接通觸點。斷開觸點同理。將該通斷系統(tǒng)接收端的觸點串接在電瓶和電源站之間，即可實現(xiàn)遙控通斷電瓶與電源站之間的連接。同理，將接收端的觸點串接在電源站和大線之間，即可實現(xiàn)通斷排列之間的連接。參見圖1。

圖1 遙控通斷系統(tǒng)程序流程圖

2.2.2 通斷系統(tǒng)遙控電路軟硬件研制

應(yīng)用單片機技術(shù)+C語言編程，研制通斷系統(tǒng)遙控電路[3-4]。

2.2.3 通斷系統(tǒng)遙控電路與無線電模塊對接

單片機與無線模塊采用串口通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)需要將通信模塊也進(jìn)行相同的設(shè)置。單片機以串行數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給模塊，模塊收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)出去。

2.2.4 殼體和機電執(zhí)行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化

利用雙向電機轉(zhuǎn)動，推動與電機連接的螺桿正反方向旋轉(zhuǎn)，從而推動與該螺桿連接的觸點行進(jìn)，以實現(xiàn)移動觸點與固定觸點間的接觸和隔離。由于移動觸點與固定觸點分別與電瓶電源線以及與排列兩端相連，因此，移動觸點與固定觸點的接觸和隔離即等同于將電瓶電源線以及排列接通和斷開。并且移動觸點與固定觸點之間的物理間隔距離為5cm以上，遠(yuǎn)大于空氣被雷電擊穿的距離，因此可保證在雷電時機構(gòu)處于隔離狀態(tài)的觸點間不被雷電擊穿，是安全可靠的。

2.2.5 遙控通斷系統(tǒng)測試

遙控通斷系統(tǒng)測試：1）無線電、控制電路的功能穩(wěn)定性測試。將接收端控制電路輸出端接上一個雙向電機，通過發(fā)射端交替發(fā)送斷開和接通指令，觀察雙向電機能否同步正常實現(xiàn)與指令對應(yīng)的正反轉(zhuǎn)。重復(fù)測試100次，功能穩(wěn)定。2）遙控通斷系統(tǒng)的通信距離和功能穩(wěn)定性測試。一名測試人員定時通過發(fā)射端按一定頻率交替發(fā)送斷開和接通指令，另一名測試人員攜帶接收端逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射端，并時刻監(jiān)控接收端通斷指示燈變化情況。直至接收端指示燈變化與發(fā)射端通斷指令不同步，記錄此時接收端與發(fā)射端之間的距離。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在開闊地帶最遠(yuǎn)有效控制距離15km以上，且功能穩(wěn)定。3）驗證遙控通斷系統(tǒng)的通信、控制電路、機電執(zhí)行機構(gòu)的功能穩(wěn)定性。將接收端成品連接1個燈炮。一名測試人員通過發(fā)射端向接收端交替發(fā)送接通和斷開指令，另一名測試人員通過觀察于接收端連接的燈泡的點亮和熄滅，來判斷接收端內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)的觸點是否真正處于接通和斷開狀態(tài)，重復(fù)該測試100次，功能穩(wěn)定。4）應(yīng)用該遙控通斷系統(tǒng)通斷排列電瓶與人工通斷排列電瓶所用時間比測試。應(yīng)用該遙控通斷系統(tǒng)，操作人員遙控通斷附近排列電瓶，并記錄所用時間。工作人員行至同一排列連接電瓶處，人工通斷排列電瓶，并記錄所用時間。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該科研產(chǎn)品通斷排列電瓶比人工通斷排列電瓶更快速。參見表1。

表1 2種通斷方式所用平均時間對比

2.3 噴涂金屬屏蔽層

針對采集站接地不良導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞的問題，采取“噴涂金屬屏蔽層” 方案加強受擊能力。

對比選用結(jié)合附著力強、價格適中、導(dǎo)電性能良好的鍍鋅自噴漆。在采集站塑料外殼噴涂0.5mm厚鍍鋅金屬屏蔽層。改善了采集設(shè)備內(nèi)外磁通量不平衡，增強了雷電時采集站對雷電的屏蔽能力，減少了雷電侵入概率。

2.4 研制接地樁

針對采集站接地不良導(dǎo)致采集設(shè)備被雷擊損壞的問題，采用“加裝金屬接地樁” 方案加強泄荷能力。

選用輕薄金屬材質(zhì)，設(shè)計合頁鉸接式可折疊結(jié)構(gòu)，并設(shè)計有固定卡箍和接地鐵片收納卡箍，這樣接地樁很容易加裝固定在采集站上。解決了采集設(shè)備接地片過小問題，加強了卸荷能力，減少了殘余電壓。

3 防雷擊系統(tǒng)整體測試與應(yīng)用

在雷電實驗室對防雷擊裝置真實有效性分項進(jìn)行了模擬落雷測試。參見圖2。

圖2 模擬落雷測試該防雷擊裝置

具體測試方法：將采集設(shè)備放置于模擬雷電場中，在采集設(shè)備上先后加裝各防雷擊裝置，分別測量并記錄加裝各裝置時采集設(shè)備中雷電感應(yīng)電壓值壓制效果，并進(jìn)行了破壞性對比測試。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)各測試項均符合判定指標(biāo)。雷電實驗室測試結(jié)果驗證這些裝置真正具有防雷擊作用。

在2個國內(nèi)項目進(jìn)行了功能應(yīng)用試驗。通過雷電預(yù)警系統(tǒng)，儀器操作員可直觀監(jiān)視雷電強度，并能科學(xué)把控；一鍵秒通斷電瓶和排列；而采集站噴涂的金屬屏蔽層加強了屏蔽雷電效果，減少了雷電侵入概率；即使有雷電侵入，大部分從加裝的接地樁泄荷到地下；未被泄荷的雷電波也不會在預(yù)先斷開的排列中傳播，避免損壞更多采集設(shè)備。實現(xiàn)了“科學(xué)把控、一鍵通斷、加強屏蔽、加強卸荷”的目標(biāo)。經(jīng)應(yīng)用試驗達(dá)到了設(shè)計效果，且功能穩(wěn)定。參見圖3。

圖3 應(yīng)用試驗示意圖

通過雷電實驗室測試和生產(chǎn)應(yīng)用試驗，驗證能有效實現(xiàn)排列和電瓶的快速遙控通斷，減少采集設(shè)備雷擊損壞和生產(chǎn)時間損失，大幅度降低勞動強度，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)論

該文涉及的預(yù)防雷擊和加強受擊能力新方案新裝置，為石油物探行業(yè)地面采集設(shè)備預(yù)防雷擊損壞，提供了一個科學(xué)創(chuàng)新性解決方案。1）該方案裝置研制基于防雷擊理論+實踐論證，及雷擊損壞采集設(shè)備根本原因分析，可削弱雷電對采集設(shè)備的侵入強度，減少雷電波在采集設(shè)備中的傳播條件，并兼顧加強受擊能力措施，因此，能根本有效地減少采集設(shè)備雷擊損壞率。2）該裝置能進(jìn)一步埋設(shè)石油物探野外作業(yè)的自動化程度，可為石油物探作業(yè)保障安全生產(chǎn)、提高作業(yè)效率、降低勞動強度、減少生產(chǎn)成本發(fā)揮巨大作用。