浅析钻井平台雷电防护措施

浅析钻井平台雷电防护措施

李雪林

李雪林

达州市气象局四川达州635000

摘要：钻井平台大都分布在野外，地理位置偏僻，高度较高，土壤电阻率大，极易遭受过雷击。钻井平台一方面属于易燃易爆场所，另一方面场站内电子信息设备设施众多，如何把这两者有机的结合起来，采用适合钻井平台的雷电防护措施，降低雷电灾害损失。

关键词：钻井平台；雷电防护

1、概述

钻井平台现场主要作业设备设施有钻杆架、泥浆罐、柴油发电机组、库房、办公板房等，由于钻井都是在野外，分布的地理位置不确定，分布在山地和山顶，一般处于雷暴分布较密集地域，一个钻井平台的工作周期约为3个月至三年。

由于作业区内属易燃易爆场所，井架有几十米高，在雷雨天气下遭受雷击的可能性很大。为了保证作业现场人员的安全，以及设备的正常运行，作业现场的雷击防护显得特别重要。

2、直击雷防护措施

井站内需要考虑直击雷防护的有两个区域，一个是钻井平台，另外一个区域是柴油罐区。

2.1钻井平台直击雷防护

钻井平台井架高度超过50米，能对站场内其他设备形成有效的保护，井架自身为钢结构，能承受直击雷，但井架上有大量的电气设备，如电机、电机控制器以及工作人员等，如果井架遭受直击雷，电气设备极可能因为过电压造成损害，同时对工作人员也存在遭受雷击的风险，因此对井架的直击雷防护对整个井站来说，是一件首先需要慎重考虑的事情。

避雷针为引雷针，把雷电引走是对设备最好的保护，在GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中第4.2.1条规定如下：

第一类防雷建筑物防直击雷的措施应符合下列规定：

（1）应装设独立接闪杆或架空接闪线或网。架空接闪网的网格尺寸不应大于5m×5m或6m×4m。

整个井架几十米高，在井架旁边装设独立避雷针，是不可能的，因此只能在井架顶端装设避雷针。为了将雷电流引走，因此避雷针与井架之间必须有良好的绝缘，普通避雷针都是金属底座，用绝缘板是不能完全解决绝缘问题的，雷击都是在雨天，雨水导电，避雷针接闪后，雷电流沿着雨水侵入到井架上。因此，必须采用玻璃钢避雷针，玻璃钢避雷针针尖为金属，支撑杆为玻璃纤维管，底座金属法兰，引下线采用铜导线，很好的解决了避雷针与井架之间的绝缘问题，如右图所示。

避雷针专用引下线根据规范可知，需采用50mm2的专用接地线，可采用铜线、铝线等。由于避雷针地网需设置在井站外围（将雷电流引到远端），为了施工便捷，因此，采用双色BVR50平方的专用铜芯接地线。

根据GB50650-2011《石油化工装置防雷设计规范》中第4.2.6条“高大炉体、塔体、桶仓、大型设备、框架等应至少使用两根引下线，引下线的间距不应大于18m。”因此，井架应设置两根接地线，分别连接到井站的联合地网上，采用16mm2的专用接地线。

2.2柴油罐区直击雷防护

柴油罐一般设置在井站外围，柴油也属于易燃易爆物，需按一类建筑物防护进行，其防护方案为：每个柴油罐做接地处理，对角两端接地，地电阻小于10Ω；距离柴油罐3米之外设置独立避雷针，避雷针接地电阻小于10Ω，避雷针的高度按GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录D计算：(b-4)

式中：--接闪杆在高度平面上的保护半径(m)；--滚球半径(m)；--被保护物高度(m)；h--避雷针高度(m)。

第一类防雷建筑滚球半径取30m，柴油罐的尺寸（包括底座：长×宽×高）6*2.5*3m，保护两个柴油罐避雷针的高度为：

根据图示，避雷针的保护半径=8.54m，计算出避雷针的高度为h=9.2m，需安装高度为10m的避雷针，如果柴油罐数量增加或减少，则应按b-4重新计算避雷针高度。

3、共用接地系统及等电位连接

GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中第4.2.2中第3条规定：防雷电感应的接地装置应与电气和电子系统的接地装置共用，其工频接地电阻不宜大于10Ω。防闪电感应的接地装置与独立接闪杆、架空接闪线或架空接闪网的接地装置之间的间隔距离，应符合本规范第4.2.1条5款的规定。

井站现场的录井房、发电机房、电控房、各种库房、泥浆泵房等均采用金属移动房，考虑到井站内大量的仪器控制设备，因此，整个井站内应设一个共用接地装置地网，该地网的接地电阻小于4Ω，所有设备的保护地、工作地等都接在该地网上，雷击时做到相互之间没有电位差，防止设备因为电位差引起的损坏。

3.1钻机主机的等电位连接及接地

钻机天车、井架、二层台、钻台、底座、防喷器、节流管汇、套管与总等电位联结之间应有可靠电气通道，各处等电位联结电阻值不大于0.2Ω；位于防爆区内或防爆区（按API定义）上方，应避免金属构件之间的小间隙因雷击产生火花放电，如有小间隙，应采取等电位连接措施；井架底座至少两处用接地母线与地网可靠连接。

3.2电控房/MMC房/顶驱房?

电控房/MMC房/顶驱房应有统一的保护接地，并通过房体对角处两处接地螺栓与井场共用地网可靠连接；?所有电器设备保护接地及金属构件应统一接到接地母排上，形成房内区域或局部等电位连接。

发电房动力电缆应通过屏蔽敷设措施进入电控房/MCC房/顶驱房，必要时应采取浪涌抑制保护措施。电控系统主要通过完善屏蔽、区域和局部等电位连接实现防雷保护，必要时可装设浪涌抑制保护器；电控信号传感器可在进出线柜处采取防雷措施；电控房\顶驱房外接的编码器电缆应具有可靠的接地，必要时可加装金属编织软管进行屏蔽并接地。?

3.3钻井参数仪

钻井参数仪现场传感器可安装防爆信号防雷器，其防雷接地通过金属构件与总等电位联结母线电缆连接，其等电位电阻应小于0.03Ω；钻井参数仪主机的保护接地应与司控房保护接地可靠连接；钻井参数仪防爆箱内进线端子处，应安装防雷器，其防雷接地应与司控房保护接地可靠连接。

3.4综合录井房

房内仪器设备、电器设备的保护接地与金属构件应与房内局部等电位联结端子可靠连接；房内总等电位联结端子与房体接地螺栓可靠连接，其连接电阻应小于0.03Ω；综合录井房房体应设置对角两处接地螺栓，同时通过引下线与接地体连接；房体接地螺栓应通过录井总等电位联结电线与钻机底座连接。

3.5发电机、泥浆泵、库房等等设备的接地

将井场内的接地母线用扁钢引入到设备下端，设置一个断接卡；用16mm2接地线将设备保护地连接在断接卡上，发电机在对角各设置一根接地线；库房、会议室等金属房屋，需在房屋的对角各焊接一棵螺钉，用16mm2接地线通过压接与共用地网的接地母线可靠连接。

4、电源线路的雷电防护

通过现场的勘测检查可知发电机动力输出端、钻机控制室内的供电线路、地质房的供电线路上均未安装浪涌保护器，这对野外用电设备来说存在极大的风险，应按相应的规范要求增设电涌保护器，保证用电设备的正常运行。

每个发电房馈电柜内应安装一级电涌保护器，采用8/20us波形120KA的浪涌保护器；MCC房总柜内及各用电设备房间的配电箱处应配备二级电涌保护器，采用8/20us波形60KA的浪涌保护器；综合录井房内应安装两级保护的并联式三相交流电涌保护器，末级采用防雷插座，三级保护能量配合剂电压分配应合理，各级保护电压及额定通流量合理，确保各级保护有效。

地质房内应装设单相交流电涌保护器及防雷插座；综合录井房信号采集接口应安装信号防雷器。

5、结论

野外钻井平台遭受雷击的主要原因是钻井平台的井架引起的，由于井架高度高，雷雨天很容易接闪，井架接闪后，雷电流沿井架及井架上的各种电缆，侵入到各种设备，由于井场内土壤电阻率高，各种设备接地不良，同时未安装相应的SPD，所以造成设备的损坏。解决的方案为在井架上装设玻璃钢避雷针（避雷针与井架良好绝缘），专设引下线，将雷电流泄放到井场外，没有雷电流的侵入，解决了井场内90%的雷击问题。再将站场内的等电位连接、线路SPD的安装、屏蔽及综合布线等完善即可解决井场遭受雷击的问题。