摘要：早在人类文明尚未萌芽之际，雷电便已在宇宙间活跃，它既扮演着大自然的清洁工角色，为地球生态循环增添了神秘色彩，也以独特的方式引导了人类对燃烧现象的理解以及电力的探索；然而，雷电的力量亦如双刃剑，对人类的生活和生产活动构成潜在威胁，它不仅是生命的潜在杀手，还常常对建筑结构和电子装置造成毁灭性的打击。雷击放电主要分为直接命中和感应效应两种形式，早年间由于电子技术的局限，这些影响并不显著，仅需简单的避雷设施就能应对；然而，随着数字化油田时代的到来，计算机监控系统、通信设备和自动化仪表等高科技产品深入到石油开采的各个环节，雷电感应的风险急剧上升，随之而来的是经济损失的显著增长，这无疑提出了新的挑战和防护需求。

1、存在的主要问题

雷电放电现象由单次或多个独立的闪电爆发构成，每一次释放出的电流强度极高且脉冲短暂，通常在10,000到100,000安培的区间内发生，持续时间少于百万分之一秒。雷击放电主要分为直击放电和感应放电两大类：直击放电指雷电直接命中设备表面或内部元件，虽然可能带来巨大的冲击电流，但在避雷针和接地系统的保护作用下，其潜在风险相对较小；而感应放电则是由雷暴产生的瞬态电流激发，它能引发强烈的电磁场并辐射出电磁波。当这些电磁波影响到供电线路时，会形成极高的感应电压，从而对电子设备，尤其是那些广泛应用在石油开采中的精密仪器造成破坏。随着计算机技术、无线通信和自动化仪表的迅速网络化与智能化，各类电子设备如雨后春笋般涌入石油开采领域。这些设备多依赖于集成电路，但它们在绝缘性能、耐压能力和抗电磁干扰方面存在显著弱点。一旦遭遇雷击，如果没有适当的防护措施，轻则可能导致设备故障，重则可能危及操作人员的生命安全，酿成严重的生产事故。因此，对雷电防护的研究和实施显得尤为重要。

2、仪器仪表雷电与浪涌防护电路设计

2.1雷击防护原理

雷电防范策略分为两个层次：初次直击防护和二次感应防护。当雷电径直命中目标时，我们称其为一次直击雷。为了抵御这种威胁，通常会采用避雷针和避雷网等装置，它们的作用在于导引雷电，使其经由地线导入大地，释放能量。在此过程中，地表的电阻作用会导致雷电流在地面形成显著的电压分布，即所谓的分布电压。而这个分布电压，以及由此引发的电磁场影响，构成了一次雷击后的潜在风险，即二次雷击。二次雷击主要表现为设备供电中突发的高电压冲击，这会显著增加电子设备特别是仪表遭受雷击的概率。对于户外设施如仪表和电缆，首要策略是远离避雷装置，以避免直接受雷击；其次，降低设备和天线的安装高度，能有效降低遭雷击的可能性，从而减轻潜在的损害。在诸如风力发电、气象监测和通信基站这类系统中，设备往往位于高处，如铁塔。这就要求这些设备不仅要应对一次直击雷，还需防范因雷电感应进入线路带来的二次损害。因此，全面的雷电防护设计至关重要，以确保系统的稳定运行和人员安全。

2.2直击雷防护设计

在防止直击雷的策略中，广泛采用的是地网（等电位体）的集成。等电位体是一系列与大地紧密相连的导体，它们之间的跨步距离标准要求小于20米。在建筑物内部，诸如钢筋和水管这样的基础设施因其优良的导电性，常被用于构建等电位体，这种设计不仅有助于防雷，还能有效地削弱电磁兼容中的共模干扰信号。当雷击击中天线或结构时，由于天线与地网相连，整个系统的电位同步上升，所有通过地网连接的设备接触点也随之升高。然而，这并不影响仪器仪表内部与外部的电位差，保持基本稳定。我国的低压供电系统通常采用TN-C配置，其中N代表中性线，PE则是保护接地线，后者允许多点接地。PEN线的功能多元，既可以充当中性线，也可以作为保护接地线。在实际安装中，我们会将三相电的中性线连接到等电位体（接地平台），而仪器仪表的接地线则进一步与等电位体相连，形成一种效果，即中性线两端均接地。这样，三相的中性线与大地处于等电位状态，仪器仪表的接地端也是如此，确保了系统的整体电气安全。

2.3二次防雷防护设计

尽管地网理论上能承受一定程度的电荷，但其实际容量有限，且地网面积受限，接地电阻也不可能全无。因此，在雷击事件中，地网与周边设施间的电位差显著。当远程仪器的供电线路遭遇雷击时，首先，高电压会在设备接地点瞬间形成，随后因落地电阻扩散，形成对仪器仪表输入端与用户接地间的大规模突涌电压冲击。其次，雷击还会通过输电线路引发强烈的感应电压，这些电压以行进波的形式沿线路传至设备，传输距离虽有差异，但依然不容忽视。理想的突涌电压吸收时机应为雷电流上升阶段，即从0.1到0.9的上升期，约为5至8微秒。然而，线路中的突涌电压会快速衰减，通常对应于1000至2000米的线路长度。针对长途输电，仅需关注首尾15公里的防雷措施。尽管地下传输的雷电速度远低于地面，但在城市郊区和农村普遍采用裸导线，易受二次雷击的突涌电压影响，设备极易受损。为此，风力发电机和通信塔等场所应优先考虑地下铺设电源和通信线路，至少20米长度，并采取静电防护措施，以增强电磁兼容性能。在工业环境中，隔离变压器的设计能进一步提升系统的防雷和电磁兼容性。

2.4仪器仪表雷击防护电路的设计

在设计仪器仪表的防雷击电路时，首要策略是在电路输入端集成高效的EMC滤波系统，旨在同时消除高频电磁干扰（EMI）的传导影响，并有效抑制电源线路及突发的电压脉冲。为了确保核心芯片和组件免受过压和过流损害，电路设计需特别关注这些关键部分的静电防护，通过实施有效的共模和差模干扰抑制，提升仪表信号的精确度。仪器仪表的金属外壳利用法拉第笼原理，具备卓越的静电屏蔽能力，但必须确保接地以防止杂散电流的积累。在实际设计中，金属外壳与电路板之间的距离至少应保持3毫米以上，以防止在脉冲测试期间发生尖端放电，从而损害易损的芯片和模块。针对一类或二类设备的安全标准，外壳强制接地是必不可少的，且外壳仅需与大地、两个Y电容相连，禁止额外的电路连接。防雷击电路的关键元件包括：浪涌抑制电感线圈、陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、X型防浪涌电容、半导体闸流管（TVS）、继电器和隔离变压器等。在电路设计过程中，根据各元件的特性和性能，如压敏电阻快速响应但耐压较低，应置于EMC滤波后的位置；而气体放电管虽然启动慢但耐压高，应安置在输入电路前端。然而，气体放电管的放电过程可能时间较长，且存在残压，稳定性有待提高。

3、结论

随着科技领域的蓬勃发展，数字化油田建设的前沿技术日益丰富，仪器仪表设备扮演着关键角色。然而，如何确保这些精密设备免受雷电侵袭，已逐渐成为油田建设中不容忽视的议题。尽管现有的防护手段无法彻底排除雷电风险，但通过持续优化策略，我们可以显著降低遭受雷击的可能性。强调预防优于治疗，我们必须积极拥抱创新，汲取国际上先进的防雷策略和教训，不断强化我们工厂的雷电防护体系，以确保员工和设备始终处于最安全的状态。