本文從錄井現場工作的實際出發，利用國內外在野外儀器設備防雷系統的最新研究成果，結合錄井現場儀器設備的實際情況，通過調研國內外不同型號綜合錄井儀設備的特征，探討井場直接防雷和室內間接防雷的先進防雷系統設計方案，尤其在室內防雷器的選型和介入方法上進行詳細闡述，以期用于不同型號的綜合錄井儀的防雷措施中。

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雷電對錄井儀器設備的主要入侵形式是直接雷擊和間接雷擊，其中間接雷擊包括：雷電的間接引入（由信號線或電纜線引入）、雷電感應和雷電波的入侵。 

1.1　直接雷擊防護方案

直接雷擊防雷系統主要由接閃器、引導線、接地裝置等部分組成，雷擊于避雷針后，強大的雷電流通過接地引線至接地裝置泄入大地，如圖1所示。錄井現場的避雷針系統由架設在井架頂端的接閃器通過引導線與各個錄井儀器房進行連接，儀器房接有地線裝置進行泄流。 

1.1.1　井場避雷針系統保護范圍計算

單避雷針保護范圍計算方法［2］如圖2所示。從避雷針接閃器針的頂點向下作45°斜線，構成錐形保護空間的上部，在其H／2處轉折，與地面上距針底各方向1.5　H 處相連接，轉折點以下的斜線，即構成保護空間的下半部。井場避雷針系統設置如下：接閃器設置在井場井架的頂部，引導線沿著井架垂直方向鋪設，一般長度為40ｍ，接地線介入地下5ｍ；井場錄井儀器房的安裝位置Ｌ 一般位于距離井架50～100ｍ 處；錄井現場儀器設備房的高度H0一般為10ｍ；不同型號的井架高度有所不同，取其平均值40ｍ。井場避雷針系統的保護半徑Rｘ的計算公式為：

Rｘ＝B（1.5H －2H0） （1）

式中：

Rｘ為井場避雷針系統的保護半徑，ｍ；

H 為井場井架上接閃器頂端與地面的距離，ｍ；

H0為錄井儀器房的高度，ｍ；

B 為高度影響系數。 

一般井架高度都會大于30ｍ，系數B 取值依據《GB 50057－2010建筑物防雷設計規范》：當H≤30ｍ，B＝1；當30ｍ＜H ≤120ｍ，B＝5.5。實際設計計算中宜取B＝5.5。

依據公式（1）和實際的參數值計算，可得井場避雷針系統的保護范圍Rｘ為220ｍ。 

1.1.2　錄井儀器房處于保護范圍內

實際錄井儀器房距離井架的中心點的位置Ｌ一般為50～100ｍ，可見Ｌ＜Rｘ，因此在井架處設置避雷針系統，可以保護錄井儀器設備不遭遇直接雷擊危害。 

1.2　間接雷擊防護方案

錄井現場雷電間接引入的方式主要有：傳感器的信號線和儀器房的供電電纜線引入、衛星信號線的引入以及雷電感應和雷電脈沖的間接影響。間接雷擊的防護措施主要是在所需防護設備的前端介入防雷器（SPD），但要根據錄井現場的實際以及與錄井儀器設備的兼容性和經濟實用等多方面進行綜合考量，從而選擇最優的方案、最合適的防護措施。

1.2.1　間接雷擊的入侵方式

雷電間接侵入錄井設備最為常見的方式是經由傳感器信號線和儀器房的供電電纜以及電動脫氣器的供電電纜，雷擊最有可能首先發生在鉆井井架，雷電因錄井傳感器與井架的良好連接而進入錄井儀器房；其次是感應雷擊，雷電放電在附近導體上產生靜電感應和電磁感應，能使金屬部件之間產生火花，一般500ｍ范圍內的電子信息設備均是其破壞對象；再次是雷電波入侵架空線路或金屬管道，沿著這些途徑入侵室內，危及人身安全、損壞設備。雷電電磁脈沖防護理論和實踐經驗證明，雷電入侵中電子信息設備的損壞主要是雷電感應浪涌電壓造成的，它可以通過各種引線把感應浪涌電壓波引入電子信息設備內部，破壞其芯片和接口。

1.2.2　錄井儀器設備保護分區

根據以上分析不難看出，必須對錄井儀器設備按照其重要程度進行保護級別的分區，依據ＩEC（國際電工委員會）雷電保護區的劃分要求，如圖3所示。錄井儀器設備分級保護如下： 

（1）錄井儀器房本身及傳感器的接線系統因處于井場井架避雷針系統的保護范圍內，故屬于很少遭到直接雷擊區域，但該區內電磁場沒有衰減，定義為LPZ0B區。

（2）錄井儀器設備電源系統，其中包括UPS電源系統及市電供電系統，位于儀器設備房內部屬于不可能遭受直接雷擊且流經各類導體的電流比LPZ0B區進一步減小的區域，定義為LPZ1區，實行B級保護。

（3）錄井儀器設備通信系統，包括隔離柵、節點等，位于儀器房內，其重要程度較高，是受電磁場或電流場影響嚴重的區域，定義為LPZ2區，實行C級保護。

（4）錄井儀器設備計算機網絡系統，是較為脆弱的部分，也是最容易遭遇電磁場或電流場影響的區域，將該區定義為LPZ3區，實行D級保護。

1.2.3　錄井儀器設備不同級別的保護措施

不論是要確保各系統，特別是資料采集系統正常運行，不受雷電所造成的過電流、過電壓的干擾和破壞，還是保護機房不致被雷電襲擊，首先是要阻斷所有的雷擊入侵渠道，實行分區和等電位連接的原則，并結合機房的實際情況按規范正確實施。

（1）B級保護措施。采用架設井場井架避雷針系統，同時在UPS供電系統中加入防雷開關的措施實施保護。

（2）C、D級保護措施。采用在設備前端介入防雷器SPD，同時對于計算機系統還要采用DBSE技術，即分流、均壓、接地、屏蔽4項技術的綜合應用，確保達到多重保護、層層防護的目的。

由于井場架設井架避雷針系統與UPS加入防雷開關保護措施較為簡單易行，這里不作系統介紹，以下重點介紹錄井儀器設備C、D級保護措施的具體實施和防雷器的介入辦法。

2.1　防雷器的介入方法

防雷器是一種電壓開關型電涌保護器（英文縮寫SPD）［3］，為錄井儀器設備C、D級保護的關鍵設備，它的基本原理是在最短時間（nS級）內將被保護線路連入等電位系統中，使設備各端口電位相等，同時釋放系統中因雷擊而產生的大量脈沖能量，并短路泄放到大地，降低設備各接口端的電位差，從而保護線路上用戶的設備［2］。對錄井儀器設備而言，傳感器供電線路和傳感器信號線路是雷電襲擊產生過電壓并傳導的兩條主要通道，因此錄井現場必須將防雷器介入于傳感器接線與隔離柵或節點之間，才能達到防止間接雷電入侵的目的。

本文以隔離柵作為信號傳輸硬件設備的綜合錄井儀為例，介紹錄井現場儀器設備房內部C、D級防護防雷器的介入方法。為了達到防雷效果，需將防雷器的介入方法與DBSE技術結合使用，因此需在錄井儀器設備傳感器信號接入的接線銅排和接線總成及計算機網絡3處A、B、C引入接地點，如圖4所示。 

2.2　防雷器的選型

2.2.1　防雷器選型原則

依據對錄井儀器設備防雷保護級別的分類，在實施C、D級保護的儀器設備中既包含電流、電壓信號的隔離柵等，還包括網絡接口裝置，因此防雷器選擇時必須考慮既能節省經濟成本，又便于現場安裝維護的要求。選型的總體原則為：

（1）兼容性。防雷器的兼容性是能否應用到錄井現場并起到較好防雷效果的關鍵，由于錄井傳感器通過信號線和供電線返回隔離柵或節點處的是4～20mA電流信號，SPD在選型時應考慮電子設備的相容性，應滿足錄井儀器設備信號傳輸速率、工作電平、網絡類型的需要，同時其接口應與被保護設備兼容［4－6］。

（2）特殊性。錄井現場設備供電系統和信號系統的特殊性決定防雷器在選用SPD電源時要考慮供電系統的形式、額定電壓和信號接口的連接及信號的輸入、輸出方式等因素；同時SPD串接在線路中，在選用時應選用插入損耗較小的SPD，正確安裝才能收到預期的效果［7］。 

2.2.2　防雷器的技術參數

（1）交流標稱電壓。錄井現場設備供電分為220V、380V，而國外引進的新型錄井儀電源為110V，因此選擇防雷器的標稱電壓應為220V／380V／110V，可調。

（2）最大放電電流Ｉmax。考慮到錄井設備的實際載荷情況，選用Ｉmax為100～150kA，8／20～10／35μS為宜。