428地震仪采集链防雷保护措施

刘学勤　黄伟

摘要：随着电子技术的发展，近年来428采集仪器运用得越来越广泛，设备的防雷显得日益重要。本文介绍了雷电电压的形成及其对428仪器的影响，通过现代化电子设备系统中防雷技术和地震勘探实际分析，针对428仪器采集过程中遇到的问题进行分析，提出了一些改进和处理的方法。

关键词：428仪器；防雷；地震采集

随着石油地震勘探不断发展深入，越来越多石油地震勘探在山地、森林、湖泊、沼泽里进行，石油地震勘探接收道数由以前几十道、上百道发展到目前大规模三维勘探几千道、上万道，甚至十多万道，施工面积可达上百平方千米。目前，各石油勘探队伍绝大多数使用采集仪器为法国SERCEL生产的428仪器。因428地震仪器地面采集设备大规模采用现代微电子技术元件，其集成度高、运算速度快，但其耐压低、耐过流能力差，在雷电较多的工区施工经常出现被雷击现象，近年来，几乎各使用428仪器的石油勘探公司都遭遇过设备被雷击的现象，被雷击后损失轻为近万元，重的达十多万元、几百万元，严重影响施工进度，给施工带来极为不利影响，并带来严重的经济损失。

本文探讨如何在野外施工时尽量减少428采集设备被雷击的现象，及被较轻微雷击后428采集单站的维修方法。

1 雷电的形成与危害

1.1 雷电的形成

雷电是由带电的云层对大地或地面建筑物的自然放电引起的，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，因此，在云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。据有关报道，闪电的平均电流约为3万A，最大电流可达30万A。闪电的电压很高，约为1亿V至10亿V。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，雷电对电器设备有强大的破坏作用。

1.2 雷电的危害

雷电的破坏作用基本上可以分为3类：

1.2.1 直击雷

雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电的现象称为直击雷。雷云放电时，引起很大的雷电流，可达几百千安，从而产生极大的破坏作用。

如果直击雷打中大线，通常会引起较大的设备损失，通过电缆连接在一起的所有采集站、电源站、交叉站、近距离的检波器和电缆等设备几乎严重烧毁，烧毁设备无法修复。给施工带来极大的损失。

1.2.2 感应雷

雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电磁效应和静电效应作用。雷云在测线上空形成很强的电场，便会感应出与雷云电荷相反的电荷（称为束缚电荷）。在雷云向其他地方放电后，云与大地之间的电场突然消失，线路上形成的高电位造成线路放电。根据有关人员试验，这种感应电荷在低压架空线路上可达100kV，信号线路上可达40～60kV。

感应雷给428设备带来的影响根据云层放电大小和距施工测线长度有大有小，设备可能被烧毁、设备元件被击穿等影响。

1.2.3 富电波侵入

当线路或架空金属管道遭受雷击，或者与遭受雷击的物体相碰，以及由于雷云在附近放电，在导线上感应出很高的电动势，沿线路或管路将高电位引进线路内部，称为雷电波侵入，又称高电位引入。出现雷电波侵入时，可能发生火灾及触电事故。

雷电的形成与气象条件（即空气湿度、空气流动速度）及地形（山岳、高原、平原）有关。湿度大、气温高的季节以及地面的空出部分较易形成闪电。地下有金属管道、金属矿藏，突出的高建筑物、树木、山顶、地下水位较高地方易遭雷击。

雷电波侵入428设备通常引起地面采集损坏，设备电子元件被击穿，通常可以通过更换元件维修好损坏设备。

2 428地面站电子元件防雷性能设备元件被击穿

428地面设备及主机的很多电子设备元件为CMOS电路，其耐压仅3～5V。428仪器地面设备工作电压不超50V，电流也很小，对外界的干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数百万V，瞬间电流可高达数十万A，具有极大的破坏性。雷电造成的危害是无孔不入的。据研究当磁场强度大于0.07高斯时，无屏蔽的计算机会发生暂时性失效或误动作，磁场强度大于2.4高斯时，计算机元件会发生永久性损坏。而雷电电流周围出现的瞬变电磁场强度往往超过2.4高斯。

3 428仪器防雷设计

3.1 428 LINK电缆结构

从上述图中428地震仪LINK由四根电缆组成，这四根电缆线既传输数据，又同时作为电源传输线。

3.2 采集站防雷设计

3.3 电源站防雷设计

从图2、图3中我们知道可以看出，428采集站、电源线站简单利用5只和4只气体放电管作为保护措施，这些放电管接地端与采集站里面不锈钢板相连，里面不锈钢板再通过一颗镙钉接到外面。电源线站放电管接到金属外壳上。当设备遭受雷击时，放电管对地导通，通过向大地泄放电流。

这种简单防雷措施要起到良好的作用，首先要保证采集镙钉与大地接地电阻要良好，接地电阻要小于10Ω，这样才能起到迅速泄放雷电。但在实际生产中几乎不可能做到，一般采集站也经常侧放在地上，镙钉碰不到大地。另外，这些放电管耐压值也有一定的限制，在比较强烈的雷电也起不到保护作用，放电管也会因泄放电流的次数的失效。

4 野外施工防雷措施

项目施工过程中，遇到的雷电影响绝大多是雷电波入侵，在仪器上的直观表现如下图：

如图显示为2014年在南美玻利维亚项目采集过程中实际遇到的雷电的影响，图中黄色显示为远处雷击后对侧线的影响，在此工区，雷电活动非常频繁，严重影响了生产。根据情况，我们研究了多种防雷措施：

（1）采集站后面镙钉要按照SERCEL技术说明书要求达到2N扭力矩上紧，以保证减少接触电阻。

（2）在施工之前要收集当地气象资料，尽量避开雷电较多的气节施工。

（3）布线时要尽量保证采集站后面接地镙钉与大地接触良好，电源站、交叉线要接地线，接地线要尽量用短而粗的铜线接上铜棒，铜棒要尽量插深，最好插放潮湿的地方，或在铜棒周围撒些水（最好为导电良好的盐水、降阻剂）。有可能的话，采集站后面镙钉再接根地线。

（4）放电缆时尽量避开或远离易雷击的地方，如大树、铁塔、电线、电话线、铁轨、陡坡、地下金属管道、金属矿藏等。

（5）如果在易雷击地点布线，可以在LINK、检波器5m以外安放避雷针、避雷带拦截雷击。

（6）如果在施工时发现有打雷迹象，要及时关闭主机、电源站、交叉线电源，大线尽可能全部断开，特别是在易产生雷击地点一定要及时断开电缆。

（7）有可能的话，可以在传输电缆加一层金属屏蔽网，屏蔽网要多点接地，这样可以大大减少感应雷击现象发生。

5 被雷击采集站维修方法

对被雷击较轻的428采集站，如果采集站线路板未击穿，大部分可以通过更换损坏的元件修复，主要需要更换的元件有：

（1）根据SERCEL公司提供的428 FDU元件图标志的T3、T4、T5、T6（Line transformer），这些元件被雷击损坏后，用电表测量为不通，被雷击的采集站这些元件有90%以上都需更换。

（2）电源变压器T2，被雷击后经我们检查有很多采集站的电源变压器T2被击穿，用电表测量为不通，需更换。

（3）D12稳压二极管，被雷击后经我们检查有很多采集站的电源变压器D12被击穿，输出端无电压，需更换。

（4）Y1、Y2晶振，被雷击后经我们检查有很多采集站的Y1、Y2晶振被击穿，输出端无用示波器检查无信号，需更换。

（5）采集站检波器输入端的放电管，被雷击采集站需要更换这只放电管。