數(shù)字化前兆設(shè)備防雷技術(shù)應(yīng)用分析

熊 峰，查 斯，楊彥明，趙 星

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

近年來，隨著地震前兆觀測手段趨于集成化、自動化和數(shù)字化，雷電對前兆觀測系統(tǒng)的危害越來越突出，因此，防雷措施的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)施也在逐步改進(jìn)，臺站從單一的防雷逐漸發(fā)展為綜合防雷工程，綜合防治原則為“綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、層層設(shè)防”。防雷擊措施的不斷配套和完善成為保證觀測設(shè)備正常運(yùn)行的重要保障。

1 雷電的危害及其表現(xiàn)形式、入侵途徑

雷電是一種自然現(xiàn)象，歸屬于大氣物理學(xué)。現(xiàn)代雷電理論認(rèn)為，雷電是帶電云對地面某一點(diǎn)或雷云之間放電，這個(gè)過程稱直接雷擊，放電過程引起電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)稱感應(yīng)雷擊［1］。雷電對臺站觀測系統(tǒng)的危害可歸結(jié)為兩類：直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷對設(shè)備的破壞是直接的、瞬間的，也常常是無法還原和修復(fù)的，占總雷擊的20%。儀器設(shè)備遭雷擊損壞，80%以上是由感應(yīng)雷引起的，是由雷電引起的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。感應(yīng)電流通過電源線、電話線、信號線、天線等金屬導(dǎo)線傳輸?shù)捷^大范圍，使感應(yīng)雷的破壞范圍擴(kuò)大［2］。

1.1 雷擊對前兆設(shè)備危害的幾種表現(xiàn)形式

（1）損壞設(shè)備。雷擊過電壓或雷擊電磁場直接損壞地震儀器與信息系統(tǒng)設(shè)備。雷擊時(shí)，與設(shè)備相連接的各種導(dǎo)體線路上，可能感應(yīng)到的雷擊過電壓遠(yuǎn)超過設(shè)備的接口耐壓，儀器設(shè)備因此而損壞。設(shè)備所在空間的雷擊電磁場可能高于微電子器件能承受的極限值，儀器設(shè)備也會因此而損壞。

（2）加速設(shè)備老化。雷擊直接損壞設(shè)備是直接可見的，但雷擊過電壓或雷擊電磁場加速地震儀器設(shè)備老化是看不見的，只是儀器的性能下降。雖然此時(shí)還能正常工作，但因其耐壓降低，一般較小的過電壓就可以將其損壞，損壞的幾率大大提高。

（3）數(shù)據(jù)丟失。雷擊過電壓可能干擾地震儀器的正常工作，使關(guān)鍵數(shù)據(jù)失真或丟失，嚴(yán)重干擾前兆數(shù)據(jù)的分析研究，使異常信息與干擾信息難以辨別。

1.2 雷電入侵前兆設(shè)備途徑分析

（1）配電線路引入雷電。室外的市電配電線路非常容易感應(yīng)到雷電，雷擊過電壓沿配電系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)房或觀測系統(tǒng)。

（2）通信線路引入雷電。進(jìn)入設(shè)備的各種通信線路非常容易感應(yīng)到雷電，雷擊過電壓沿這些通信線路進(jìn)入機(jī)房或觀測室，并可以直接進(jìn)入設(shè)備。在機(jī)房，通信線路受感應(yīng)雷擊電磁場感應(yīng)到上百伏甚至更高的過電壓，過電壓足以損壞一些脆弱的通信接口。

（3）地反擊。雷擊時(shí)，地網(wǎng)A可能為高電位，如果此時(shí)設(shè)備還連接有低電位線路，如，另外一個(gè)地網(wǎng)B，雷擊時(shí)B可能是低電位，則兩地網(wǎng)的電位差由儀器來承受，儀器受到損壞。

（4）雷擊電磁場。雷擊落在地震臺站建筑物上或附近地區(qū)時(shí)，雷擊附加的電磁場非常強(qiáng)，地震臺站建筑物雖然有一定的電磁屏蔽效果，但機(jī)房內(nèi)或觀測室還有一定的雷擊電磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度大于2.4GS時(shí)，儀器設(shè)備會損壞。當(dāng)磁場強(qiáng)度大于0.03GS時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸可能受到影響（IEEE標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)）。

2 地震前兆設(shè)備防雷措施

地震前兆設(shè)備防雷是一個(gè)系統(tǒng)性工程，在充分分析雷電入侵觀測設(shè)備的途徑后，前兆地震臺的防雷技術(shù)也在不斷地改進(jìn)，從電源防雷、信號防雷、接地進(jìn)行完善。根據(jù)不同設(shè)備的特點(diǎn)和布局，全面系統(tǒng)地采取了屏蔽、隔離、等電位、安裝SPD浪涌保護(hù)器、L21雷電預(yù)警系統(tǒng)等綜合防護(hù)措施。地震臺儀器設(shè)備綜合防雷原理如圖1所示。

圖1 前兆設(shè)備防雷原理Fig.1 Principle of technique to protecting precursor equipment from lightning

2.1 地震臺站的電源線路防護(hù)

2.1.1 地震臺站的電源線路三級防護(hù)

雷電從配電線路侵入是前兆觀測最常見、最明顯的途徑，應(yīng)按照 GB50057－94、GB50343－2004等標(biāo)準(zhǔn)采取綜合防護(hù)措施，其中，電源防雷器安裝應(yīng)采取B、C、D三級防護(hù)。

地震臺低壓總配電線宜套鋼管或鎧裝埋地進(jìn)入地震臺低壓總配電箱，在低壓總配電輸出端安裝B級電源防雷器，防雷器就近接地。其作用是泄放市電外線進(jìn)來的強(qiáng)大雷電流，防止雷電流進(jìn)入設(shè)備而產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場。

觀測室樓層分配電的輸出端安裝C級防雷器，防雷器就近接地。其作用是進(jìn)一步泄放雷電流，防止雷電流進(jìn)入機(jī)房、觀測室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁場，并對一般的設(shè)備能起到比較好的保護(hù)作用。如果無樓層分配電箱，配電線直接接到機(jī)房UPS，則B級安裝在總配電輸入端，C級安裝在總配電箱的分配電輸出端，B級與C級防雷器之間配電線路距小于2m時(shí)，必須采取退藕措施，并在分配電線上套強(qiáng)磁環(huán)。

機(jī)房里的地震儀器與信息系統(tǒng)設(shè)備全部由UPS配電，在UPS配電輸入端安裝D級電源防雷器，防雷器就近接地，其作用是進(jìn)一步降低雷擊過電壓，確保設(shè)備安全。如果UPS輸出配電線路超過10m，可能被感應(yīng)到雷擊過電壓，則應(yīng)在UPS輸出端安裝D級電源防雷器，或儀器設(shè)備電源插座采用帶防雷功能的插座。

各觀測室的配電全部從地震臺低壓總配電輸出端獨(dú)立取電，配電線路宜套鋼管或鎧裝埋地鋪設(shè)，鋼管或鎧裝層兩頭都應(yīng)接地，在觀測室的配電處應(yīng)安裝C級電源防雷器，如果從臺低壓總配電到觀測室的配電線為架空，則觀測室的配電處應(yīng)安裝B級防雷器，觀測室的UPS輸入端安裝D級電源防雷器，防雷器就近接地，其作用是泄放外線進(jìn)來的雷電流，防止雷電流進(jìn)入觀測室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場。各觀測室內(nèi)的儀器設(shè)備全部用帶防雷功能的插座，其作用是進(jìn)一步降低雷擊過電壓，確保設(shè)備安全。所有電源防雷器都應(yīng)安裝空開，機(jī)房內(nèi)主要儀器設(shè)備采用電池供電，把儀器設(shè)備與市電外線隔離開［3］。

2.1.2 L21雷電預(yù)警系統(tǒng)的電源防雷綜合應(yīng)用

在地震科技項(xiàng)目進(jìn)步的推動下，全國各地震臺現(xiàn)逐步在安裝徠信地震版雷電防護(hù)預(yù)警設(shè)備，由只能預(yù)警的L17發(fā)展為性價(jià)比較高的能預(yù)警，并自動切換交直流電源的L21，是地震防雷技術(shù)的一次革新性進(jìn)步。L21采用精確的雷電探測器與電場儀作為組合傳感器，結(jié)合地震臺站實(shí)際情況，深入分析電場的多種參數(shù)來綜合判斷預(yù)警雷電。雷擊發(fā)生前，提前10～30min聲光報(bào)警，對機(jī)房等地的設(shè)備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)隔離性雷電防護(hù)、自動切換電源。預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)用機(jī)房內(nèi)的UPS供電，要發(fā)生雷擊時(shí)，預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)自動斷開室外電源，完全隔離雷電，機(jī)房內(nèi)設(shè)備暫時(shí)用UPS供電，雷擊警報(bào)解除后，預(yù)警系統(tǒng)自動連接室外電源，恢復(fù)正常供電，100%的切斷了電源途徑入侵的雷擊，保護(hù)了設(shè)備，大幅降低雷擊引起的財(cái)產(chǎn)損失及雷擊事故造成的負(fù)面影響。這將對感應(yīng)雷的防治起到關(guān)鍵性作用，也對過去的人工式切換電源防雷擊帶來很大的安全和方便。雷擊前斷開大部分負(fù)載，減少了總配電開關(guān)跳閘等事故，也為代替人工斷電措施提供了安全性保障［4］。

L21采用電子式電場傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測大氣電場值，內(nèi)置專業(yè)雷電分析軟件（V2.2）跟蹤分析電場變化規(guī)律，預(yù)警雷電，并實(shí)施防護(hù)，集雷電探測預(yù)警防護(hù)于一體。L21采取電子式大氣電場監(jiān)測新技術(shù)，傳感器沒有機(jī)械運(yùn)動部件，使用壽命長，穩(wěn)定可靠。呼和浩特基準(zhǔn)地震臺選取該項(xiàng)防雷技術(shù)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，防雷效果可靠。圖2是L21工作原理。

圖2 L21工作原理Fig.2 Work principle of L21

電子傳感器與分析控制主機(jī)安裝到臺站各觀測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警防護(hù)功能，數(shù)據(jù)通過GPRS或網(wǎng)絡(luò)傳回控制中心，監(jiān)控L21工作狀態(tài)及各地雷擊情況。組網(wǎng)防雷已在張家口中心地震臺實(shí)施［5］。加了帶GIS的背景地圖可以在安裝帶GIS的操作系統(tǒng)定位閃電數(shù)據(jù)。圖3是L21雷電預(yù)警系統(tǒng)GIS組網(wǎng)示意圖。

圖3 L21雷電預(yù)警系統(tǒng)GIS組網(wǎng)Fig.3 GIS networking of L21lightning warning system

2.2 前兆地震臺站的信號線路防護(hù)

地震臺前兆設(shè)備的各種測量線路很多，而且是一些專用線路，儀器的測量端口一般都很脆弱，因此，在不影響測量精度的前提下，采取完善的綜合防護(hù)措施，其中信號防雷器是應(yīng)與測量線和儀器接口一一對應(yīng)的產(chǎn)品。從傳感器到機(jī)房或觀測室的所有測量線如地電、大地電場、地磁、水溫、水位、定點(diǎn)形變、體應(yīng)變、氣象三要素等，在機(jī)房或觀測室側(cè)都應(yīng)安裝專用的信號防雷器，同時(shí)根據(jù)測量線的特點(diǎn)及地震臺的雷電環(huán)境特點(diǎn)，防雷器的放電應(yīng)設(shè)置三級以上放電電路，確保設(shè)備的安全。防雷器就近接地，其作用是泄放信號線上的雷電流。

機(jī)房內(nèi)儀器到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的五類線長超過10m時(shí)，則在交換機(jī)側(cè)安裝網(wǎng)絡(luò)信號防雷器，其作用是泄放網(wǎng)絡(luò)線在室內(nèi)感應(yīng)到的雷電流；機(jī)房內(nèi)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)到服務(wù)器的五類線超過10m，在服務(wù)器側(cè)安裝網(wǎng)絡(luò)信號防雷器，同理。機(jī)房內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接有其他終端時(shí)，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)側(cè)的五類線上安裝網(wǎng)絡(luò)信號防雷器，其作用是泄放網(wǎng)絡(luò)線在室內(nèi)感應(yīng)到的雷電。如果機(jī)房與各觀測室之間的通信線是導(dǎo)體線路，則應(yīng)在觀測室與機(jī)房兩側(cè)都安裝相應(yīng)的信號防雷器。如果機(jī)房對外通信是導(dǎo)體線路，如ADSL等，則應(yīng)在機(jī)房安裝相應(yīng)的信號防雷器。所以，測量線都應(yīng)采用屏蔽電纜，電纜的屏蔽層兩頭都就近接地，觀測室到機(jī)房的電纜應(yīng)為光纜。

2.3 線路的電磁屏蔽

經(jīng)過多年實(shí)踐、跟蹤研究表明，電磁屏蔽是雷電防護(hù)中最經(jīng)濟(jì)有效的措施，中國電力學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量的電磁屏蔽實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是，只要做好線路的屏蔽，線路上的過電壓會大大降低。對前兆地震臺的具體屏蔽措施如下。

進(jìn)入地震臺的低壓配電采用套金屬管或鎧裝埋地，金屬管與鎧裝層兩頭就近接地。進(jìn)入地震臺的信號線，除地電等特殊情況外，全部采用屏蔽電纜并套金屬管埋地，電纜的屏蔽層金屬兩頭就近接地。地震臺內(nèi)跨樓層的通信線路采用屏蔽電纜，屏蔽層就近接地，通信電纜鋪設(shè)時(shí)離配電線路距離至少1m，離建筑物外墻至少1m，離建筑物立柱至少1m，如果因特殊情況達(dá)不到距離要求時(shí)，通信電纜單獨(dú)套金屬線槽，金屬線槽至少兩頭接地，并全段保持電氣連接良好。配電線路布設(shè)要求與通信線路同樣。地震臺內(nèi)所有設(shè)備擺放時(shí)，離建筑物至少1m，所有儀器、信息系統(tǒng)設(shè)備都應(yīng)放置在金屬機(jī)柜內(nèi)，所有設(shè)備的接地點(diǎn)與機(jī)柜都應(yīng)就近接到接地母排。包頭市地震臺洞體應(yīng)變儀2011年、2012年數(shù)采遭受雷擊，損害嚴(yán)重，2013年采用了線路屏蔽措施進(jìn)行防雷改造，用金屬槽對所有線路進(jìn)行屏蔽，并且每隔一定距離都跟地網(wǎng)相接，保證了線路屏蔽和接地良好。該防雷手段實(shí)施后，觀測設(shè)備一次都沒有遭受雷擊。

2.4 接地

前兆地震臺采用共用接地方式，接地電阻應(yīng)不大于10Ω［6］。建筑物基礎(chǔ)地、新增加的地網(wǎng)、各種深井地等連成一個(gè)統(tǒng)一的共用接地網(wǎng)，配電地線、機(jī)房地線都從該地網(wǎng)引出。機(jī)房內(nèi)的設(shè)備附近用（4＊40）mm2的扁銅設(shè)置接地母排，接地母排到地網(wǎng)的主地線宜對稱設(shè)置兩條，每條主地線橫截面積不小于50mm2。機(jī)房內(nèi)的設(shè)備接地點(diǎn)和機(jī)柜、機(jī)架用不小于10mm2的多股銅導(dǎo)錢就近連接到接地母地排或機(jī)柜統(tǒng)一接地點(diǎn)，連接處用線耳連接固定。臺站的低壓總配電的PE端應(yīng)用4＊40的扁鋼或同等橫截面積的其他導(dǎo)體連到地網(wǎng)，B級、C級電源防雷器就近用不小于10mm2的多股銅導(dǎo)線接到電源地PE端。機(jī)房內(nèi)D級電源防雷器和信號防雷器就近用不小于10mm2的多股銅導(dǎo)線連接到機(jī)房接地母地排。電源線中，PE線宜就近接到接地母排。機(jī)房及辦公樓內(nèi)的防雷電源插座就近插到有地線的電源插座上。

各觀測室的建筑物基礎(chǔ)地及增加的地網(wǎng)作為觀測室發(fā)網(wǎng)，并在室內(nèi)設(shè)備集中設(shè)置用（4＊40）mm2的扁銅設(shè)置接地母排，從地震臺低壓總配電過來的PE線接到接地母排，接地母排到地網(wǎng)的主地線的橫截面積不小于25mm2。觀測室離臺站辦公樓在20m內(nèi)時(shí)，可直接用辦公樓共用接地網(wǎng)。觀測室各級電源防雷器、信號防雷器和機(jī)柜、機(jī)架及儀器設(shè)備的接地點(diǎn)就近用不小于10mm2的多股銅導(dǎo)線連接到接地母地排。防雷電源插座就近插到有地線的電源插座上。

3 數(shù)字化前兆防雷應(yīng)用情況

2010年起，部分省局先后應(yīng)用了徠信防雷科技公司的綜合防雷保護(hù)措施［5］，進(jìn)行了電源防雷、信號防雷、接地等改造。本研究選用了安徽省淮北地震臺、嘉山地震臺、金寨地震臺、馬鞍山地震臺、蒙城地震臺，河北省承德地震臺、赤誠地震臺、陽原地震臺、永清地震臺、張家口地震臺，防雷改造前及防雷改造后2010年、2011年、2012年的應(yīng)用情況，研究得出，綜合防雷效果顯著。表1為雷擊情況具體說明。

表1 臺站防雷改造前后雷擊情況統(tǒng)計(jì)Table.1 Stations struck by lightning before and after installation of new protection system from lightning

以上臺站的防雷改造都是在2010年8月份完成，改造后雷擊儀器事故大大減少。2010年蒙城地震臺進(jìn)行防雷改造后，在8月份下旬有1次雷擊，雷擊過程中，對兩套GM4地磁儀造成了缺數(shù)，雷擊過后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。2011年陽原地震臺在還未對通信單元的光纜進(jìn)行改造時(shí)，導(dǎo)致通信單元的光隔離器在8月份被雷擊損壞。2012年金寨地震臺10月份的一次雷擊損壞了山洞垂直擺放大器里的集成模塊。蒙城地震臺7月份的一次雷擊過程中，ZD8B供電部分出現(xiàn)了不穩(wěn)定。永清地震臺7月份底，ZD8、ZD9儀器設(shè)備在在一次大的直接雷擊過程中損壞了一個(gè)握手系統(tǒng)的集成模塊，經(jīng)過維修正常運(yùn)行。

4 結(jié)論與思考

地震前兆防雷是一個(gè)綜合性系統(tǒng)工程，在充分分析雷電入侵觀測設(shè)備的途徑后，對電源線路進(jìn)行B、C、D三級防雷及L21雷電預(yù)警的交直流電源切換來阻斷雷電從交流電源入侵；對信號線路根據(jù)不同設(shè)備的特點(diǎn)和布局，安裝信號防雷擊保護(hù)；對進(jìn)入臺站電源線路和觀測信號線路整體的屏蔽保護(hù)；將電子系統(tǒng)中不能使用導(dǎo)體進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)的帶電體，如電源線和信號線，使用SPD與接地系統(tǒng)連接，形成準(zhǔn)電位連接，達(dá)到保護(hù)觀測系統(tǒng)和觀測設(shè)備的目的，應(yīng)用接地排、整體的接地電網(wǎng)泄放電荷，從技術(shù)上全面系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)隔離、屏蔽、等電位、安裝浪涌保護(hù)器SPD等綜合防護(hù)措施后，綜合防雷取得明顯的安全性效果。綜合防雷措施逐步在前兆地震臺安裝實(shí)施并完善，觀測設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性得到了改善，觀測資料的質(zhì)量得到可靠保障。

良好的接地地網(wǎng)是防雷保護(hù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，是不可缺少的一大措施。在地線的使用上，信號地線與防雷電源地線絕對不能共用，地線的接地電阻決定了放電時(shí)的瞬間電位，即地線的接地電阻決定了防雷裝置的效果，兩個(gè)地線的埋設(shè)距離最好大于20m，接地電阻小于10Ω。

臺站需要配置容量較大的UPS，在一些地區(qū)，雷雨季節(jié)雷電較密集，為確保儀器不受雷擊損壞，直流耗電時(shí)間相對長一些，所以應(yīng)配備性能良好的蓄電池。

［1］地殼應(yīng)力研究所.地震前兆臺站避雷用戶手冊［Z］，1998：2－10.

［2］王 鳳.地震前兆臺站的防雷［J］.災(zāi)害學(xué)，2005，20（2）：58－60.

［3］中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.地震前兆數(shù)字觀測教材［M］.北京：地震出版社，2003：163－167.

［4］熊 峰，張建中，王 亮，等.L21雷電預(yù)警系統(tǒng)在地震臺防雷擊中的應(yīng)用［J］.地震地磁觀測與研究，2014，35（1／2）：39－40.

［5］王曰風(fēng)，張秀萍，王長江，等.“鷹眼”雷電預(yù)警系統(tǒng)在地震臺站的應(yīng)用［J］.地震地磁觀測與研究，2010，31（2）：104－107.

［6］王長江，閻 熠，王世榮.地震臺站防雷措施4例［J］.地震地磁觀測與研究，1999，20（6）：88－90.