數字化地震監測儀器防雷改造研究

鄭水軍　鄧金　張印愛　張才劍

摘 要：2010年以來，信宜地震臺數字化地震監測儀器多次遭受雷擊，為了防止雷擊，人們應積極采取應對措施。研究表明，在雷擊危害較大的地區，日常可以采用太陽能光伏系統供電，遭遇連續陰雨天時，利用可遠程控制的市電給蓄電池組充電，給地震儀器等直流負載供電，以有效解決設備遭受雷擊的問題，提高地震觀測數據的連續率。

關鍵詞：數字化;地震監測儀器;防雷改造;太陽能光伏系統;直流負載

中圖分類號：P315.62 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0049-03

Research on Lightning Protection Reform of Digital Seismic

Monitoring Instrument

ZHENG Shuijun1 DENG Jin2 ZHANG Yin'ai1 ZHANG Caijian1

（1. Xinyi Seismograghic Station，Maoming Guangdong 525300;2. Guangdong Seismological Bureau，Guangzhou Guangdong 510070）

Abstract： Since 2010， the Xinyi Seismic Station digital seismic monitoring instrument has suffered lightning strikes for many times. In order to prevent lightning strikes， people should actively take countermeasures. Studies have shown that solar photovoltaic systems can be used daily for power supply? in areas with high lightning damage. In the case of continuous rainy days， the battery pack can be charged by the remotely controlled mains to supply power to the DC load such as seismic instruments to effectively solve the problem of lightning strikes on the equipment and improve the continuous rate of seismic observation data.

Keywords： digitalization;seismic monitoring instrument;lightning protection reform;solar photovoltaic system;DC load

信宜地震臺屬國家基本地震臺站，是廣東省地震局的下屬單位，也是粵西地區重要的綜合地震臺，該臺的數字化地震監測儀器以地球物理場觀測為主，包括VS垂直擺傾斜儀、LN-3A數字水位儀、SZW-1A數字式溫度計、WYY-1氣象三要素觀測儀、RZB-2分量式鉆孔應變儀和TJ-2體積式鉆孔應變儀等，觀測數據連續完整可靠，儀器出廠時均采用交直流轉換（AC—DC）的方式供電。由于信宜地震臺地處雷區，這些儀器每年在雷雨多發期經常被感應雷擊損壞，造成停測，嚴重影響觀測數據的連續率[1]。為解決儀器遭受雷擊問題，提高地震觀測數據的連續率，從2012年開始，人們分別采用人工切換開關、安裝防雷器、安裝太陽能光伏供電系統和在太陽能光伏供電系統上加裝可遠程控制的補充充電裝置等方式對儀器供電系統進行改造。通過總結和分析，筆者認為，日常采用太陽能光伏系統供電、遇連續陰雨天時通過市電給蓄電池組補充充電的方式給數字化地震監測儀器供電，是一種較優的方案。信宜地震臺的儀器在防雷改造完成后未再發生因雷擊造成停測的現象，地震觀測數據連續率得到保障。

1 儀器雷擊事件統計分析

1.1 儀器雷擊故障統計

據統計，2010年8月至2018年6月，信宜地震臺的數字化地震監測儀器因雷擊多次發生故障，如表1所示，6臺（套）儀器共計發生雷擊事件16次，這些雷擊事件總計造成儀器停測時間達507d，綜合數據連續率為82.5%。可見雷擊事件對信宜地震臺數字化地震監測儀器產出連續完整的觀測數據影響很大。

1.2 雷擊故障原因分析

為了解決信宜地震臺儀器雷擊故障造成的觀測數據連續率過低問題，筆者對觀測環境和因雷擊故障的儀器進行認真檢查和分析。一是信宜地震臺的儀器集中安裝在業務樓二樓機房，業務樓在建造時按觀測規范要求進行了防雷設計并通過防雷部門的驗收，并且每年都定期進行防雷地網接地電阻檢測，接地良好（接地電阻小于4Ω），同時儀器地網與防雷地網為獨立布設且間隔合理，可排除因地網連接不合理而造成儀器遭受雷擊的情況[2，3]。二是通過對遭受雷擊故障儀器進行拆機檢查，發現因直擊雷造成的儀器損壞情況很少，多為通過交流供電線路感應雷電而使儀器遭受損壞。因此，筆者認為防止感應雷電通過交流供電線路損壞儀器應該是防雷改造的主攻方向。

2 儀器防雷擊改造

信宜地震臺數字化監測儀器在未進行防雷改造時的供電示意圖如圖1所示，儀器用電主要為交流電加UPS電源模式。為了解決遭受雷擊造成故障而影響數據連續率的問題，結合上述雷擊故障原因分析，從2012年開始，筆者在交流供電線路上先后采取三種改造方案嘗試解決儀器遭受雷擊的問題。

2.1 安裝手動防雷開關

2012年3月，為了快速解決儀器遭受雷擊的問題，筆者在交流電接到UPS電源之前安裝一個手動開關，并且信宜地震臺規定值班員在每年5—8月的雷雨季節要加強值班，雷暴前要主動斷開交流電，采用UPS電源直接給儀器供電，在雷暴過后再接上交流電。這種方案實施了2年左右，白天儀器設備被雷擊損壞基本可以避免，但夜間值班員休息時仍舊發生了3次雷擊損壞儀器的情況。地震儀器供電線路安裝手動防雷開關如圖2所示。

2.2 安裝防雷器加手動開關

為克服3.1方案的弊端，2014年4月，筆者在手動防雷開關之前加裝一個防雷器，該防雷器在感應到雷電（高壓）時能夠自動斷開，并在斷開1min后自動合上。為達到較好的防雷效果，值班人員要在白天雷暴前主動斷開交流電。該方案實施后，起初效果較好，儀器被雷擊損壞的次數確實減少（2014年全年未發生儀器因雷擊損壞情況），部分儀器的綜合運行率達到了上級要求的98%。但隨著時間推移，從2015年開始，又陸續發生儀器因雷擊而損壞造成停測的現象，特別是2016年8月25日的強雷擊使信宜地震臺的數字化地震監測儀器幾乎全部損壞，嚴重影響觀測數據連續率。地震儀器供電線路安裝防雷器及手動開關如圖3所示。

2.3 安裝太陽能光伏供電系統加遠程控制開關

經過2016年8月25日幾乎全部儀器被雷擊損壞的慘痛教訓之后，2017年2月，筆者決定從儀器供電模式上想辦法解決雷擊問題，放棄交流電加UPS電源供電模式，利用太陽能光伏供電系統給儀器供電。改造后，將太陽能電池板安裝在日照良好的天臺上，加裝了太陽能光伏控制器和蓄電池組。考慮到南方時有連續陰雨天而日照不足的情況，為了保證儀器的供電充足，信宜地震臺安裝了帶有隔離功能的AD-DC充電模塊以供蓄電池組補充充電之需，同時，為便于管理，交流電和AC-DC充電模塊之間安裝了可遠程控制的GPRS空氣開關，能夠實現在蓄電池需要充電時（特別是夜間）遠程合閘，人們還能通過手機安裝專用APP及時掌握儀器機房當前是否有交流電。通過此次防雷改造，信宜地震臺所有數字化地震監測儀器均采用太陽能光伏系統供電，儀器與交流供電線路完全隔絕，達到了很好的防雷擊效果，儀器運行率也大為提高，除新換的RZB-2型分量式鉆孔應力儀因電源接口不匹配，只能采用交流供電，造成2018年6月20日因雷擊損壞探頭而數據異常外，其余儀器截至2019年5月底未再發生雷擊事件，綜合運行率均超過98%。地震儀器安裝太陽能光伏供電系統和遠程控制開關的改造示意圖如圖4所示。

3 結語

信宜地震臺所處區域每年5—8月雷擊危害較為嚴重，地球物理場等數字化地震監測儀器受雷擊事件影響較大，需要采取有效措施防患雷擊危害。綜合上述三種防雷改造方案分析來看，第一種方案雖然直接有效，而且最省錢，但不夠人性化，夜間值班人員在雷暴時無法及時斷電，儀器防雷擊現象無法杜絕;第二種方案花錢不多，也能取得一定的防雷效果，但需要在防雷器的性能指標上精心挑選，才能達到較好的防雷效果，否則也無法保證儀器的安全運行;第三種方案雖然花錢較多，但完全隔絕了外部交流供電線路引入的感應雷電，大大減輕了雷擊事件對儀器的破壞，可為同處雷區的同類型地震臺站的儀器安全供電提供參考。需要注意的是，日常需要加強對蓄電池組的維護、保養和定期更換。

參考文獻：

[1]韓進，宋澄.遙測地震臺站的防雷思考[J].地震地磁觀測與研究，2011（1）：109-112.

[2]中國地震局.地震及前兆數字觀測技術規范[M].北京：地震出版社，2001.

[3]住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010[S].北京：中國標準出版社，2010.