本溪新井地下流體數字化監測設備避雷方法的探討

唐光偉，賈東旭

（本溪地震臺，遼寧 本溪 117022）

0 引言

隨著科技的進步和地震數字化設備集成度的提高，在地震觀測過程中，避雷問題一直是我們面臨的一個重要難題。由于數字化儀器的高集成電路不能耐受過電壓和過電流的沖擊，這就導致各種觀測儀器被雷擊損壞的案例也屢見不鮮，特別是在雨季的山區雷電尤為頻繁猛烈，地處這樣環境的地震臺站，其數字化設備都會不同程度地遭受過雷電的侵襲。因此，能否采取行之有效的避雷措施，探索出一種新型實用安全的避雷方法，是保障地震臺站數字化儀器設備能否連續可靠運行的關鍵。

1 本溪地下流體新井簡介

1.1 本溪新井建設過程

原本溪地下流體觀測井位于本溪市平山區橋頭鎮臺溝村，是中國地震局、遼寧省地震局重點前兆觀測項目。2011年因所在地發現大臺溝鐵礦，礦山勘探及開采準備工作造成該手段受到干擾無法正常觀測而被迫遷址。2014年6月根據物探技術勘察工作的測定結果，我臺決定將新建井位置設在本溪市地震臺主樓的東北角。同年9月26日由遼寧省第七地質大隊開工鉆孔，10月31日鉆至803.87m終孔。此井套管有兩部分，上部有146mm無縫鋼套管下至18m變徑處，余下108mm無縫鋼套管自井口下至550.28m變徑處，并將含水層分為上下兩個部分：其中550m以上井管與井壁間含水層（出水點在 57.6～67.2m、170～201.2m、236.4～281.4m、415.4～423.2m處，井水承壓自流，流量小，約4.4ml/s)用于動水位觀測；550m以下含水層 （出水點在 635.4～645m、689～700m、719.6～729.2m、741.4～755.6m 處，水位面在距井口約33.5處）用于靜水位、水溫梯度和地溫觀測（圖1）。

我臺于2014年12月完成了主體井管的設計安裝工作，本著實用與美觀并存的原則，本溪流體井上部管件采用防銹、抗腐蝕、壽命長的優質白鋼管，外表面進行拋光處理。由于是雙水位分開觀測，井管結構較為復雜，主要部件有：159白鋼主管下部與146無縫鋼套管相銜接；主管內部是108無縫鋼套管和與其相銜接的上部108白鋼管，用于靜水位、水溫梯度和地溫觀測；從159主管側面分出的114白鋼管用于外管的動水位觀測，其上部銜接100亞克利透明有機玻璃管，以便于觀察和校測水位。

管件的連接方式采用無縫鋼管與其套件焊接方式，白鋼管與無縫鋼管套件采用絲扣連接，絲扣處涂上絲扣油用以潤滑和防滲水；白鋼管與白鋼管件連接采用亞弧焊方式。具體尺寸如圖1右圖所示。為防止146mm無縫鋼套管的銹蝕，延長其使用壽命，管外表與井壁間自上而下18m全部用水泥封灌，其結合部也用水泥密封并埋于地下。

圖1 本溪新井管結構及各手段布設Fig.1 Arrangement and structure of Benxi Well pipes

為了保障該項目的正確實施，本溪市地震臺地下流體項目組先后赴國家地震局地下流體學科組、地下流體學科技術管理組等單位，咨詢了多位專家，并實地參觀考察了盤錦市地震臺、上海市地震局崇明深井觀測站，對地下流體觀測手段、儀器設備情況、生產廠家、流體井建造過程中應注意的事項等都做了比較充分的調研工作。

2015年11月我臺與儀器生產廠家——北京中科光大自動化技術有限公司共同完成了本溪井地下流體數字化觀測儀器設備的安裝工作，監測手段有：數字化動水位、數字化靜水位、數字化水溫梯度（200m、400m、600m）、數字化地溫觀測（791m)。另有氣象三要素（氣壓、氣溫、降雨量）附屬數字化觀測手段。

1.2 本溪新井地形地貌和氣象環境

本溪市是千山山脈的東延部分，素有“煤鐵之城”之稱。本溪市位于遼東低山丘陵的北部，太子河上游，四周群山環繞，峻嶺起伏，整個地勢由四周向中部傾斜。流體井施工位置位于本溪市地震臺院內，屬于山間谷地地形。

本溪市屬于中溫帶濕潤、季風型大陸氣候區，年平均氣溫變化為6℃～8℃，1月平均氣溫為-12℃～-15℃，7月平均氣溫為 22℃～23℃，凍土層深度一般為1.2～1.5m，土層解凍期為4月初。年降雨量一般為850～900mm，多集中于7—8月份，其中雷雨天氣為5月至10月，年平均雷暴日33.7天。

目前本溪新井儀器由3套數采設備、2組智能電源控制器和11個探頭等組成，數量多，排列密集。采用的是中科光大地下流體監測設備，安裝維護簡單方便，數字化集成度高，全部模塊化設計。為了保證水位、水溫等各種數據的準確性，該公司做到了從探頭處就完成模數轉換工作，也就是說從探頭出來的信號就是數字式的，這種方式最大限度地防止了數據信號的衰減和失真，抗干擾，精度高，但也給我們地處雷電頻發的丘陵山區的避雷工作帶來了不小的挑戰（圖2）。

圖2 地下流體監測設備工作原理Fig.2 Working principle of underground fluid monitoring equipment

2 本溪新井地下流體數字化監測設備多次遇雷擊損壞

2.1 雷擊主要過程

為使本溪流體井盡早投入試運行，2015年11月在當時項目資金沒有全部到位、正式井房沒有建成的情況下，我臺決定利用改裝的簡易鐵皮房進行臨時觀測（圖3）。因條件限制，機柜不能安放在臨時井房，只能安放在地震臺主樓的儀器室內，井孔與儀器室間鋪設穿線管（圖4）。穿線管由2根連接后長為11m、管徑為50mm鍍鋅管組成，埋設于地下約700 mm處，經由采暖管路處引入儀器室，最后經由儀器室防靜電地板下到達機柜。有6根長26m的電纜線經穿線管，一端用航空插頭對接到6個井下探頭線纜上，另一端與儀器室機柜內數采儀相連接，另有5個氣象三要素探頭分布于主樓后側和機柜內。

圖3 臨時井房及井管、探頭線纜Fig.3 Temporarywell houseand well pipesand probescable

圖4 試運行期間井口至臺主樓儀器室線纜的埋設Fig.4 Cable laying from wellhead to instrument room in main biulding during trial operation

避雷方面：考慮到當時地震臺主樓后側距井孔20m處有一高18m的避雷塔，避雷塔地網最近處距井口約5m，同時鐵皮井房和鍍鋅穿線管對雷電都有屏蔽作用，儀器生產廠家說儀器自身也設計了防雷功能，正式井房還有待建設，因此沒有建獨立的避雷接地網（圖5）。但在本溪井投入觀測的實際運行過程中，由于本地山區環境特點，遇雷雨天氣時雷電尤為猛烈，經常導致井內探頭和數采儀器設備的損壞，無法進行正常觀測。

圖5 本溪新井剛投入運行時周圍情況示意圖Fig.5 Conditions around Benxi Well when it was first put into operation

2016年8月7日因雷擊造成了本溪井幾乎所有儀器和探頭的損壞，致使流體觀測項目所有手段都陷入癱瘓，缺數時間長達428小時，損失巨大。生產廠家為我臺重新更換了一批新儀器。為了避雷，我們制作了一個由鐵釬和銅錢組成的簡易避雷裝置打入地下，根據原本溪井以往的避雷經驗將探頭屏蔽線連接到該地線上，但由于其接地電阻遠遠達不到要求，未能有效阻止雷害的發生。2017年6月18日再次因雷擊造成測點F動水位探頭及其氣壓探頭的損壞缺數30小時和地溫探頭的臨時損壞缺數7小時，我們及時更換了水位及其氣壓探頭。6月 20日08時至21日08時、23日00時至24日04時為避免雷擊我們關閉了所有儀器，但在關閉整體電源的情況下，仍然造成測點G靜水位探頭及其氣壓探頭的損壞，缺數160小時。6月25日因雷擊造成測點G淺層水溫（200m）探頭的損壞缺數22小時。7月14日至15日07時再次因雷電關閉了所有儀器。8月6日20時至7日07時因雷電關閉了所有儀器。2017年8月9日，還是因雷擊損壞了測點G靜水位（50m）及其氣壓、測點F動水位（0m） 及其氣壓、測點F地溫（793m）等5個主要探頭。因更換地溫等探頭過程復雜，工作量大，雷電損壞儀器過于頻繁，在這種條件下又不能保障今后儀器的正常運行，經申請報省地震局監測處批復后，本溪新井地下流體各手段因雷害問題被迫暫時停止觀測。

2.2 原因分析

經過兩年多的運行，我臺地下流體井觀測設備多次因雷擊問題損失慘重，在強雷雨天氣時，甚至在切斷電源、儀器停止運行的情況下，仍不能保證探頭等設備的安全。雖然采取了一些力所能及的補救措施，但效果并不明顯。造成這種局面的原因，除了本地區雷電本身過于猛烈外，我們認為還有以下幾點：（1）原本以為旁邊的避雷塔可以避雷，經分析后，避雷塔不但沒有避雷，反而容易將雷電感應電流引到井口區域，形成電位差而損壞儀器；（2）雖然制作了一個簡易的地線，但其接地電阻值遠遠達不到要求，沒有配套完善的避雷設施；（3）探頭線纜從井口至機柜約20m，距離較長，臨時井房高度不夠、空間小、沒有網線接入、潮濕等條件限制不能擺放機柜，機柜只能擺放在地震臺主樓儀器室，所以當雷電來襲時，機柜與井口間會因位置不同出現電位差，我們認為設備被雷擊損壞多是由于探頭與數采間存在電位差而形成瞬時感應電流所致；（4）井內探頭最易被雷擊損壞，探頭屏蔽線要與井管、數采和符合要求的地網做等電位聯接，地網接地電阻值不大能于1Ω；（5）儀器方面：理論上中科光大公司生產的的設備配備了智能化電源控制器，能有效的保護終端設備不被電涌、雷電破壞，但由于其它設備數字化集成度高、模塊化的設計，尤其是探頭本身就是高集成數字式的，內部供電雖然穩定，但面對外部雷電感應電流的沖擊，顯然不能承受，這是一個薄弱的環節，探頭多次被雷擊損壞也證明了這一點。因此最重要的措施是對探頭及其線纜進行有效的保護。

綜上所述，歸納起來就是我們對本溪井遷址新環境所了解的不夠充分，對新儀器設備的防雷性能的了解也不夠全面，加之該手段試運行之初正式井房未建成等條件限制，沒有嚴格按照相關的防雷設計標準要求，沒有布設一個嚴密的功能全面的防雷體系。

關于電源避雷問題，由于儀器采用的是蓄電池直流供電，給蓄電池充電的智能電源控制器設計有防雷功能，與市電之間又有交流電穩壓器作保障，所以此項不存在問題。

綜合以上分析，我臺決定待本溪井正式井房建成，遷移避震塔及其地網，重新埋設獨立的地網，完善井房避震系統后再恢復觀測。

3 本溪井防范雷害所采取的措施和方法

3.1 井房建設獨立的避雷地網，接地電阻值小于1Ω

2018年3月22日，按照《本溪市地震臺擬召開防雷避雷研討會》 （本震發〔2018〕2號）文件要求，遼寧省地震局監測預報處組織相關人員成立專家組，來我臺針對本溪流體井觀測儀器近年來多次遭受雷擊的問題與我臺相關人員進行了專題研討。專家組聽取了本溪市地震臺近幾年來流體觀測儀器設備遭受雷擊情況的匯報，實地檢查了臺站防雷設施的布設和運行情況，經質詢和討論，提出了“新建井房按三類防雷建筑物設計施工”等意見，建議拆除原有避雷針及清除井房周圍高大樹木。隨后我臺招集了本溪井房承建方的設計院和工程隊召開協商會，針對本溪井房建設，施工方聽取了我臺負責人員的相關意見和所提出的要求，通過了“本溪地下流體井房的避雷設施，采取地網與鋼筋水泥澆灌的地基同設為一體的方式，由與鋼筋相連的鍍鋅扁鋼在主要部位引出。并依據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010，按三類防雷建筑物設計施工，樓頂安裝避雷帶。地網接地阻值要滿足≤1Ω”的方案。

4月24日，施工工程隊吊離了臨時井房，并按要求拆掉了主樓后側的避雷塔及高大樹木，本溪新井井房正式施工（圖6）。28日根據實際施工情況將地基深度從原設計的2.5m改為3.5m。30日開始澆筑地基，井房總基礎東西長14.2m，南北寬11.1m，底部為11個上下兩層的柱下擴展基礎臺，規格分別為2.7*2.7*0.3m和1.5*1.5*0.3m鋼筋混凝土臺上下疊加而成，內部由Φ12鋼筋間距150mm編織的立體網格，這也是流體井房避雷地網的組成部分（圖7）。

圖6 拆除避雷塔和澆筑地基Fig.6 Demolition of lightning arrester and pouring of foundation

圖7 基礎柱內和底梁內的鋼筋網Fig.7 Steel mesh reinforcemen in foundation columns and the floor beam

避雷地網利用建筑物鋼筋混凝土柱子或剪力墻內的兩根Φ16以上主筋通長焊接作為引下線，引下線上端與避雷帶焊接，下端與建筑物基礎底梁及基礎底梁軸線上的上下兩層鋼筋網內的兩根主筋焊接，外墻引下線在室外地面下1m處引出[1]。5月11日基礎底梁澆筑完成。與地基、底梁鋼筋相連的避雷地網也同步完成，并由規格為40*2鍍鋅扁鋼在井口處、中心等電位聯結端子箱設置處及建筑物的四角引出（圖8）。

圖8 引到井管底部的鍍鋅扁鋼和從基礎底梁引出的鍍鋅扁鋼Fig.8 Galvanized flat steel to the bottom of the pipes and galvanized flats from the floor beam

3.2 按要求新建井房樓頂安裝避雷帶

2018年8月，本溪市地震臺地下流體觀測井房基本完工，位于臺站院內北東處，其主體為混凝土澆筑框架式結構的二層小樓。總建筑面積220m2，其中南北寬9m，東西長12m，建筑高度8.1m，層間高3.6m，正門面朝西側。樓體內部寬敞明亮，整體布局合理規范，各項配套施設完善，各種管材、電源線、網線等都隱藏于地面下或墻內，所有網口都可內網、外網自由切換。樓外四周和儀器室安裝了監控設備。

本溪地下流體觀測井房防雷接地系統概述如下：接閃器在樓頂采用Φ10鍍鋅圓鋼作避雷帶，用25*4鍍鋅支持卡固定，樓頂避雷帶長13.9m寬10.9m（圖9），利用建筑物鋼筋混凝土柱子或剪力墻內兩根Φ16以上主筋通長焊接作為引下線與地網聯結，建筑物對角的外墻引下線在距室外地面上1.5m處設測試卡子[1]。凡突出屋面的所有金屬構件，均與避雷帶作可靠焊接。建筑的防雷裝置滿足防直擊雷、防雷電感應及雷電波的侵入。本工程電氣設備的保護接地共用統一地極，接地電阻值不大于1Ω。凡正常不帶電而當絕緣破壞有可能呈現電壓的一切電氣設備的金屬外殼均可靠接地。本工程采用總等電位聯結，總等電位板由紫銅板制成，將建筑物內保護干線、設備進線總管、建筑物金屬構件進行聯結，總等電位聯結線采用BV—1*25mm2—PVC32，總等電位聯結均采用各種型號等電位卡子[1]。從適當的地方引出兩根Φ16結構鋼筋至局部等電位箱LEB，局部等電位箱暗裝，底距地0.3m（圖10）。

圖9 井房頂部的避雷帶Fig.9 The lightning strip on top of the well house

圖10 樓頂避雷帶平面圖和樓內等電位聯結端子箱等Fig.10 The lightning strip plan and equipotential junction box

3.3 井房與臺主樓儀器室間網絡采用光纜通訊

新井房建成后，我們將數采機柜搬至井房井口處，并拆除了原臨時井房與主樓間的穿線管及線纜。新井房設有內、外網，與主樓儀器室間采用光貓、光纜、交換機等設備進行網絡通訊。光纜為八芯光纜，同時兼備新井房所設布的4路監控設備的信號傳輸，有效隔斷了雷電時所產生的感應電流的傳導。所有線纜包括市電，均由井房后側的專用電井接入樓內（圖12左）。

本溪井輔助測項氣象三要素有兩個室外測項：降雨量和氣溫。為保護其正常運行，最大限度地避免雷電的干擾和侵襲，在符合該測項觀測場地及環境要求的基礎上，采取了：（1）測項選址盡量靠近新建井房；（2）地面以上線纜要短，主體線纜埋于地下，通過井房后側的專用電井接入樓內；（3）做好室外線纜的屏蔽工作，氣壓探頭直接安放于室內機柜內部（圖11）。

圖11 雨量計和氣溫探頭布設于井房后側Fig.11 The rain cauge and temperature probe are located behind the well house

3.4 合理安放數采機柜，盡量與井口接近

當雷電來襲時，不同位置間會產生電位差，距離越遠，產生電位差的機率越大。因此，為消除這種危害，我們將數采機柜設在了與井口井池約一米左右的地方，井內探頭線纜直接連入機柜內數采設備。為防雷電感應電流的發生，將富余的線纜線盤于機柜內部底層（圖12右圖）。

圖12 井房與主樓間埋設的光纜和機柜與井管間擺放的位置Fig.12 Optical fiber cable to wellhouse and the position between the cabinet and the pipes

3.5 探頭屏蔽線與井管、地網做等電位聯結

我臺在原本溪井與雷電災害做斗爭的過程中，積累了一個簡單有效的避雷經驗，就是“探頭屏蔽線與井管、地網做等電位聯結”。

原本溪井位于本溪市平山區橋頭鎮臺溝村。采用的是“九·五”期間中國地震局地殼應力研究所生產的地下流體數字化設備，2003年投入運行后，盡管當時井房各項避雷設施比較完善，也抵御不了強雷電的侵襲，原LN-3型數字水位儀經常因雷擊而損壞。我們在維修過程中經觀察發現每次被雷擊損壞的部位都發生在LN-3型數字水位儀與水位探頭連接處的集成電路板上，這說明儀器與井管中水位探頭間在雷擊時會產生電位差，形成瞬時電流將電路板上的集成塊燒環。2005年7月，我們采用優質的粗銅導線一端卡到水位探頭的金屬外壁上，另一端與聯結到地網的鍍鋅扁鋼相焊接。采取此措施后，本溪井在以后多年觀測當中，LN-3型數字水位儀再沒有一次因雷擊而損壞，多次成功抵御了強雷電的侵襲。這也為本溪井地下流體手段多次能在國家地震局、省地震局觀測資料評比當中取得優異成績，打下了堅實的基礎。

根據原本溪井的避雷經驗，在這次新井房建設初期，我們就重點考慮了將與地網聯結的一40*2鍍鋅扁鋼從井管處底部引出，以方便探頭線纜與井管、地網的接地聯結工作。用粗銅線將鍍鋅扁鋼與本溪井主管159白鋼管和副管114白鋼管進行捆扎聯結，井管上部108白鋼管與動水位、靜水位及三個水溫梯度探頭、地溫探頭的屏蔽線用優質銅線進行統一捆扎作等電位聯結。通過這樣的聯結方式，使得井內6個主要探頭線纜的屏蔽線與井管、地網聯結為一個統一的整體，當雷電來襲時，能迅速瓦解感應電流的產生，降低其強度，保護井內探頭集成電路免受過電流的沖擊，保障儀器設備安全運行（圖13）。

圖13 井管與地網、探頭線纜屏蔽線與井管做等電位聯結Fig.13 The equipotential connection between the pipes and ground net，the shield wire of the probes cable and the pipe

4 結語

2018年10月，本溪臺地下流體觀測新井井房全面完工。10月24、25日，我臺同生產廠家更換了因雷擊損壞的探頭和數采設備，經請示省地震局監測處，26日我臺地下流體監測手段全面恢復觀測。

從本溪井房建設開始到完工的整個過程中，我們針對我臺流體井房處于山間谷地、雨季雷電相當兇猛這一情況，把防御雷害工作作為頭等大事來抓，從每個細節出發，認真履行了防止雷電災害發生的各項措施，對各個環節都嚴格把控，以確保萬無一失。至2019年年底，雖然又多次經過山區強悍的雷雨天氣，我臺地下流體監測手段共3套數采設備、11個測項的數字化探頭及附屬電源設備沒有一個因雷擊而再次損壞。我們也有信心有決心，在本溪臺地下流體觀測項目上再創佳績，為防震減災事業做出更大的貢獻。