地震臺站防雷效能評估標準設計＊

李光科 鞏浩波 陳 敏 張 巡 張 銳 戴應洪

1) 重慶市地震局，重慶 401147

2) 中國科學技術大學地球與空間科學學院，合肥 230026

引言

地震監測是地震部門的核心任務之一，更是防震減災事業發展的重要基礎。而臺站是開展地震觀測的場所，是監測預報的基本單元[1]。保證地震臺站長期正常運行，特別是破壞性地震發生前后能產出穩定可靠的數據至關重要，同時也是發揮臺站地震災害防御功能的堅實保證。由于雷電會危害觀測技術系統，也會造成監測工作中斷及監測數據缺損，所以防雷工作具有重要意義[2]。

自2008年起，中國地震局在重慶、山東等省級地震局開展了臺站綜合防雷改造試點，試點完成后逐年在全國其他省市先后推行。截止2019年底，已經在18個省局近300個臺站進行了綜合防雷改造。近幾年來，重慶市地震局對臺站分4批次進行了綜合防雷改造，其中2008年改造2個臺站，2012年改造8個臺站，2014年改造2個臺站，2015年改造11個臺站。臺站在改造后設備運行總體穩定良好，雷擊事故降低了90%以上，取得了非常好的防雷效果。相關單位也就防雷工作開展了總結，山西大同中心地震臺對防雷改造臺站的21套專業設備進行了測試，結果表明防雷改造未對觀測數據產生干擾，儀器的觀測精度、相關性、超差個數等各項指標均正常，防雷改造取得初步成效[3]；江蘇省地震局對前兆臺站的防雷工作進行了針對性總結，他們認為綜合防雷措施主要應包括4類，按照投入與產出效能比依次為: 地網建設≥綜合布線≥配電避雷≥信號避雷，并且需要因地制宜、全面考慮相關因素制定適合當地臺站的改造方案，方能較好地提升綜合防雷效能；安徽省地震局采取定量化數值評分方法，對臺站綜合防雷保障系統各構成要素運行實效進行了評估，該評估方法能夠客觀的反映安徽臺網防雷保障系統運行狀態與改造實效，為臺站防雷工作提供了可持續的技術保障與指導[4]。

隨著時間的推移，防雷設施會逐漸老化，設備故障率也會升高，嚴重的甚至會導致臺站防雷措施的失效，而如何能快速準確的評價臺站防雷總體效果，正確指導防雷儀器維護、設備更新、設施鞏固等工作，這需要一套全面完善的評估體系和標準。目前，地震行業雖有用于綜合防雷建設與維護管理的行業標準《DB/T 68-2017：地震臺站綜合防雷》[5]，但還沒有臺站防雷相關的效能評估體系。所以，作者利用相關項目開發的《重慶市測震臺網業務數據信息化管理軟件》收集了大量數據，擬通過對數據的整理與分析，找到一套適用于地震臺站的防雷效能評估標準，并希望依托該標準指導臺站防雷的運行保障工作，達到節省儀器維護與更新成本，提升臺站運行和數據質量，鞏固防雷改造效益的目的。

1 資料收集與分析

通過臺站綜合防雷改造和運維工作的開展，以及相關業務軟件的運行，可以收集到大量的防雷業務信息，其中主要分為臺站信息、防雷基礎信息、防雷臺站巡檢信息3類。臺站信息主要包括：經緯度、專業設備信息、臺基巖性、場地類型、地區雷害情況等數據；防雷基礎信息主要包括：接閃帶與引下線、交流配電防護、通訊線路雷電保護、信號雷電防護、接地網、綜合布線、雷電預警系統、儀器設備靜電屏蔽等數據；防雷臺站巡檢信息主要包括：觀測系統運行狀態、接地電阻、雷害故障、設備雷擊記錄等數據。通過業務軟件對以上信息進行匯集和整理，可進一步總結出臺站雷擊的主要原因，分析控制防雷效果的關鍵環節與因素，為防雷效能評估標準設計提供數據支持。

2 標準組成與構建

由于雷電問題的復雜性，其能量巨大、破壞力極強、入侵危害途徑不定，想從單一環節去解決防雷問題很困難[2]，所以應結合地震臺站的實際情況，采用綜合防雷的思路來設計效能評估方案。根據重慶市地震臺站多年的防雷運維經驗，并結合防雷改造內容及運行情況，對收集的數據進行分析后，確定防雷效能評估體系架構應由防雷基礎能力、設施設備年限、雷害概率和臺站巡檢4項構成（圖1）。

圖1 臺站防雷效能評估體系架構Fig. 1 Lightning protection effectiveness evaluation system of seismic station

2.1 防雷基礎能力

防雷基礎能力體現了一個地震臺站抗擊雷電災害的綜合性能。當一個臺站建設完畢后，其建筑結構與地震設施設備耦合成為一個復合的防雷系統，它的防雷基礎能力基本確定，故衡量其性能指標對評估防雷效能具有重要意義。根據地震行業標準《DB/T 68-2017：地震臺站綜合防雷》[5]以及運維經驗，我們認為，防雷基礎能力主要由臺站的防雷設施設備、配電系統、布線和儀器特性等較為固有的因素決定。所以，我們根據上述因素制定了表1，以實現對臺站防雷基礎能力的量化評定，表中各項目分值則是根據歷年來各臺站雷擊災損數據而獲得，主要是對雷 擊泄流通道、受損部位、薄弱環節等方面進行綜合考慮，依據防雷貢獻程度進行分值配比，占比較重的4個項目為：臺站布線、接地網、信號防雷和配電系統防護。

表1 臺站防雷基礎能力評分表Table 1 Rating sheet of lightning protection basic ability for seismic station

續表1

續表1

我們根據表1對防雷改造前各臺站防雷基礎能力進行了計算，并對各臺計算分值進行了頻數及分布驗證分析（圖2），其中圖2a是臺站防雷基礎能力評分的頻數直方圖，可以看出其圖像呈現鐘形分布，而圖2b則是驗證評分正態分布特性的Q-Q圖，可以看出數據點趨近落在y=x的直線附近，上述結果證明，該評分表在項目和分值上設置合理，既能較為準確的計算防雷基礎性能，又具有較強的區分能力。

圖2 臺站防雷基礎能力評分頻數直方圖和Q-Q圖Fig. 2 Frequent histogram andQ-Q plot of lightning protection basic ability score for seismic station

2.2 設施設備年限

設施設備年限主要體現在臺站內設施和設備投入使用和運行的時間上。因防雷設施設備使用的時間越長，其元器件越易老化，防雷能力就會變差，所以該項指標應納入防雷效能評估體系中。根據臺站建設、運行維護等資料，我們制作了每個臺站設施設備的使用與更新臺賬。通過該臺賬不僅可以查詢各臺站設施設備的使用年限，還能提前定制設備更新、設施維護等計劃，在一定程度上節省了運維成本。

2.3 雷害風險

我國年平均雷暴日25天，大部分地震臺站受雷電危害影響較大，較為嚴重的占1/4—1/3[6]。重慶市也屬多雷區，年平均雷暴日37.48天，一年中任何月份都可出現雷暴，以7—8月為最多[7]，所以地震臺站的雷害風險是影響防雷效能的重要因素。

雷害風險是一個系統被雷電損害的風險概率，而地震臺站與所處地區的氣候條件、地質環境、電力線路等固有及可變因素組成了一個綜合系統。本標準所指的地震臺站雷害風險主要依據重慶市氣象局防雷中心編制的《重慶市雷電災害風險區劃圖集（2019年）》[8]評定及更新。雷電災害風險區劃主要選取地閃密度、地閃強度、海拔高度、地形起伏、土壤電導率等因子計算雷電災害風險指數，并將全市雷電災害風險劃分為極高、高、一般風險等級。從圖3中可以看出：重慶市雷電災害風險極高區域主要分布在重慶主城區、渝西及渝東北部分地區。在重慶市地震臺網的44個臺站中，其中雷害極高風險占比39%，高風險占比41%，一般風險占比20%。而在防雷改造的21個臺站中，雷害極高風險占比更是高達57%，這也反映出重慶市前4批次綜合防雷改造目標選擇合理，改造對象均是雷害風險高、儀器設備多、損失影響大的臺站。

圖3 重慶市雷電災害風險區劃圖Fig. 3 Lightning hazard risk zoning map of Chongqing

另外，配備鉆孔應變儀的臺站在觀測房附近有較深的鉆孔，鉆孔金屬套管接地電阻一般都小于臺站接地地網電阻，一旦地網上有強雷電，那么與鉆孔井套管接觸的探頭就極有可能成為雷電的另一泄流通道，進而引起臺站內觀測系統被雷擊損壞[9]。以巴南石龍臺為例，雖然其位于一般雷害風險區域，但由于其鉆孔應變儀的引雷特性，其年平均雷擊故障次數在2次以上。據統計，2011—2019年配備鉆孔應變儀的臺站雷擊故障比其他臺站高62%。所以，在進行臺站雷擊風險評估時，應將儀器引雷特性考慮進去，并適當提高該臺的雷害風險評級。

2.4 臺站巡檢

臺站巡檢是定期對各臺站防雷技術系統進行的巡視檢查，目的是查看臺站防雷環境，掌握防雷設施設備、地震專業設備的實時運行狀態，并對接地電阻、交流與配電等關鍵點進行測試和數據收集。巡檢的內容主要依據臺站防雷基礎能力評分表（表1）中的評分項目，考慮到實地運維工作特點對表1中的子項進行了簡化，并重點抽取了容易發生動態變化的項目來制作巡檢專用的臺站防雷運行狀況調查表。調查表中主要包含了接閃器與引下線檢測、接地網檢測、交流配電線路檢測、電源與信號防雷器檢測、雷電預警器檢測等附表，同時為了減輕巡檢人員工作量和降低時間成本，將上述附表的評價方式設置為優、良、中、差4個定性等次的模式。臺站的巡檢數據不僅記錄了防雷能力的動態變化，還可以幫助正確評價當前的整體防雷效能。所以，周期性的臺站巡檢非常必要，對發現的問題可以進行及時的維護與整改，這是防止雷害損失的有效手段。

3 評估標準設計

我們利用防雷效能評估體系的4個組成部分來構建評估模型，模型公式為：

式中，臺站防雷效能評估得分由評估體系的4個組成部分共同決定，各部分的系數表征了其對評估得分的貢獻和權重。其中基礎信息得分由表1計算得到；設施設備年限得分是依據設施和設備的安裝運行臺賬計算使用時限，最后做歸一化處理得出綜合評分；雷害概率得分則是根據雷電災害風險，將重慶地區劃分為極高、高、一般風險3個等級，各臺站依據所處風險等級被賦予3個等次的分值；最新巡檢得分主要是根據最近一次臺站巡檢記錄的臺站防雷運行狀況調查表來評分，根據調查表中各評價項目的定性等次，分別賦予相應分值，最后計算得到臺站的最新巡檢得分。

而模型公式中系數的求解則屬于線性反演問題，可以由臺站歷年積累的防雷業務數據求解。我們收集了2010—2015年防雷改造之前的雷害運維數據，對雷害次數和觀測數據質量進行綜合評判后得到實際的防雷效能得分，并將此得分作為系數反演的臺站防雷效能評估得分初值。

利用以上數據，即可構造反演矩陣方程：

方程具體形式形如：

式（2）中，d代表臺站防雷效能評估得分列向量，G矩陣為線性算子，由防雷評估體系的4個組成部分構成，模型參數m即為待求的系數列向量。式（3）是式（2）的具體展開形式，各符號的下標代表臺站序號，stan代表第n個臺站的防雷效能評估得分，J代表基礎信息得分，S代表設施設備年限得分，L代表雷害概率得分，X代表臺站最新巡檢得分。

在反演計算中，最小二乘法的目標是求誤差最小平方和，而考慮到模型的實際意義，誤差最小平方和結果往往并不理想，故我們需要尋找最優化解決方法。我們共采用了3種方法進行參數反演：最小二乘法、非負最小二乘法和約束條件最小二乘法，圖4為參數擬合情況。從擬合結果可看出：最小二乘法，雖然數據擬合度高，且擬合數據與實際數據殘差小（殘差二范數：144），但求得的系數帶有負值，與實際情況不符，無實際意義；采用非負最小二乘法（殘差二范數：260），雖然避免了參數為負的情況，但部分參數結果為0，亦無實際意義；而采用約束條件的最小二乘方法能得到更好的結果，因其利用約束條件和迭代過程優化了反演過程，在最優容差范圍內求得了參數向量，并盡可能的擬合實際數據和降低殘差（殘差二范數：538），較為真實的還原了評估得分模型中各組成部分的系數。

圖4 評估公式參數擬合Fig. 4 Parameter fitting of evaluation formula

從參數反演結果（表2）可看出：對防雷評估影響最大的是最新巡檢得分，這也意味著控制臺站防雷效能是當前防雷系統中各要素的綜合防護狀態。在獲得臺站防雷效能評估得分公式后，即可在每次臺站巡檢后對各臺站的防雷效能做出較為準確的評價。

表2 評估公式的參數反演結果Table 2 The parameter inversion results of evaluation formula

4 標準應用

根據得到的防雷效能評估標準和公式，我們計算得到了2018—2019年的防雷效能評估結果（圖5），圖中偏紅區縣的臺站防雷效能評估得分較低，偏綠則得分較高。我們可以通過臺站實際雷擊故障次數及觀測質量影響對比驗證，發現評估得分較高的臺站均未遭受雷擊，而評分較低的巫山、石柱等區縣臺站分別有2—3次雷擊故障或儀器損壞，這說明防雷效能評估得分較為準確的反應了臺站的防雷能力。下一步防雷工作的重點目標將針對效能評估得分較低的臺站，根據臺站巡檢以及運維記錄，對防雷技術系統的薄弱環節進行加強，對故障和失效的設施設備進行維修或更換。

圖5 2018—2019年防雷效能評估結果Fig. 5 Lightning protection effectiveness evaluation results for 2018—2019

5 結論

本研究根據重慶市地震局綜合防雷改造項目的實踐經驗，設計了適用于地震臺站的防雷效能評估標準。本著綜合防雷的思想構建評價體系，通過相關軟件收集防雷工作的大量數據，采用約束條件最小二乘方法獲得了評估公式。防雷效能評估標準在重慶地震臺站的實踐應用表明：該評估體系能較為全面的涵蓋臺站防雷的各項控制要素，不僅包含了防雷基礎信息、雷害風險等臺站固有信息，還包含了臺站巡檢、設施設備年限等動態數據，上述數據信息通過評估公式聯合在一起，綜合反映出一個地震臺站的實際防雷效能。工作人員既可以利用效能評估從總體上了解各臺站的綜合防雷能力，確定未來的工作目標；又能從細節入手，利用評估模型找到臺站防雷系統中的薄弱環節，通過維護維修等手段及時加強臺站防雷能力。當然，本文提出的防雷效能評估標準，是根據近幾年重慶地區防雷改造項目的數據而獲得，標準的完備性和適用性還有待后續數據的補充和驗證。而想要保持一套標準或體系的生命力，則需要定期對其進行復審和修訂[10]，以不斷保持標準的系統性、協調性和合理性。

防雷效能評估標準的建立實質上是防雷工作的體系化、信息化和標準化，評估標準的使用實現了對重慶市地震臺站防雷工作的動態跟蹤監視，提升了防雷日常管理與運維效率，鞏固了防雷改造效益。希望本評估標準的使用能夠推動地震行業防雷技術規范的應用與發展，進而為防震減災事業提供有力保障。

致謝

衷心感謝中國地震局地殼應力研究所趙剛研究員對本研究的指導和幫助。