數字化前兆設備防雷技術應用分析

熊 峰，查 斯，楊彥明，趙 星

（內蒙古自治區地震局，內蒙古 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、自動化和數字化，雷電對前兆觀測系統的危害越來越突出，因此，防雷措施的研究、設計和實施也在逐步改進，臺站從單一的防雷逐漸發展為綜合防雷工程，綜合防治原則為“綜合治理、整體防御、多重保護、層層設防”。防雷擊措施的不斷配套和完善成為保證觀測設備正常運行的重要保障。

1 雷電的危害及其表現形式、入侵途徑

雷電是一種自然現象，歸屬于大氣物理學。現代雷電理論認為，雷電是帶電云對地面某一點或雷云之間放電，這個過程稱直接雷擊，放電過程引起電磁感應和靜電感應稱感應雷擊［1］。雷電對臺站觀測系統的危害可歸結為兩類：直擊雷和感應雷。直擊雷對設備的破壞是直接的、瞬間的，也常常是無法還原和修復的，占總雷擊的20%。儀器設備遭雷擊損壞，80%以上是由感應雷引起的，是由雷電引起的靜電感應和電磁感應。感應電流通過電源線、電話線、信號線、天線等金屬導線傳輸到較大范圍，使感應雷的破壞范圍擴大［2］。

1.1 雷擊對前兆設備危害的幾種表現形式

（1）損壞設備。雷擊過電壓或雷擊電磁場直接損壞地震儀器與信息系統設備。雷擊時，與設備相連接的各種導體線路上，可能感應到的雷擊過電壓遠超過設備的接口耐壓，儀器設備因此而損壞。設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，儀器設備也會因此而損壞。

（2）加速設備老化。雷擊直接損壞設備是直接可見的，但雷擊過電壓或雷擊電磁場加速地震儀器設備老化是看不見的，只是儀器的性能下降。雖然此時還能正常工作，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）數據丟失。雷擊過電壓可能干擾地震儀器的正常工作，使關鍵數據失真或丟失，嚴重干擾前兆數據的分析研究，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到雷電，雷擊過電壓沿配電系統進入機房或觀測系統。

（2）通信線路引入雷電。進入設備的各種通信線路非常容易感應到雷電，雷擊過電壓沿這些通信線路進入機房或觀測室，并可以直接進入設備。在機房，通信線路受感應雷擊電磁場感應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，地網A可能為高電位，如果此時設備還連接有低電位線路，如，另外一個地網B，雷擊時B可能是低電位，則兩地網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時，雷擊附加的電磁場非常強，地震臺站建筑物雖然有一定的電磁屏蔽效果，但機房內或觀測室還有一定的雷擊電磁場，當磁場強度大于2.4GS時，儀器設備會損壞。當磁場強度大于0.03GS時，數據傳輸可能受到影響（IEEE標準中數據）。

2 地震前兆設備防雷措施

地震前兆設備防雷是一個系統性工程，在充分分析雷電入侵觀測設備的途徑后，前兆地震臺的防雷技術也在不斷地改進，從電源防雷、信號防雷、接地進行完善。根據不同設備的特點和布局，全面系統地采取了屏蔽、隔離、等電位、安裝SPD浪涌保護器、L21雷電預警系統等綜合防護措施。地震臺儀器設備綜合防雷原理如圖1所示。

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

2.1 地震臺站的電源線路防護

2.1.1 地震臺站的電源線路三級防護

雷電從配電線路侵入是前兆觀測最常見、最明顯的途徑，應按照 GB50057－94、GB50343－2004等標準采取綜合防護措施，其中，電源防雷器安裝應采取B、C、D三級防護。

地震臺低壓總配電線宜套鋼管或鎧裝埋地進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來的強大雷電流，防止雷電流進入設備而產生強烈的電磁場。

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。其作用是進一步泄放雷電流，防止雷電流進入機房、觀測室內產生強烈電磁場，并對一般的設備能起到比較好的保護作用。如果無樓層分配電箱，配電線直接接到機房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，必須采取退藕措施，并在分配電線上套強磁環。

機房里的地震儀器與信息系統設備全部由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，其作用是進一步降低雷擊過電壓，確保設備安全。如果UPS輸出配電線路超過10m，可能被感應到雷擊過電壓，則應在UPS輸出端安裝D級電源防雷器，或儀器設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立取電，配電線路宜套鋼管或鎧裝埋地鋪設，鋼管或鎧裝層兩頭都應接地，在觀測室的配電處應安裝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來的雷電流，防止雷電流進入觀測室內產生強烈的電磁場。各觀測室內的儀器設備全部用帶防雷功能的插座，其作用是進一步降低雷擊過電壓，確保設備安全。所有電源防雷器都應安裝空開，機房內主要儀器設備采用電池供電，把儀器設備與市電外線隔離開［3］。

2.1.2 L21雷電預警系統的電源防雷綜合應用

在地震科技項目進步的推動下，全國各地震臺現逐步在安裝徠信地震版雷電防護預警設備，由只能預警的L17發展為性價比較高的能預警，并自動切換交直流電源的L21，是地震防雷技術的一次革新性進步。L21采用精確的雷電探測器與電場儀作為組合傳感器，結合地震臺站實際情況，深入分析電場的多種參數來綜合判斷預警雷電。雷擊發生前，提前10～30min聲光報警，對機房等地的設備保護，實現隔離性雷電防護、自動切換電源。預警防護系統用機房內的UPS供電，要發生雷擊時，預警防護系統自動斷開室外電源，完全隔離雷電，機房內設備暫時用UPS供電，雷擊警報解除后，預警系統自動連接室外電源，恢復正常供電，100%的切斷了電源途徑入侵的雷擊，保護了設備，大幅降低雷擊引起的財產損失及雷擊事故造成的負面影響。這將對感應雷的防治起到關鍵性作用，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載，減少了總配電開關跳閘等事故，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時監測大氣電場值，內置專業雷電分析軟件（V2.2）跟蹤分析電場變化規律，預警雷電，并實施防護，集雷電探測預警防護于一體。L21采取電子式大氣電場監測新技術，傳感器沒有機械運動部件，使用壽命長，穩定可靠。呼和浩特基準地震臺選取該項防雷技術進行了試點應用，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安裝到臺站各觀測點，實現預警防護功能，數據通過GPRS或網絡傳回控制中心，監控L21工作狀態及各地雷擊情況。組網防雷已在張家口中心地震臺實施［5］。加了帶GIS的背景地圖可以在安裝帶GIS的操作系統定位閃電數據。圖3是L21雷電預警系統GIS組網示意圖。

圖3 L21雷電預警系統GIS組網Fig.3 GIS networking of L21lightning warning system

2.2 前兆地震臺站的信號線路防護

地震臺前兆設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措施，其中信號防雷器是應與測量線和儀器接口一一對應的產品。從傳感器到機房或觀測室的所有測量線如地電、大地電場、地磁、水溫、水位、定點形變、體應變、氣象三要素等，在機房或觀測室側都應安裝專用的信號防雷器，同時根據測量線的特點及地震臺的雷電環境特點，防雷器的放電應設置三級以上放電電路，確保設備的安全。防雷器就近接地，其作用是泄放信號線上的雷電流。

機房內儀器到網絡交換機的五類線長超過10m時，則在交換機側安裝網絡信號防雷器，其作用是泄放網絡線在室內感應到的雷電流；機房內網絡交換機到服務器的五類線超過10m，在服務器側安裝網絡信號防雷器，同理。機房內的網絡交換機接有其他終端時，應在網絡交換機側的五類線上安裝網絡信號防雷器，其作用是泄放網絡線在室內感應到的雷電。如果機房與各觀測室之間的通信線是導體線路，則應在觀測室與機房兩側都安裝相應的信號防雷器。如果機房對外通信是導體線路，如ADSL等，則應在機房安裝相應的信號防雷器。所以，測量線都應采用屏蔽電纜，電纜的屏蔽層兩頭都就近接地，觀測室到機房的電纜應為光纜。

2.3 線路的電磁屏蔽

經過多年實踐、跟蹤研究表明，電磁屏蔽是雷電防護中最經濟有效的措施，中國電力學研究院等機構都進行了大量的電磁屏蔽實驗，結論是，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，通信電纜鋪設時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，如果因特殊情況達不到距離要求時，通信電纜單獨套金屬線槽，金屬線槽至少兩頭接地，并全段保持電氣連接良好。配電線路布設要求與通信線路同樣。地震臺內所有設備擺放時，離建筑物至少1m，所有儀器、信息系統設備都應放置在金屬機柜內，所有設備的接地點與機柜都應就近接到接地母排。包頭市地震臺洞體應變儀2011年、2012年數采遭受雷擊，損害嚴重，2013年采用了線路屏蔽措施進行防雷改造，用金屬槽對所有線路進行屏蔽，并且每隔一定距離都跟地網相接，保證了線路屏蔽和接地良好。該防雷手段實施后，觀測設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，接地電阻應不大于10Ω［6］。建筑物基礎地、新增加的地網、各種深井地等連成一個統一的共用接地網，配電地線、機房地線都從該地網引出。機房內的設備附近用（4＊40）mm2的扁銅設置接地母排，接地母排到地網的主地線宜對稱設置兩條，每條主地線橫截面積不小于50mm2。機房內的設備接地點和機柜、機架用不小于10mm2的多股銅導錢就近連接到接地母地排或機柜統一接地點，連接處用線耳連接固定。臺站的低壓總配電的PE端應用4＊40的扁鋼或同等橫截面積的其他導體連到地網，B級、C級電源防雷器就近用不小于10mm2的多股銅導線接到電源地PE端。機房內D級電源防雷器和信號防雷器就近用不小于10mm2的多股銅導線連接到機房接地母地排。電源線中，PE線宜就近接到接地母排。機房及辦公樓內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地及增加的地網作為觀測室發網，并在室內設備集中設置用（4＊40）mm2的扁銅設置接地母排，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內時，可直接用辦公樓共用接地網。觀測室各級電源防雷器、信號防雷器和機柜、機架及儀器設備的接地點就近用不小于10mm2的多股銅導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 數字化前兆防雷應用情況

2010年起，部分省局先后應用了徠信防雷科技公司的綜合防雷保護措施［5］，進行了電源防雷、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計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，雷擊過后數據恢復正常。2011年陽原地震臺在還未對通信單元的光纜進行改造時，導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供電部分出現了不穩定。永清地震臺7月份底，ZD8、ZD9儀器設備在在一次大的直接雷擊過程中損壞了一個握手系統的集成模塊，經過維修正常運行。

4 結論與思考

地震前兆防雷是一個綜合性系統工程，在充分分析雷電入侵觀測設備的途徑后，對電源線路進行B、C、D三級防雷及L21雷電預警的交直流電源切換來阻斷雷電從交流電源入侵；對信號線路根據不同設備的特點和布局，安裝信號防雷擊保護；對進入臺站電源線路和觀測信號線路整體的屏蔽保護；將電子系統中不能使用導體進行等電位聯結的帶電體，如電源線和信號線，使用SPD與接地系統連接，形成準電位連接，達到保護觀測系統和觀測設備的目的，應用接地排、整體的接地電網泄放電荷，從技術上全面系統地實現隔離、屏蔽、等電位、安裝浪涌保護器SPD等綜合防護措施后，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施并完善，觀測設備運行的連續性得到了改善，觀測資料的質量得到可靠保障。

良好的接地地網是防雷保護實現的關鍵，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，兩個地線的埋設距離最好大于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，雷雨季節雷電較密集，為確保儀器不受雷擊損壞，直流耗電時間相對長一些，所以應配備性能良好的蓄電池。

［1］地殼應力研究所.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］.災害學，2005，20（2）：58－60.

［3］中國地震局監測預報司.地震前兆數字觀測教材［M］.北京：地震出版社，2003：163－167.

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

［5］王曰風，張秀萍，王長江，等.“鷹眼”雷電預警系統在地震臺站的應用［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.