山西數字測震臺站雷擊原因分析及防護措施研究

高偉亮，高躍雄，呂 睿，鄭樹平，李 云

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；3.山西省地震局長治中心地震臺，山西 長治 046000；4.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

山西省地處黃土高原多山地區，雷電較多。近年來，隨著地震科技的發展，數字化觀測對測震觀測設備的雷電防護提出了更高的要求，若遭受雷電襲擊，輕者出現數據干擾，重者使測震觀測設備遭受不同程度的損壞，甚至使觀測系統陷于癱瘓。目前，山西省“十五”地震臺站投入運行已有多年，各臺站的防雷設施已不同程度損壞或失效。限于當時技術和經費制約，一些臺站儀器的綜合防雷工作不夠完善，時常出現因雷電造成儀器設備損壞事故。多個臺站已經發生多次雷擊損壞測震設備的事件，造成了不同程度的經濟損失，而且嚴重影響臺站儀器的正常工作和資料數據產出，因此，臺站綜合防雷亟待升級改造。

1 測震臺站的防雷技術簡述

（1）現代防雷技術要點。

現代防雷技術強調全方位防護、綜合治理、層層設防。臺站的防雷是一種系統工程，必須貫徹整體防護思想，綜合運用分流（泄流）、均壓（等電位）、屏蔽、接地和保護（箝位）等各項技術，構成一個完整的防護體系，才能取得明顯的效果［1］。

（2）直接雷擊。

直擊雷指測震臺站的上方有帶電云層在對大地放電，凡是雷電直擊地區都會產生高電壓、大電流。遭受直擊雷的概率很小，但其危害很大，不僅危及儀器設備，也危及人身、建筑安全。直接雷擊的主要破壞對象是：建筑物、野外工作臺站、野外配電線路等。直擊雷只發生在雷云對地閃擊時，才會對地面造成災害，是一次只能擊毀一至兩處小范圍內的目標［2］。

（3）感應雷擊。

雷電通過電力線、信號線、傳輸線、GPS天線等與臺站各種供電設備、弱電設備相連的各種引入線纜遭受直擊雷或感應雷電流沿線侵入，感應出很高的電壓，進入觀測系統而造成設備損壞。據估測，雷電對測震觀測系統的危害，絕大部分是由感應雷引起，極少數是由直擊雷造成的，直擊雷造成的損失僅占百分之幾。感應雷災害約有70%是由電源進線，其次是從傳輸線、信號線、通信線進入，還有一部分是因為地線未接好而出現的感應高壓反擊造成。

2 測震觀測臺站雷擊原因分析

觀測臺站高端電子器件設備不斷地出現，雷電，尤其是閃電感應，經常影響著這些極端靈敏的電子器件設備，高精密的電子設備含大量的半導體集成模塊，由于半導體集成模塊不能受過電壓和過電流沖擊，因此，使用這些器件的儀器設備和由此組成的系統或網絡，均易受波動較大電壓、強電磁干擾的危害，無法保證在特定的空間里遭受雷擊，但仍能安全運行。

（1）地震臺選址原因。根據雷擊發生有地域性的特點，測震觀測臺站建筑物較矮，易遭雷擊。測震觀測臺站一般在半山坡選址，大部分地震臺附近有河或者水庫。地震臺址一般屬于典型的迎風、背山、面水的地形特征，從雷電理論可知，該地形很容易落雷［3］。

（2）地震臺周邊一般沒有高大建筑物。測震臺站都建在比較偏的地方，周邊沒有高大建筑，自身建筑物很低，而落雷時接閃點一般都很低，因此，人感覺到雷擊就在自己的頭上或身邊［3］。

（3）地震臺址屬于土壤電阻率突變區，落雷幾率大。地震臺附近布設多種導線，落雷幾率比周圍大很多。地震臺依山而建，地勢較高，土壤層較薄，位于山坡和平底交界地帶，屬于土壤電阻率有突變的地點，雷電先導在放電過程中，土壤中的先導電流會沿著電阻率較小的路徑流通，是臺站易遭受雷擊的主要原因之一。

（4）電源線路架空引入。由于雷電對架空線路的作用，所產生的閃電電流沿著架空電線將高電位引入觀測室內，是觀測設備被雷擊的原因。

（5）有的臺站沒有設置直擊雷防護措施且無接地裝置。

（6）接地系統年久失修，接地體嚴重生銹、老化，接地電阻普遍超標（應該＜4Ω），有的超標非常嚴重，達到數十歐姆。接地極距離測震接地體過近，因雷擊產生不等電位體，感應電位梯度過大，雷電作用反擊造成破壞。

（7）臺站儀器在不同時段安裝改造，未做統籌安排，電源接線分布混亂，強、弱電未分離，缺乏系統的綜合防護，容易造成電磁信號感應。

（8）配電系統是雷電災害的重災區。供配電系統未接地且未設置電流保護器防護，未達到目前國家防雷相關規范的三級防雷要求。

（9）未做信號防雷。近年來，大量新建的測震觀測臺站儀器設備和通信設備的信號防雷欠缺，也是主要的防雷隱患之一，導致不少臺站儀器設備損壞不能工作。如，臺站GPS信號系統設備遭雷擊損壞，監測設備不能自動校對時間。

經過多年的研究分析，總結出雷擊對地震臺儀器與信息系統危害的幾種表現形式為：

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傳輸系統設備。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（高達幾千伏）遠超過設備的接口耐壓，儀器設備也會因此而損壞。

②加速設備老化。雷擊過電壓或雷擊電磁場加速地震儀器與信息系統設備老化。雷擊直接損壞設備是可見的，但設備的老化看不見，只是某些性能下降，地震信號數據丟失和軟件程序損壞等。

③數據丟失。雷擊過電壓可能干擾地震儀器的正常工作，造成觀測數據失真或丟失，嚴重影響地震監測。

3 現場檢測情況

為掌握山西測震臺站防雷系統的現狀，從山西測震臺網中選取11個測震觀測臺站，按照《建筑物防雷設計規范》（GB50057－2010）及相關規范要求，山西省雷電防護監測中心技術人員對臺站防雷裝置的情況進行現場檢測。使用4102A接地電阻測試儀和K3690等電位測試儀，對選取的11個測震觀測臺站的防雷裝置進行檢測。檢測結果如表1所示。

表1 山西測震臺站防雷裝置檢測結果表Table.1 Test results of devices for protecting seismic stations of Shanxi Province from lightning

從表1看出，將近3／4臺站的接地電阻超標，其中婁煩地震臺的接地電阻達到15Ω。

通過防雷裝置檢測報告，發現測震觀測臺站普遍存在如下問題：

（1）供電線纜采用架空線路，未采取屏蔽措施。

（2）所有的臺站未安裝信號防雷裝置。

（3）部分測震臺站，沒有按照兩級電源避雷設計。

（4）光纜終端盒、光纜加強芯接地阻值超標。

（5）電池柜、機柜、配電柜接地阻值超標。

部分測震臺站還存在如下問題（見表2）。

表2 測震觀測臺站勘察實況表Table.2 Investigation of seismic stations

4 山西省數字測震臺站雷擊災害及防雷系統建設建議

4.1 臺站雷擊災害情況

表3為山西省數字測震臺站“十五”儀器架設之后，遭受雷擊情況的統計表。雖然在臺站建設時是按照上述的區域防雷、電源進線防雷、通信傳輸線防雷、傳感器引線防雷等四方面的技術進行設計和實施，但仍有部分臺站的儀器遭受雷擊。從表3可以看出，被雷擊破壞的儀器主要有數據采集器、GPS天線、智能電源、通信設備等。

4.2 臺站防雷系統建設建議

一個完整的防雷系統應該包括直接雷擊的防護（外部防雷）和感應雷擊的防護（內部防雷）兩個方面，缺一不可，否則會有潛在危險。現代綜合防雷體系的構成如第39頁圖1所示。

4.2.1 測震觀測臺站內部防雷措施

一般來說，直擊雷擊中地震觀測臺站儀器設備的可能性很小。地震觀測站內部儀器設備出現故障的情況大多數是由于閃電感應的影響，內部防雷系統主要是保護建筑物內易受過電壓破壞的設備。如，觀測設備加裝過壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，保護裝置能快速動作，泄放能量，從而保護設備免受損壞。

表3 山西省2012－2013年測震觀測臺站雷擊情況統計表Table.3 Seismic stations struck by lightning from 2012to 2013in Shanxi Province

圖1 現代綜合防雷體系構成Fig.1 Structure of modern integrated system for protection from lightning

（1）電源防雷系統。

電源部分的防雷及過電壓保護是整個防護系統的重點和難點。當雷擊測震觀測臺站時，強大的雷電流及其高強度瞬變電磁場對周圍導體產生過電壓，絕大多數的雷害都是因為這類二次感應而造成。電源防雷系統主要是防止雷電波通過電源線路對觀測設備造成危害。為避免高電壓經過避雷器對地泄放后的殘壓，或因更大的雷電流在擊毀避雷器后，繼續毀壞后續設備，以及防止線纜遭受二次感應，應采取分級保護、逐級泄流的原則。對測震觀測臺站供電系統分別安裝一級、二級、三級電源避雷器。多級布置避雷器可減小引線電感帶來的額外殘壓，因前級避雷器已將大部分雷電流泄放入地，在后級的避雷器只泄放少部分雷電流，雷電流的減小必然導致引線上的附加殘壓減小。為保證避雷器由前到后順序泄放，避雷器的動作電壓應是后級不低于前級。避雷器之間的電力電纜長度不小于15m。如果兩者間距不夠，可選用電感退耦線圈，這樣可以避免二級電源避雷器首先遭受雷擊而損壞［1］。之后，在所有重要的觀測儀器主機前端進行穩壓，安裝交流參數電源穩壓器，其環境適應能力及穩定可靠性能最高，可以大大減小雷擊的可能性。

（2）信號防雷系統。

由于雷電波在線路上能感應出較高的瞬時沖擊能量，因此，要求通信設備（光端機、協轉、GPS天線等）能夠承受較高能量的瞬時沖擊，而目前大部分通信設備由于電子元器件的高度集成化而導致耐過壓、耐過流水平下降，通信設備在雷電波沖擊下遭受過電壓而損壞的現象越來越多，其后果可能造成整個通信系統的運行中斷，因此，必須在網絡通信口處加裝必要的防雷保護裝置，以確保網絡通信系統的安全運行。原則上，應盡量縮短這些引線，使數據采集器與地震計盡可能靠近。GPS天線安裝GPS避雷器，在能保證通信質量的前提下，天線盡量低，饋線應越短越好，以減少感應雷害［1］。

（3）防雷等電位連接。

對進入室內的通訊和電纜金屬（屏蔽）護套等進行等電位連接，以減少設備與設備之間的因雷電產生的電位差。將數據采集器、傳感器和其他設備裝置等金屬外殼和電纜的外層做等電位連接，與觀測房避雷銅排連接在一起，并與觀測室內接地母線排做可靠電氣連接；低壓架空電源線均改成一段埋地長度25m金屬鎧裝電纜穿鋼管直接埋地引入，金屬管兩端均做接地處理，使得電源線或信號線與其附近金屬管道之間不會出現較大的暫態電位差。

（4）屏蔽措施。

為降低感應雷可能對擺房設備帶來的危害，可在部分臺站的擺房采取屏蔽措施。在擺房內部采用金屬龍骨進行吊頂和四周墻面裝飾，中間填充保溫材料，金屬龍骨多點接地。在防雷實驗研究中，為進一步減輕雷擊災害可能帶來的損失，可在臺站安裝架設L－21型雷電預警設備，摸索防御雷擊事故的有效防護措施。

4.2.2 測震臺站外部防雷措施

外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防護直擊雷，是防雷技術的主要組成部分，其技術措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器）、引下線和接地體。對各臺站原有的舊避雷針必須檢查設置是否合理，接閃器、下引線是否連接完好，尤其是接地電阻必須合格，否則會起反作用。

（1）接閃器。

測震臺站外部防雷措施，沿觀測室屋頂周邊、屋角、屋脊和檐角等易受雷擊部位采用Φ12鍍鋅圓鋼敷設接閃帶，整個觀測室采用法拉第籠的形式，可以對雷電空間磁場起到初級屏蔽保護作用。發生落雷雷擊時，大量電流會向四周散開，對付落雷最有效、最傳統、最廣泛的手段就是避雷針。避雷針是一種將雷電引向自身并泄入大地，使被保護物免遭直接雷擊的針形防雷裝置。

（2）引下線。

設4根專用引下線，引下線采用Φ12鍍鋅圓鋼明敷，垂直間距不大于1m，在各引下線距地面0.3m～1.8m處裝設斷接卡。在屋頂邊框上多處焊接圓鋼或扁鐵引下線接大地（圓鋼直徑≥10mm，扁鋼截面為40，厚度為4mm），引下線要短、松、無直角和固定。

（3）接地裝置。

測震觀測臺站采用人工接地體，由于觀測站周圍土質較差，土壤層較薄，位于山坡和平底交界地帶，人工接地體敷設在離觀測室15m左右的池塘邊，接地體采用銅包鋼材料，垂直接地體的長度達到12m，水平接地體的間距4m～5m左右。

（4）防雷接地。

為把雷電流迅速導入大地，以防止雷害為目的的接地叫防雷接地。臺站的各層頂板、底板、側墻、吊頂內幾乎被各種線布滿。這些電子設備及布線系統一般均屬于耐壓等級低，防干擾要求高，最怕遭受雷擊的部分。雷電造成的直擊、串擊、反擊，都會使電子設備受到不同程度的損壞或嚴重干擾。因此，對臺站的防雷應按一級防雷建筑物的保護措施設計，與臺站柱頭鋼筋作電氣連接，引下線利用柱頭中鋼筋、圈梁鋼筋、樓層鋼筋與防雷系統連接，外墻面所有金屬構件也應與防雷系統連接，柱頭鋼筋與接地體連接，組成具有多層屏蔽的籠形防雷體系。不僅可以有效防止雷擊損壞臺站內設備，而且還能防止外來的電磁干擾。接地是個比較復雜的問題，是避雷技術中最重要的環節，直擊雷、感應雷，最終都是把雷電流送入大地，因此，必須有合理而良好的接地裝置。

（5）共用接地。

共用接地可避免高電位差產生的擊穿問題，但必須注意地網要做好而且還要注意連接的方法。共用接地的主體應為：臺站的主要金屬構件和進入建筑物的金屬管道；供電線路含外露可導電部分；防雷裝置；由電子設備構成的信息系統。機房內設備（含電源避雷器、信號避雷器）宜選用單點接地方式實現等電位連接。如果采用“一點接地法”，把各系統的接地線接到接地母線同一點或同一金屬平面上，可使各系統的接地線處于等電位而消除了干擾；機房內的電力電纜（線）、通信電纜（線）宜盡量選用屏蔽電纜；使用長于30m，埋地＞0.8m的鎧裝電力電纜將220V電力線引入觀測室、儀器房、山洞口等，并做好接地處理；架空電力線由終端電桿引下后，更換為屏蔽電纜，非屏蔽電纜應穿鍍鋅鐵管，鐵管兩端接地。對臺站的觀測房、山洞口等可采用環形接地，利用基礎接地體、法拉第籠（網）等接地連接方法。

接地的一個關鍵問題是接地系統的施工，必須按照有關規定和要求實施，才能得到預期的效果。接地系統施工完畢，必須進行測試，其標準是接地電阻一般小于4Ω。此外，接地系統還要定期進行維護和修理。

（6）接地電阻。

衡量一個接地體質量最重要的指標是接地電阻。從防雷的要求看，接地裝置的接地電阻愈小愈好，但必須考慮經濟性及合理性，所以，對不同的防雷對象，規定不同的接地電阻值。避雷針（避雷帶、避雷網）的接地電阻應小于10Ω，避雷器的接地電阻應小于4Ω。如果臺站處于高電阻率區域（如山坡、巖石、砂巖），可以用以下幾種方法來降低接地電阻。

① 加大接地體的尺寸，做成接地網狀；

② 增加埋設深度；

③ 換土法。即，把接地體周圍區域的表層高電阻率的土壤挖去，再填充低電阻率的土壤（如黏土，黑土）；

④土壤做化學處理。第一種是用鹽類物質（或木炭、爐灰、石灰等），被土壤吸收后產生很多導電離子，但易流失；第二種是用化學凝膠，即降阻劑（可訂購或配制）；

⑤ 污水引入（無腐蝕性，用鋼管鉆孔滲入）。

5 防雷系統運行維護

良好的運行維護是觀測系統正常運行的重要保證。要定期對防雷系統進行維護，通過維護，可以將隱患消除在萌芽狀態，以延長系統的使用壽命。

（1）每年雷雨季節前，應對運行中的防雷器利用元件測試儀進行一次檢測；雷雨季節中，要加強外部巡視，發現防雷模塊顯示窗口出現紅色及時處理。

（2）每年雷雨季節前，應對接地系統進行檢查和維護。主要檢查連接處是否緊固，接觸是否良好，接地引下線有無銹蝕，接地體附近地面有無異常，必要時應挖開地面，抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發現問題，應及時處理。

（3）每次打雷后，都應檢查避雷元器件有無損壞、發黑、有無焦糊味，器件部位是否清潔、有無霉絲、昆蟲等，及時更換有問題的部件［2］。

（4）接地網的接地電阻應每年進行一次測量。測量接地電阻，做好記錄，并與上次結果對比，發現問題及時處理。要多留照片，注意前后對比。定期檢查外線路，包括：供電系統、避雷接地系統、天線、信號線、信號配接箱、外設等，打雷、刮大風、下大雨等異常天氣后，要認真檢查，發現問題及時解決。

（5）提高防雷意識，采取有效的技術和產品，加強防雷措施。

（6）發現雷擊故障及時跟蹤分析，查找原因，確定解決辦法。

6 結語

雷擊對觀測儀器的危害最大，由于雷電的隨機性很強，對雷擊的防范要有長期性。為全面控制雷電對地震臺站的危害，必須在綜合分析直接雷擊和感應雷擊的基礎上，從建筑物、電源、信號線等對象的雷電防護及有效的連接和接地等方面進行綜合考慮，才能達到理想的防雷效果。就目前來講，防雷器只是針對某一具體環境的相對防雷，而非適用于任何雷電環境。測震觀測臺站在建設過程中，應該同步做好雷電防護措施，保證雷電防護措施達到地震觀測臺站的要求。防雷裝置應該做好周期性和日常性維護，每年在雷雨季節到來之前，需對各項防雷設施進行全面檢測，對于不符合設計要求的，應及時更換并采取相應措施。通過一系列的防范措施，把雷電的危害降到最低，以保障地震觀測資料安全、連續地產出。

［1］鄒振軒.地震觀測中的防雷技術［J］.地震地磁觀測與研究，2005，26（1）：106－110.

［2］曾憲軍，于林民，陳 俊，等.蒙城地震臺避雷系統改造［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30（6）：92－98.

［3］鐘衛星，壽海濤，姚保華，等.佘山地震臺防雷技術研究與應用［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30（4）：103－109.