地震臺站防雷效能評估標準設(shè)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(shù)大學地球與空間科學學院，合肥 230026

引言

地震監(jiān)測是地震部門的核心任務之一，更是防震減災事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。而臺站是開展地震觀測的場所，是監(jiān)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(fā)生前后能產(chǎn)出穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，同時也是發(fā)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(shù)系統(tǒng)，也會造成監(jiān)測工作中斷及監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jīng)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(shè)備運行總體穩(wěn)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(guān)單位也就防雷工作開展了總結(jié)，山西大同中心地震臺對防雷改造臺站的21套專業(yè)設(shè)備進行了測試，結(jié)果表明防雷改造未對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，儀器的觀測精度、相關(guān)性、超差個數(shù)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(jié)，他們認為綜合防雷措施主要應包括4類，按照投入與產(chǎn)出效能比依次為: 地網(wǎng)建設(shè)≥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(guān)因素制定適合當?shù)嘏_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(shù)值評分方法，對臺站綜合防雷保障系統(tǒng)各構(gòu)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(wǎng)防雷保障系統(tǒng)運行狀態(tài)與改造實效，為臺站防雷工作提供了可持續(xù)的技術(shù)保障與指導[4]。

隨著時間的推移，防雷設(shè)施會逐漸老化，設(shè)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(shè)備更新、設(shè)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(yè)雖有用于綜合防雷建設(shè)與維護管理的行業(yè)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(guān)的效能評估體系。所以，作者利用相關(guān)項目開發(fā)的《重慶市測震臺網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)信息化管理軟件》收集了大量數(shù)據(jù)，擬通過對數(shù)據(jù)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(jié)省儀器維護與更新成本，提升臺站運行和數(shù)據(jù)質(zhì)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(guān)業(yè)務軟件的運行，可以收集到大量的防雷業(yè)務信息，其中主要分為臺站信息、防雷基礎(chǔ)信息、防雷臺站巡檢信息3類。臺站信息主要包括：經(jīng)緯度、專業(yè)設(shè)備信息、臺基巖性、場地類型、地區(qū)雷害情況等數(shù)據(jù)；防雷基礎(chǔ)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(wǎng)、綜合布線、雷電預警系統(tǒng)、儀器設(shè)備靜電屏蔽等數(shù)據(jù)；防雷臺站巡檢信息主要包括：觀測系統(tǒng)運行狀態(tài)、接地電阻、雷害故障、設(shè)備雷擊記錄等數(shù)據(jù)。通過業(yè)務軟件對以上信息進行匯集和整理，可進一步總結(jié)出臺站雷擊的主要原因，分析控制防雷效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與因素，為防雷效能評估標準設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

2 標準組成與構(gòu)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(huán)節(jié)去解決防雷問題很困難[2]，所以應結(jié)合地震臺站的實際情況，采用綜合防雷的思路來設(shè)計效能評估方案。根據(jù)重慶市地震臺站多年的防雷運維經(jīng)驗，并結(jié)合防雷改造內(nèi)容及運行情況，對收集的數(shù)據(jù)進行分析后，確定防雷效能評估體系架構(gòu)應由防雷基礎(chǔ)能力、設(shè)施設(shè)備年限、雷害概率和臺站巡檢4項構(gòu)成（圖1）。

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

2.1 防雷基礎(chǔ)能力

防雷基礎(chǔ)能力體現(xiàn)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(shè)完畢后，其建筑結(jié)構(gòu)與地震設(shè)施設(shè)備耦合成為一個復合的防雷系統(tǒng)，它的防雷基礎(chǔ)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(jù)地震行業(yè)標準《DB/T 68-2017：地震臺站綜合防雷》[5]以及運維經(jīng)驗，我們認為，防雷基礎(chǔ)能力主要由臺站的防雷設(shè)施設(shè)備、配電系統(tǒng)、布線和儀器特性等較為固有的因素決定。所以，我們根據(jù)上述因素制定了表1，以實現(xiàn)對臺站防雷基礎(chǔ)能力的量化評定，表中各項目分值則是根據(jù)歷年來各臺站雷擊災損數(shù)據(jù)而獲得，主要是對雷 擊泄流通道、受損部位、薄弱環(huán)節(jié)等方面進行綜合考慮，依據(jù)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(wǎng)、信號防雷和配電系統(tǒng)防護。

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

續(xù)表1

續(xù)表1

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

圖2 臺站防雷基礎(chǔ)能力評分頻數(shù)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(shè)施設(shè)備年限

設(shè)施設(shè)備年限主要體現(xiàn)在臺站內(nèi)設(shè)施和設(shè)備投入使用和運行的時間上。因防雷設(shè)施設(shè)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(jù)臺站建設(shè)、運行維護等資料，我們制作了每個臺站設(shè)施設(shè)備的使用與更新臺賬。通過該臺賬不僅可以查詢各臺站設(shè)施設(shè)備的使用年限，還能提前定制設(shè)備更新、設(shè)施維護等計劃，在一定程度上節(jié)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(qū)，年平均雷暴日37.48天，一年中任何月份都可出現(xiàn)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(tǒng)被雷電損害的風險概率，而地震臺站與所處地區(qū)的氣候條件、地質(zhì)環(huán)境、電力線路等固有及可變因素組成了一個綜合系統(tǒng)。本標準所指的地震臺站雷害風險主要依據(jù)重慶市氣象局防雷中心編制的《重慶市雷電災害風險區(qū)劃圖集（2019年）》[8]評定及更新。雷電災害風險區(qū)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(shù)，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(qū)域主要分布在重慶主城區(qū)、渝西及渝東北部分地區(qū)。在重慶市地震臺網(wǎng)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(shè)備多、損失影響大的臺站。

圖3 重慶市雷電災害風險區(qū)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(wǎng)電阻，一旦地網(wǎng)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(nèi)觀測系統(tǒng)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(qū)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(shù)在2次以上。據(jù)統(tǒng)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(shù)系統(tǒng)進行的巡視檢查，目的是查看臺站防雷環(huán)境，掌握防雷設(shè)施設(shè)備、地震專業(yè)設(shè)備的實時運行狀態(tài)，并對接地電阻、交流與配電等關(guān)鍵點進行測試和數(shù)據(jù)收集。巡檢的內(nèi)容主要依據(jù)臺站防雷基礎(chǔ)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(fā)生動態(tài)變化的項目來制作巡檢專用的臺站防雷運行狀況調(diào)查表。調(diào)查表中主要包含了接閃器與引下線檢測、接地網(wǎng)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(shè)置為優(yōu)、良、中、差4個定性等次的模式。臺站的巡檢數(shù)據(jù)不僅記錄了防雷能力的動態(tài)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(fā)現(xiàn)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(shè)計

我們利用防雷效能評估體系的4個組成部分來構(gòu)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(shù)表征了其對評估得分的貢獻和權(quán)重。其中基礎(chǔ)信息得分由表1計算得到；設(shè)施設(shè)備年限得分是依據(jù)設(shè)施和設(shè)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(jù)雷電災害風險，將重慶地區(qū)劃分為極高、高、一般風險3個等級，各臺站依據(jù)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(jù)最近一次臺站巡檢記錄的臺站防雷運行狀況調(diào)查表來評分，根據(jù)調(diào)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(shù)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(yè)務數(shù)據(jù)求解。我們收集了2010—2015年防雷改造之前的雷害運維數(shù)據(jù)，對雷害次數(shù)和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)反演的臺站防雷效能評估得分初值。

利用以上數(shù)據(jù)，即可構(gòu)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(gòu)成，模型參數(shù)m即為待求的系數(shù)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(chǔ)信息得分，S代表設(shè)施設(shè)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(jié)果往往并不理想，故我們需要尋找最優(yōu)化解決方法。我們共采用了3種方法進行參數(shù)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(shù)擬合情況。從擬合結(jié)果可看出：最小二乘法，雖然數(shù)據(jù)擬合度高，且擬合數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)殘差小（殘差二范數(shù)：144），但求得的系數(shù)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(shù)：260），雖然避免了參數(shù)為負的情況，但部分參數(shù)結(jié)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(jié)果，因其利用約束條件和迭代過程優(yōu)化了反演過程，在最優(yōu)容差范圍內(nèi)求得了參數(shù)向量，并盡可能的擬合實際數(shù)據(jù)和降低殘差（殘差二范數(shù)：538），較為真實的還原了評估得分模型中各組成部分的系數(shù)。

圖4 評估公式參數(shù)擬合Fig. 4 Parameter fitting of evaluation formula

從參數(shù)反演結(jié)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(tǒng)中各要素的綜合防護狀態(tài)。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(shù)反演結(jié)果Table 2 The parameter inversion results of evaluation formula

4 標準應用

根據(jù)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(jié)果（圖5），圖中偏紅區(qū)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(shù)及觀測質(zhì)量影響對比驗證，發(fā)現(xiàn)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(qū)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(jù)臺站巡檢以及運維記錄，對防雷技術(shù)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行加強，對故障和失效的設(shè)施設(shè)備進行維修或更換。

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

5 結(jié)論

本研究根據(jù)重慶市地震局綜合防雷改造項目的實踐經(jīng)驗，設(shè)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(gòu)建評價體系，通過相關(guān)軟件收集防雷工作的大量數(shù)據(jù)，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(chǔ)信息、雷害風險等臺站固有信息，還包含了臺站巡檢、設(shè)施設(shè)備年限等動態(tài)數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)信息通過評估公式聯(lián)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(jié)入手，利用評估模型找到臺站防雷系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，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(jù)近幾年重慶地區(qū)防雷改造項目的數(shù)據(jù)而獲得，標準的完備性和適用性還有待后續(xù)數(shù)據(jù)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(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和合理性。

防雷效能評估標準的建立實質(zhì)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(xiàn)了對重慶市地震臺站防雷工作的動態(tài)跟蹤監(jiān)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(yè)防雷技術(shù)規(guī)范的應用與發(fā)展，進而為防震減災事業(yè)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。