強(qiáng)震動觀測臺站防雷措施探討

郭德順， 楊建安， 葉春明

（廣東省地震局， 廣州 510070）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 強(qiáng)震臺站經(jīng)過不斷的建設(shè)和改造， 基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、 綜合化、 自動化和網(wǎng)絡(luò)化， 所提供的觀測資料為地震烈度快速運(yùn)算和地震科學(xué)研究做出了重要貢獻(xiàn)。 而地震臺站產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定、 連續(xù)、 可靠， 關(guān)系著強(qiáng)震動觀測科研水平的發(fā)展。 地震臺站的數(shù)字化儀器與信息系統(tǒng)的防雷措施， 已成為當(dāng)今我國地震臺網(wǎng)運(yùn)行管理工作中一項(xiàng)重要又嚴(yán)峻的課題。雷電危害是影響臺站長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一， 因?yàn)閺?qiáng)震臺站的雷電環(huán)境相當(dāng)惡劣， 而數(shù)字化儀器與信息系統(tǒng)是對雷電十分敏感的精密設(shè)備，電子元件的微型化、 集成化程度越來越高， 而各類電子設(shè)備的耐過電壓能力下降， 導(dǎo)致雷電和過電壓破壞的現(xiàn)象愈發(fā)增多。 在強(qiáng)雷電活動季節(jié)， 每年都有臺站的觀測儀器被雷擊的事故發(fā)生， 突發(fā)性的瞬間高壓放電所產(chǎn)生的雷電流、 電磁脈沖輻射、 電磁感應(yīng)， 會對地震信息記錄造成很大的干擾， 造成數(shù)據(jù)斷記、 供電系統(tǒng)故障、 儀器設(shè)備的燒毀甚至系統(tǒng)癱瘓。 因此在臺網(wǎng)建設(shè)過程中必須采取必要技術(shù)措施， 建立一個完善的防雷系統(tǒng)， 做好強(qiáng)震臺站的防雷保護(hù)工作。 本文將介紹廣東省強(qiáng)震動觀測站的防雷建設(shè)情況， 探討強(qiáng)震動觀測站的防雷措施。

1 雷電對地震觀測臺站的危害

雷電是地震觀測中較為常見且危險性最大的一種自然干擾源。 我國是雷電活動很強(qiáng)的國家[1]， 部分城市雷暴日期及初終期見表1， 全國年平均雷暴日數(shù)分布圖見圖1。 圖中給出了全國53年平均雷暴日數(shù)分布， 可以看到我國的云南南部為雷暴極值區(qū)， 雷暴日超過100 d。 華南地區(qū)平均年雷暴日可達(dá)80～120 d， 為雷暴高值區(qū)。 由于地形的抬升作用， 青藏高原北緣和東緣雷暴日相對高于同緯度地區(qū)， 一般可達(dá)50～80 d， 為次高值區(qū)。 而戈壁、 沙漠地帶或盆地， 一般低于20 d， 為最低值區(qū)。 雷電的特點(diǎn)是放電電壓高， 閃電浪涌電流幅值大， 雷電有兩個放電參數(shù)： ①起主要破壞作用的雷電流，常達(dá)到20～200 kA， 作業(yè)時間極短； ②雷電流的上升速度稱為陡度， 數(shù)值約為i=80×103A／us。 雷電的危害都是由以上兩個放電特性引起的， 臺站遭受的雷擊主要表現(xiàn)為：

表1 我國部分城市雷暴日期及初終期Table 1 The date of initial and final stage of thunderstorm of part of cities in China

圖1 全國年平均雷暴日數(shù)分布圖Fig.1 The distribution map of the annual thunderstorm days of China

（1）直擊雷。 雷電直接擊在受害物上， 產(chǎn)生電效應(yīng)、 熱效應(yīng)和機(jī)械力， 從而對設(shè)施或設(shè)備造成破壞和人員造成傷害。 直擊雷對臺站儀器損壞非常嚴(yán)重， 體現(xiàn)在電路板電子元件大面積燒損并散發(fā)出燒焦氣味， 但發(fā)生次數(shù)很少。

（2）感應(yīng)雷。 主要表現(xiàn)為直擊雷二次效應(yīng)引起的感應(yīng)雷、 線路雷等， 感應(yīng)雷擊破壞的主要對象是電子電氣等設(shè)備， 感應(yīng)雷造成的雷擊事件約占總體的70%。

（3）反擊雷。 在接閃瞬間與大地間存在著很高的電壓， 從而對與大地連接的其他金屬物品發(fā)生放電的現(xiàn)象叫反擊， 反擊雷很容易擊穿電氣設(shè)備絕緣層， 干擾甚至破壞儀器設(shè)備系統(tǒng)。

雷電對臺站的影響可歸納為以下幾個方面：

（1）觀測環(huán)境。 雷電直接擊打在臺站建筑主體上時會出現(xiàn)點(diǎn)動力和熱效應(yīng)作用， 熱效應(yīng)主要是指雷電電流經(jīng)過導(dǎo)體時產(chǎn)生巨大的熱能， 從而引起金屬物的融化和飛濺， 導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸， 使得被擊打的物體在雷電電流機(jī)械力的作用下遭到破壞， 還有可能受到電磁推力和靜電斥力的破壞性擊打， 甚至危及人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

（2）供電系統(tǒng)。 雷電高壓襲擊戶外電源線，并沿電力線侵入臺站， 造成儀器設(shè)備的損壞。 并將對臺站供電系統(tǒng)造成破壞， 對于后備式UPS 電源， 將直接沿電源線進(jìn)入主機(jī)擊毀開關(guān)電源和主機(jī)主板。 而對于在線式UPS 電源， 將依次擊毀UPS 電源與UPS 逆變器， 最后沿地線與電源零線侵入高電壓， 燒毀主機(jī)主板。

（3）設(shè)備儀器。 主要表現(xiàn)在： ①設(shè)備過早老化。 雷擊直接損壞設(shè)備是直觀可見的， 但老化現(xiàn)象較難發(fā)現(xiàn)， 頻繁經(jīng)受過電壓影響會使儀器設(shè)備的整體性能不斷下降， 如耐壓性能的降低， 損壞的幾率便大大提高， 一般較小的過電壓就可將其損壞。 ②造成設(shè)備的損壞。 擊穿電子器件、 破壞元件金屬化表層、 破壞集成電路、 印刷電路板印刷線或接觸點(diǎn)， 導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。 對于無UPS 電源，直接從電力線取電的臺站， 危害更大， 臺站整體設(shè)備極容易遭遇高電壓影響， 出現(xiàn)燒毀甚至爆炸。

建筑物分為Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ類， 根據(jù)規(guī)范可知，強(qiáng)震觀測房屬于第三類防雷建筑物。 而相關(guān)的防雷規(guī)范如GB50057-2004 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50147 《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》 并不完全適用于強(qiáng)震動觀測臺站，在DB/T 17-2006 《地震臺站建設(shè)規(guī)范-強(qiáng)震動臺站》 中， 也未指出具體的防雷規(guī)范。

閃電是電流源， 防雷的基本途徑就是提供一條雷電流對地泄放的合理的阻抗路徑， 讓其不能隨機(jī)性選擇放電通道， 從而控制雷電能量的泄放與轉(zhuǎn)換。 強(qiáng)震臺站遭遇的直擊雷的現(xiàn)象不多， 常規(guī)避雷的原理是采用避雷帶、 避雷網(wǎng)、 避雷針等作為接閃器吸引雷電流， 并通過良好的接地裝置迅速、 安全疏散入大地， 從而保護(hù)觀測房及儀器設(shè)備。 而從避雷原理上講， 就避雷接閃器本身而言， 它不但不能避免雷擊， 反而會招來更多的雷擊， 通過自身多受雷擊而使周圍免受雷擊， 將帶來更多的感應(yīng)雷影響。 所以我們認(rèn)為， 除非臺站在雷電高發(fā)、 地勢較高、 周邊空曠的地方， 一般不推薦安裝避雷針， 直擊雷防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)在避雷帶、避雷網(wǎng)建設(shè)等方面。 根據(jù)GB50057《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定， 避雷帶、 避雷網(wǎng)及引下線的材料及規(guī)格應(yīng)符合表2 的要求， 并且做到引下線鍍鋅或涂防銹漆， 固定支撐點(diǎn)間隔≥1.5 m， 離地2 m以下有瓷管、 塑料管等良好保護(hù)。

表2 常規(guī)避雷設(shè)備的技術(shù)要求Table 2 The technical requirements of conventional lightning protection equipment

在國際標(biāo)準(zhǔn)0EC61312-1 中描述的分區(qū)防雷的觀念已被證實(shí)是合理的、 有效的。 這個理論的基本思想是在過電壓到達(dá)終端設(shè)備造成損害之前，由外到內(nèi)逐級地減少它至無害的水平。 防雷分區(qū)(LPZs) 的定義見表3。

由此可見， 0A 區(qū)為直擊雷區(qū)域， 最危險， 由外部防雷系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)， 越到建筑物內(nèi)部則越安全， 受損害的機(jī)會越小。 地震臺站防雷主要針對建筑防雷、 電源供電防雷、 通信系統(tǒng)防雷、 儀器設(shè)備防雷等幾方面， 盡可能降低雷電帶來的損失，而防感應(yīng)雷是臺站防雷系統(tǒng)的重點(diǎn)， 據(jù)統(tǒng)計(jì)雷擊事件中約有70% 是感應(yīng)雷造成的[2]。 入侵臺站觀測系統(tǒng)的雷電主要有市電網(wǎng)電源供電線路、 通信線路、通過接地體入侵等3 種途徑。 根據(jù)雷電危害途徑和地震臺站監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)， 結(jié)合各類防雷規(guī)范及相關(guān)的防雷經(jīng)驗(yàn)， 我們認(rèn)為強(qiáng)震臺站的防雷系統(tǒng)， 可按圖2 中的防雷系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行布設(shè)， 本文主要討論對感應(yīng)雷的防護(hù)。

表3 防雷分區(qū)定義Table 3 The definition of lightning protection zone

圖2 強(qiáng)震動觀測臺站防雷系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 The lightning protection system architecture of strong earthquake monitoring station

3 臺站防感應(yīng)雷措施討論

雷電流即使經(jīng)傳統(tǒng)避雷裝置將50%直接泄入大地， 仍有50%將平均流入電源線、 信號線、 通信線纜等電氣設(shè)備中。 雷電對地震臺站的危害更多的是感應(yīng)雷害， 由此感應(yīng)的高壓可以通過電力線、 電話線、 信號線、 天線等金屬導(dǎo)線傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的地方， 使感應(yīng)雷害范圍擴(kuò)大。 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，低壓輸電線路上的雷電過電壓在6 kV 以下， 電流為3～10 kA， 通信線路上感應(yīng)雷電過電壓約為5 kV， 電流為幾百安。 美國研究報(bào)告[AD722675] 指出， 在雷閃時磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到7×10-8T 時電子計(jì)算機(jī)等設(shè)備即會出現(xiàn)誤動作， 當(dāng)達(dá)到2．4×10-6T 時設(shè)備將出現(xiàn)永久性損壞。 雷擊對地面產(chǎn)生電磁效應(yīng)危及電子管設(shè)備系統(tǒng)的半徑約為400～800 m， 對晶體管設(shè)備為800～1 200 m， 對微電子設(shè)備為2 000 m 以上。 如臺站各電子設(shè)備距雷擊點(diǎn)在10～100 m間， 雷擊通信線時產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度約為l0-7～l0-6T數(shù)量級， 雷擊電源線時引起的磁感強(qiáng)度為（0．6～2）×10-5T。 前者可能使設(shè)備產(chǎn)生誤動作， 后者足以使微電子設(shè)備出差錯或損壞。 因此， 地震臺站的雷電綜合防護(hù)， 不但要解決建筑物的直擊雷防護(hù)，還有對進(jìn)入建筑物內(nèi)的各種金屬管道、 電源線、信號線進(jìn)行感應(yīng)雷防護(hù)， 以確保建筑物內(nèi)電子設(shè)備的安全。 根據(jù)圖2 強(qiáng)震動觀測臺站防雷系統(tǒng)架構(gòu)， 我們將分節(jié)討論。

3.1 觀測房選址及建設(shè)

根據(jù)DB/T 17－2006 強(qiáng)震動臺站建設(shè)規(guī)范， 并查閱廣東省各強(qiáng)震臺站建設(shè)資料可知， 30%的強(qiáng)震臺觀測房位于已建成的建筑物的一樓或底層， 屬于改建類觀測房； 20%的強(qiáng)震臺與綜合臺共用觀測房， 屬于共用類觀測房； 50%的強(qiáng)震臺觀測房位于學(xué)校、 政府行政單位自由場地或較為空曠偏僻的地方， 屬于自建類觀測房。 本文主要討論的是自建類觀測房與共用類觀測房。

地震臺附近一般沒高大建筑物， 特別是綜合觀測臺， 往往會建在比較偏僻的地方。 臺站建筑體一般不高， 而落雷時接閃點(diǎn)一般很低， 臺站內(nèi)的工作人員便感覺到雷擊就像在自己的頭上或身邊。 而雷擊的程度與土壤的電阻率直接相關(guān)， 一般河床、 鹽場附近土壤電阻率較小， 有些地區(qū)的土壤電阻率還會出現(xiàn)突變的情況。 在一些建筑物密集區(qū)域， 有各種金屬線纜或金屬管道埋在地下，一些地面設(shè)施如供電塔、 信號塔為雷云與大地建立有利的放電通道繼而更易遭受雷擊。 因此， 在地震臺站選址建造時， 應(yīng)盡量躲開多雷區(qū)或易遭雷擊的地點(diǎn)， 避免日后增大防雷工程實(shí)施的難度。建筑物結(jié)構(gòu)材料所能積蓄電荷的多少影響接閃的頻率， 以及建筑物內(nèi)金屬設(shè)備都會影響防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 這些雷擊防護(hù)的參數(shù)和影響因素必須經(jīng)過詳細(xì)調(diào)查， 作為防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險評估數(shù)據(jù)。對于臺站建筑體， 不宜建造成尖銳形狀， 并做好女兒墻等部位的建造以及相關(guān)的防水措施。

屏蔽是有效防止雷電電磁脈沖輻射對電子設(shè)備影響的手段， 屏蔽就是用金屬網(wǎng)、 箔、 殼、 管等導(dǎo)體， 把需要保護(hù)的對象包圍起來， 阻隔閃電的脈沖電磁場從空間入侵的通道。 利用建筑物屋頂?shù)谋芾讕А?避雷網(wǎng)和四周墻面內(nèi)的柱鋼筋作為引下線， 以及梁鋼筋相互焊接， 對進(jìn)入建筑物的水管、 金屬管道等金屬構(gòu)件采用良好電氣連接。這樣， 整座建筑物就形成了一個理想的 “法拉第籠” 屏蔽網(wǎng)， 并與地網(wǎng)可靠連接， 構(gòu)成初級屏蔽網(wǎng)。 有些臺站由于建筑施工條件的限制， 無法結(jié)合建筑物的避雷帶、 鋼筋、 地網(wǎng)等形成 “法拉第籠”， 甚至無法對建筑物進(jìn)行較大的基建工程改造， 可在建筑物內(nèi)部使用彩鋼板建造觀測房， 同時做好彩鋼板房的接地系統(tǒng)， 形成良好的屏蔽房。

3.2 供電防雷

3.2.1 交流市電供電方式

交流市電具有安裝成本低， 維護(hù)容易， 供電穩(wěn)定的特點(diǎn)， 在條件允許的臺站， 應(yīng)優(yōu)先選擇交流供電， 而市電電力線一般是架空布設(shè)， 電源從電力線路輸入室內(nèi)前有可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷，由電力供電線引入的雷電對儀器設(shè)備的損壞率約占70%。 當(dāng)直擊雷擊中高壓電力線路， 經(jīng)過變壓器入侵觀測技術(shù)系統(tǒng)的供電設(shè)備， 另外低壓線路也可能被直擊雷擊中后產(chǎn)生雷電過電壓。 在220／380 V 電源線上出現(xiàn)的雷電過電壓平均可達(dá)10 kV， 對觀測技術(shù)系統(tǒng)可造成毀滅性打擊。 可通過以下方法預(yù)防由電力線引入的雷害： ①220 V 電力線使用長于30 m， 埋地大于O.8 m 的鎧裝電力電纜引入觀測室， 并做好接地處理。 ②對市供電系統(tǒng)要采用2 級防雷， 分級承受分?jǐn)偫缀Α?第1級是在配電房與觀測房（設(shè)備機(jī)房）之間（要有一定的防護(hù)距離）， 配電柜前安裝三相電源避雷器， 削去除避雷器閥值高壓外的大部分雷害。 第2 級則是在觀測設(shè)備前端安裝單相電源避雷器， 使殘存的電壓降至電子儀器設(shè)備可承受的電壓下。 條件允許的臺站， 應(yīng)盡量使用帶穩(wěn)定直流電壓輸出及蓄電池切換供電的配電單元， 隔離交流市電， 為臺站設(shè)備提供穩(wěn)定直流供電， 有效地減少高頻干擾及浪涌電壓對設(shè)備的損害。 廣東省大部分的地震監(jiān)測臺站均使用了隔離式直流電源， 該隔離式直流電源使用兩組蓄電池輪流給設(shè)備供電， 具有市電隔離、 電池充放電與保護(hù)、 旁路、 液晶顯示與監(jiān)控指示以及遠(yuǎn)程控制等多種功能， 并且取得了良好的防護(hù)效果。 電源系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

3.2.2 太陽能供電方式

圖3 隔離式直流電源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 The architecture of isolation DC power supply system

太陽能供電系統(tǒng)具有太陽能資源分布廣泛，受地域限制??； 太陽能電池原料豐富； 無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件， 沒有噪聲， 穩(wěn)定性好； 維護(hù)保養(yǎng)簡單，維護(hù)費(fèi)用低； 系統(tǒng)為組件， 可在任何地方快速安裝、 無污染等優(yōu)點(diǎn)。 對比交流市電供電方式， 最直接的影響就是有效的減少因電力線引入雷電的現(xiàn)象， 查閱廣東省陽江市多個海嘯預(yù)警臺維護(hù)資料可知， 該區(qū)域臺站多次受到雷擊影響， 導(dǎo)致臺站設(shè)備發(fā)生故障或損壞， 而改用太陽能供電方式后， 至今未再受到雷電的影響。 但是， 太陽能供電也存在太陽能照射的能量分布密度小（約100 W/m2）、年發(fā)電時數(shù)較低（平均1 300 h）、 受季節(jié)晝夜以及陰晴等氣象狀況影響大、 精準(zhǔn)預(yù)測系統(tǒng)發(fā)電量比較困難、 光伏系統(tǒng)的造價還比較高等缺點(diǎn)。 因此， 需結(jié)合臺站自身情況， 權(quán)衡利弊， 并盡量優(yōu)先考慮使用交流市電供電方式或交流市電供電為主、 太陽能供電為輔的供電方式， 也可參考廣東省東莞市虎門地震綜合觀測站， 使用太陽能發(fā)電為主， 柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電為輔的供電方式。

臺站的太陽能電池陣列不屬于建筑物， 一般安裝在臺站屋頂， 受雷擊的直接原因是因?yàn)檎嫉孛娣e較大， 高于臺站避雷網(wǎng)、 避雷帶， 周邊無遮擋， 增加了其受雷擊的可能性。 因此需做好太陽能系統(tǒng)的相關(guān)防雷措施：

（1）交流側(cè)防雷措施： 每臺逆變器的交流輸出經(jīng)含防雷保護(hù)裝置的交流防雷柜后接入電網(wǎng)，能有效地避免雷擊和電網(wǎng)浪涌導(dǎo)致設(shè)備的損壞，機(jī)柜要做好接地措施。

（2）直流側(cè)防雷措施： 保證電池支架的良好接地， 太陽能電池陣列連接電纜接入含高壓防雷器保護(hù)裝置的光伏陣列防雷匯流箱， 隨后再接入直流防雷配電柜， 經(jīng)過防雷裝置可有效地避免雷擊導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

3.3 接地系統(tǒng)

強(qiáng)震臺站中有避雷接地、 機(jī)殼安全接地、 交流電源工作接地、 直流工作接地、 傳感器接地等。接地通常分獨(dú)立接地和共用接地。 獨(dú)立接地將使各地網(wǎng)之間產(chǎn)生高電位差， 容易擊穿儀器設(shè)備，而共用接地可避免高電位差產(chǎn)生的擊穿問題。 根據(jù)電磁感應(yīng)原理， 當(dāng)直擊雷、 感應(yīng)雷雷電流流過被保護(hù)區(qū)內(nèi)的金屬導(dǎo)線管線時其上產(chǎn)生的電位降可用公式（1）表述：

式中R 為接閃物體下引線的接地體電阻， L0是它的單位長度電感， I 是它的長度， i 是流過該物體的電流。 由雷電流瞬間值引起的電壓降與雷電流變化所引起的電感壓降可產(chǎn)生0.5 V～1 100 kV/m的過電壓、 0.01～200 kA 的過電流， 對設(shè)備危害很大。 把工作接地線、 保護(hù)接地線、 防雷接地線接至一個總體閉合型接地網(wǎng)， 雷擊時將會在導(dǎo)線、金屬管網(wǎng)、 地線網(wǎng)絡(luò)、 屏蔽范圍內(nèi)的臺站設(shè)施上形成均壓等電位， 容性地網(wǎng)能為雷電流提供低阻抗的連續(xù)通道， 使它迅速疏散入地， 從而達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備和人員安全的目的。

采用多點(diǎn)接地的共用接地方式， 將由此造成公共阻抗耦合效應(yīng)， 會產(chǎn)生干擾或噪音， 各種干擾源感應(yīng)的電流在接地平面流動， 繼而使得各接地點(diǎn)不能處于同一電位， 就會出現(xiàn)干擾源。 因此共用接地必須注意地網(wǎng)施工與地網(wǎng)連接方法， 采用 “一點(diǎn)接地法” 把各系統(tǒng)的接地線接到接地母線同一點(diǎn)或同一金屬平面上， 合理的減短引線長度可以避免高頻電容耦合效應(yīng)的干擾， 使各系統(tǒng)的接地線處于等電位。

對于接地電阻， 參考其他地震臺站的地網(wǎng)改造經(jīng)驗(yàn)（如黔江地震臺）， 接地電阻只要在國家標(biāo)準(zhǔn)要求的4 Ω 范圍內(nèi)， 雷擊損壞儀器設(shè)備就與接地工藝有關(guān),而接地電阻大小無關(guān)， 如沒有保證足夠大的接觸面積， 沒有良好的等電位使得雷擊時瀉流不暢等。 因此接地系統(tǒng)的施工必須按照有關(guān)規(guī)定和要求實(shí)施， 才能得到良好的接地效果。

3.3.1 接地體材料選擇

根據(jù)GB50057 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》， 接地體規(guī)格應(yīng)符合表4 要求。

表4 人工接地體各種材料技術(shù)要求Table 4 The technical requirements of artificial grounding of a variety of materials

埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼， 人工垂直接地體的長度宜為2.5 m，人工水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼。 在腐蝕性較強(qiáng)的土壤中， 采用熱鍍鋅等防腐蝕措施或加大截面， 接地線應(yīng)與水平接地體的截面相同， 垂直和水平接地體間的距離宜為5 m， 接地體（電極）埋在地下時還應(yīng)考慮抗腐蝕的問題。

3.3.2 接地體埋設(shè)的要求

埋設(shè)接地體的地點(diǎn)應(yīng)避開有腐蝕性物質(zhì)的地方， 避免接地體被腐蝕， 盡量選擇潮濕、 土壤電阻率較低的地方， 容易滿足地電阻要求， 節(jié)約金屬。 接地體必須保證結(jié)構(gòu)的可靠性， 所有連接部分都應(yīng)電焊或氣焊焊接， 焊接處不少于10 cm2接觸面。 接地體埋設(shè)深度不小于1 m。 當(dāng)土壤電阻率太高時， 應(yīng)換上電阻率較低的土并捶緊， 周圍不得填入磚石， 焦渣之類的雜物。 當(dāng)土壤電阻率過高時， 如深層較低時可考慮深埋或?qū)⑼寥肋M(jìn)行人工處理， 以保證接地電阻在4 Ω 以下[3]。 接地體應(yīng)盡量埋在人們走不到或很少去的地方， 避免跨步電壓的危害， 同時還要注意使接地體與金屬物體或電纜之間保持一定距離， 如距離不夠， 要用金屬連接成電氣通路， 避免發(fā)生擊穿。

5.3.3 降低接地電阻

在接地電阻較高的地方， 可通過以下方法降低接地電阻： ①深埋接地體； ②用粘土、 黑土進(jìn)行換土； ③使用如稀土長效接地降阻劑的長效降阻劑； ④對接地處的泥土進(jìn)行化學(xué)處理， 根據(jù)垂直或水平挖坑方式的不同， 采取不同的夯實(shí)工藝

3.3.4 接地體的布局

強(qiáng)震觀測房可采用等電位連接、 環(huán)形接地， 或利用基礎(chǔ)接地體、 法拉第籠（網(wǎng)）接地連接方法。 地網(wǎng)的布局應(yīng)根據(jù)臺站建筑形狀、 周邊環(huán)境等實(shí)際情況確定， 而接地母線與地線的連接應(yīng)做到以下要求：

（1）單點(diǎn)接地電位基準(zhǔn)。 地震臺內(nèi)所有設(shè)備的外殼應(yīng)單點(diǎn)接地， 所有進(jìn)線（交流電源線、饋線、電話線）在進(jìn)入地震臺前應(yīng)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。

（2）設(shè)備地線應(yīng)分區(qū)接地。 在接地母線上應(yīng)將易產(chǎn)生浪涌的設(shè)備（如主配電箱、 電源設(shè)備等）地線和易受浪涌干擾的設(shè)備分區(qū)接地， 以更有效地防止浪涌干擾。

接地體布局見圖4， 地線連接可參考如下方法：

（1）220 V 交流電源鎧裝電纜屏蔽層

（2）單相交流電源避雷箱地線

（3）穩(wěn)壓直流輸出配電單元、 UPS 電源避雷地線

（4）太陽能供電設(shè)備避雷地線

（5）現(xiàn)場總線電纜屏蔽層

（6）電話線、 網(wǎng)線避雷器地線

（7）天線、 饋線避雷器地線

（8）通訊傳輸線避雷地線

（9）數(shù)據(jù)采集器、 地震計(jì)等設(shè)備機(jī)殼地

圖4 地線連接布局圖Fig.4 The layout of the ground wire connection

3.4 儀器防雷

即使強(qiáng)震觀測房（觀測室）有良好電磁屏蔽，雷擊時， 室內(nèi)的電磁場仍可能干擾儀器甚至損壞儀器。 應(yīng)在機(jī)房建設(shè)與設(shè)備安裝等環(huán)節(jié)對雷電電磁場的影響采取必要的措施， 不宜將儀器設(shè)備擺放在靠窗、 靠建筑物外墻、 靠建筑物立柱等屬于雷擊電磁場最強(qiáng)的位置， 有些儀器設(shè)備經(jīng)常莫名其妙地被損壞， 部分原因就是由雷擊電磁場引起的。 根據(jù)一般觀測房接地系統(tǒng)的布設(shè)與電磁場的原理， 可知接近建筑中央位置的雷擊電磁場最弱，因此合理選擇觀測系統(tǒng)的位置及機(jī)房內(nèi)設(shè)備的合理布局可有效的減少雷害。 每臺儀器應(yīng)該做到文中提到的要求， 做好供電防雷、 通信防雷和等電位連接、 接地等工作， 減弱或消除雷電的影響。選用SPD 避雷器時， 要充分考慮儀器的參數(shù)特性，不能影響儀器正常工作。 而對于地震監(jiān)測儀器自身的耐壓性能， 目前仍未有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)與界定， 然而參考通信行業(yè)、 電力行業(yè)的耐壓標(biāo)準(zhǔn)，有實(shí)驗(yàn)證明目前主流的數(shù)據(jù)采集儀器、 地震計(jì)等設(shè)備大部分都未達(dá)到較好的耐壓要求。 因此， 在使用監(jiān)測設(shè)備時， 要盡量使用具有較高耐壓等級的設(shè)備， 或設(shè)備接入前增加合適的耐壓器， 減弱高壓對設(shè)備的影響。

3.5 通信防雷

強(qiáng)震臺站通信設(shè)備一般包括天線、 饋線、 電話線、 RS232、 信號線等， 部分臺站甚至使用衛(wèi)星通訊設(shè)備。 地震觀測系統(tǒng)通訊線一般采用特制屏蔽雙絞線， 安裝鋪設(shè)時穿管直埋， 所以雷電在此處的感應(yīng)電壓一般為1～2 kV。 但由于其直接進(jìn)入設(shè)備通訊口的電壓一般為正負(fù)5 V、 12 V、 24 V等， 造成損害很大， 可增加相應(yīng)的通訊避雷器。設(shè)備數(shù)據(jù)交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲，在選用避雷器件時， 應(yīng)以通訊電平和頻率或速率來確定， 以免影響數(shù)據(jù)傳輸。 一般不采用氧化物避雷器， 因?yàn)槠浞植茧娙荽螅?對高頻損耗大， 除非對其進(jìn)行特殊處理。 對于比較高頻的信號， 需要特殊設(shè)計(jì)的防雷器， 以確保其阻抗與該系統(tǒng)對應(yīng)， 否則會有信號反射的現(xiàn)象。 避雷器還應(yīng)在靠近通訊接口處安裝， 減小反射損耗。 臺站的通信防雷包括以下方面：

（1）天線饋線防雷： 天線饋線架設(shè)較高， 易受雷害危及發(fā)射設(shè)備安全， 也危及與天線饋線相連的調(diào)制解調(diào)器、 數(shù)據(jù)采集器、 地震計(jì)等設(shè)備的安全。 為避免感應(yīng)雷害， 可安裝天線避雷器， 合理減少天線饋線的長度， 可靠接好避雷地線。 在能保證通信質(zhì)量的前提下， 天線饋線高度盡量低，安裝位置盡量在室內(nèi)。

（2）電話線路防雷。 地處郊區(qū)、 山區(qū)的地震臺站， 電話線的延長與遭遇感應(yīng)雷的概率成正比，電話線引入的雷電常危害有線調(diào)制解調(diào)器和與其相連的其他設(shè)備， 在入室前幾十米應(yīng)穿上套管埋入地下， 入室后加裝電話線避雷器， 同時要可靠接好避雷地線。 如條件允許， 可使用無線通信方式， 如使用含有CDMA 、 GPRS 通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸終端， 或采用光纖網(wǎng)絡(luò)。

（3）通信傳輸線防雷。 計(jì)算機(jī)與通信設(shè)備相連， 計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集器相連， 通信設(shè)備與數(shù)據(jù)采集器相連， 一般使用RS232 接口， 傳輸線路較長時， 易感應(yīng)雷電及其他干擾信號， 造成兩端設(shè)備發(fā)生故障， 可使用光電隔離器現(xiàn)場總線技術(shù)，以獲得良好的避雷效果。

（4）信號線防雷。 盡量縮短信號線， 使數(shù)據(jù)采集器與傳感器盡量靠近。 如引線較長， 可套用套管屏蔽埋地， 避免懸空受感應(yīng)雷的危害。 根據(jù)傳感器兩線電壓不對稱通信方式， 可采用浮點(diǎn)雙線系統(tǒng)防雷器件， 此器件由氣體放電管、 壓敏電阻和箝位二極管組成， 具有通流量大、 箝位時間極短和保護(hù)電壓數(shù)字較低等特點(diǎn)， 可有效保護(hù)設(shè)備。

（5）衛(wèi)星設(shè)備防雷。個別強(qiáng)震觀測臺站使用衛(wèi)星傳輸， 因此衛(wèi)星傳輸天線也需要進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)， 根據(jù)實(shí)際需要， 可選擇同軸電纜防雷器（DSBNC）， 可以保證網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。

（6）合理走線： 盡量做到電源線、 通信線、傳感器電纜獨(dú)立走線， 相互間隔1m 以上， 做到強(qiáng)弱分開， 進(jìn)出分開， 減少各線路間的影響。

3.6 雷電預(yù)警

雷電監(jiān)測能為雷電防護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在雷電工程技術(shù)領(lǐng)域， 雷電定位系統(tǒng)（LLS）是我國近20年來應(yīng)用最廣泛的雷電監(jiān)測技術(shù)手段， LLS測量的地閃時間和位置、 雷電流幅值和極性等數(shù)據(jù)為防雷工程界提供穩(wěn)定高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 雷電預(yù)警系統(tǒng)也得到了很好應(yīng)用與發(fā)展， 不斷有企業(yè)公司研發(fā)出相關(guān)的產(chǎn)品。 而雷電預(yù)警在地震監(jiān)測系統(tǒng)中仍是較新穎的研究領(lǐng)域， 同時也是一個發(fā)展趨勢。 實(shí)時監(jiān)測雷云對地面的電場強(qiáng)度變化情況， 當(dāng)電場強(qiáng)度超過一定門檻值后發(fā)出報(bào)警信號， 在雷擊發(fā)生之前發(fā)出警告訊號， 提醒或告知相關(guān)工作人員， 及時采取適當(dāng)?shù)拇胧┍芾祝?從而達(dá)到雷電預(yù)警。 目前雷電預(yù)警的應(yīng)用中， 在雷電來臨之前， 切斷監(jiān)測臺站的交流供電雖是無奈但卻是最有效直接的手段， 但隨著科技的發(fā)展， 會有更折衷的處理手段。 在應(yīng)用雷電預(yù)警系統(tǒng)時，應(yīng)結(jié)合臺站自身環(huán)境與條件， 多方面討論與調(diào)查，確定合適的預(yù)警方案， 結(jié)合雷電預(yù)警系統(tǒng)， 將能為臺站的雷電防護(hù)提供更有力的保障。

6 結(jié)語

強(qiáng)震動觀測臺站的防雷系統(tǒng)通過不斷的修正與完善， 在日常運(yùn)行中得到了很好的防雷效果，良好的運(yùn)行率與低故障率證明了該套防雷系統(tǒng)的實(shí)用性與可行性。 然而強(qiáng)震臺站的防雷設(shè)計(jì)是復(fù)雜的， 必須針對臺站雷電環(huán)境設(shè)計(jì)完善的、 可操作性強(qiáng)的方案， 這樣實(shí)施的措施才能有效地保護(hù)儀器設(shè)備。 只有在實(shí)際工作中根據(jù)不斷的出現(xiàn)問題， 不斷地解決問題， 不斷地完善防雷系統(tǒng)， 方能有效解決問題， 為地震監(jiān)測系統(tǒng)保駕護(hù)航。

[1] 馬明， 呂偉濤， 張義軍， 等.中國雷電活動特征分析[J].氣象科技， 2007， 35： 1-6.

[2] 中國地震局． 地震學(xué)與測震技術(shù)[M]． 北京： 地震出版社， 2001.

[3] 王常余． 接地技術(shù)220 問[M]． 上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 2001.