山西數(shù)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(xué)國家野外科學(xué)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(qū)，雷電較多。近年來，隨著地震科技的發(fā)展，數(shù)字化觀測對測震觀測設(shè)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(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，重者使測震觀測設(shè)備遭受不同程度的損壞，甚至使觀測系統(tǒng)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(shè)施已不同程度損壞或失效。限于當時技術(shù)和經(jīng)費制約，一些臺站儀器的綜合防雷工作不夠完善，時常出現(xiàn)因雷電造成儀器設(shè)備損壞事故。多個臺站已經(jīng)發(fā)生多次雷擊損壞測震設(shè)備的事件，造成了不同程度的經(jīng)濟損失，而且嚴重影響臺站儀器的正常工作和資料數(shù)據(jù)產(chǎn)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(shù)簡述

（1）現(xiàn)代防雷技術(shù)要點。

現(xiàn)代防雷技術(shù)強調(diào)全方位防護、綜合治理、層層設(shè)防。臺站的防雷是一種系統(tǒng)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(shù)，構(gòu)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(qū)都會產(chǎn)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(shè)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(fā)生在雷云對地閃擊時，才會對地面造成災(zāi)害，是一次只能擊毀一至兩處小范圍內(nèi)的目標［2］。

（3）感應(yīng)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(shè)備、弱電設(shè)備相連的各種引入線纜遭受直擊雷或感應(yīng)雷電流沿線侵入，感應(yīng)出很高的電壓，進入觀測系統(tǒng)而造成設(shè)備損壞。據(jù)估測，雷電對測震觀測系統(tǒng)的危害，絕大部分是由感應(yīng)雷引起，極少數(shù)是由直擊雷造成的，直擊雷造成的損失僅占百分之幾。感應(yīng)雷災(zāi)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(xiàn)的感應(yīng)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(shè)備不斷地出現(xiàn)，雷電，尤其是閃電感應(yīng)，經(jīng)常影響著這些極端靈敏的電子器件設(shè)備，高精密的電子設(shè)備含大量的半導(dǎo)體集成模塊，由于半導(dǎo)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(shè)備和由此組成的系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)，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(jù)雷擊發(fā)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(fēng)、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(qū)，落雷幾率大。地震臺附近布設(shè)多種導(dǎo)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(dǎo)在放電過程中，土壤中的先導(dǎo)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(chǎn)生的閃電電流沿著架空電線將高電位引入觀測室內(nèi)，是觀測設(shè)備被雷擊的原因。

（5）有的臺站沒有設(shè)置直擊雷防護措施且無接地裝置。

（6）接地系統(tǒng)年久失修，接地體嚴重生銹、老化，接地電阻普遍超標（應(yīng)該＜4Ω），有的超標非常嚴重，達到數(shù)十歐姆。接地極距離測震接地體過近，因雷擊產(chǎn)生不等電位體，感應(yīng)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(tǒng)籌安排，電源接線分布混亂，強、弱電未分離，缺乏系統(tǒng)的綜合防護，容易造成電磁信號感應(yīng)。

（8）配電系統(tǒng)是雷電災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)。供配電系統(tǒng)未接地且未設(shè)置電流保護器防護，未達到目前國家防雷相關(guān)規(guī)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(shè)備和通信設(shè)備的信號防雷欠缺，也是主要的防雷隱患之一，導(dǎo)致不少臺站儀器設(shè)備損壞不能工作。如，臺站GPS信號系統(tǒng)設(shè)備遭雷擊損壞，監(jiān)測設(shè)備不能自動校對時間。

經(jīng)過多年的研究分析，總結(jié)出雷擊對地震臺儀器與信息系統(tǒng)危害的幾種表現(xiàn)形式為：

①損壞設(shè)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(tǒng)設(shè)備。雷擊時，與設(shè)備相連接的各種導(dǎo)體線路上，可能感應(yīng)到的雷擊過電壓（高達幾千伏）遠超過設(shè)備的接口耐壓，儀器設(shè)備也會因此而損壞。

②加速設(shè)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(tǒng)設(shè)備老化。雷擊直接損壞設(shè)備是可見的，但設(shè)備的老化看不見，只是某些性能下降，地震信號數(shù)據(jù)丟失和軟件程序損壞等。

③數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)失真或丟失，嚴重影響地震監(jiān)測。

3 現(xiàn)場檢測情況

為掌握山西測震臺站防雷系統(tǒng)的現(xiàn)狀，從山西測震臺網(wǎng)中選取11個測震觀測臺站，按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057－2010）及相關(guān)規(guī)范要求，山西省雷電防護監(jiān)測中心技術(shù)人員對臺站防雷裝置的情況進行現(xiàn)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(jié)果如表1所示。

表1 山西測震臺站防雷裝置檢測結(jié)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(fā)現(xiàn)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(shè)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(shù)字測震臺站雷擊災(zāi)害及防雷系統(tǒng)建設(shè)建議

4.1 臺站雷擊災(zāi)害情況

表3為山西省數(shù)字測震臺站“十五”儀器架設(shè)之后，遭受雷擊情況的統(tǒng)計表。雖然在臺站建設(shè)時是按照上述的區(qū)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(shù)進行設(shè)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(shù)據(jù)采集器、GPS天線、智能電源、通信設(shè)備等。

4.2 臺站防雷系統(tǒng)建設(shè)建議

一個完整的防雷系統(tǒng)應(yīng)該包括直接雷擊的防護（外部防雷）和感應(yīng)雷擊的防護（內(nèi)部防雷）兩個方面，缺一不可，否則會有潛在危險?，F(xiàn)代綜合防雷體系的構(gòu)成如第39頁圖1所示。

4.2.1 測震觀測臺站內(nèi)部防雷措施

一般來說，直擊雷擊中地震觀測臺站儀器設(shè)備的可能性很小。地震觀測站內(nèi)部儀器設(shè)備出現(xiàn)故障的情況大多數(shù)是由于閃電感應(yīng)的影響，內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是保護建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備。如，觀測設(shè)備加裝過壓保護裝置，在設(shè)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(shè)備免受損壞。

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

圖1 現(xiàn)代綜合防雷體系構(gòu)成Fig.1 Structure of modern integrated system for protection from lightning

（1）電源防雷系統(tǒng)。

電源部分的防雷及過電壓保護是整個防護系統(tǒng)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(dǎo)體產(chǎn)生過電壓，絕大多數(shù)的雷害都是因為這類二次感應(yīng)而造成。電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對觀測設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)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(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備，以及防止線纜遭受二次感應(yīng)，應(yīng)采取分級保護、逐級泄流的原則。對測震觀測臺站供電系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)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(wěn)壓，安裝交流參數(shù)電源穩(wěn)壓器，其環(huán)境適應(yīng)能力及穩(wěn)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(tǒng)。

由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時沖擊能量，因此，要求通信設(shè)備（光端機、協(xié)轉(zhuǎn)、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(shè)備由于電子元器件的高度集成化而導(dǎo)致耐過壓、耐過流水平下降，通信設(shè)備在雷電波沖擊下遭受過電壓而損壞的現(xiàn)象越來越多，其后果可能造成整個通信系統(tǒng)的運行中斷，因此，必須在網(wǎng)絡(luò)通信口處加裝必要的防雷保護裝置，以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運行。原則上，應(yīng)盡量縮短這些引線，使數(shù)據(jù)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(zhì)量的前提下，天線盡量低，饋線應(yīng)越短越好，以減少感應(yīng)雷害［1］。

（3）防雷等電位連接。

對進入室內(nèi)的通訊和電纜金屬（屏蔽）護套等進行等電位連接，以減少設(shè)備與設(shè)備之間的因雷電產(chǎn)生的電位差。將數(shù)據(jù)采集器、傳感器和其他設(shè)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(nèi)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(xiàn)較大的暫態(tài)電位差。

（4）屏蔽措施。

為降低感應(yīng)雷可能對擺房設(shè)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(nèi)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(zāi)害可能帶來的損失，可在臺站安裝架設(shè)L－21型雷電預(yù)警設(shè)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(shù)的主要組成部分，其技術(shù)措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)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(shè)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(shè)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(fā)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(tǒng)、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(shè)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(shè)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(zhì)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(shè)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(dǎo)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(cè)墻、吊頂內(nèi)幾乎被各種線布滿。這些電子設(shè)備及布線系統(tǒng)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(shè)備受到不同程度的損壞或嚴重干擾。因此，對臺站的防雷應(yīng)按一級防雷建筑物的保護措施設(shè)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(tǒng)連接，外墻面所有金屬構(gòu)件也應(yīng)與防雷系統(tǒng)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(nèi)設(shè)備，而且還能防止外來的電磁干擾。接地是個比較復(fù)雜的問題，是避雷技術(shù)中最重要的環(huán)節(jié)，直擊雷、感應(yīng)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(chǎn)生的擊穿問題，但必須注意地網(wǎng)要做好而且還要注意連接的方法。共用接地的主體應(yīng)為：臺站的主要金屬構(gòu)件和進入建筑物的金屬管道；供電線路含外露可導(dǎo)電部分；防雷裝置；由電子設(shè)備構(gòu)成的信息系統(tǒng)。機房內(nèi)設(shè)備（含電源避雷器、信號避雷器）宜選用單點接地方式實現(xiàn)等電位連接。如果采用“一點接地法”，把各系統(tǒng)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(tǒng)的接地線處于等電位而消除了干擾；機房內(nèi)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(yīng)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(huán)形接地，利用基礎(chǔ)接地體、法拉第籠（網(wǎng)）等接地連接方法。

接地的一個關(guān)鍵問題是接地系統(tǒng)的施工，必須按照有關(guān)規(guī)定和要求實施，才能得到預(yù)期的效果。接地系統(tǒng)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(tǒng)還要定期進行維護和修理。

（6）接地電阻。

衡量一個接地體質(zhì)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(jīng)濟性及合理性，所以，對不同的防雷對象，規(guī)定不同的接地電阻值。避雷針（避雷帶、避雷網(wǎng)）的接地電阻應(yīng)小于10Ω，避雷器的接地電阻應(yīng)小于4Ω。如果臺站處于高電阻率區(qū)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(wǎng)狀；

② 增加埋設(shè)深度；

③ 換土法。即，把接地體周圍區(qū)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(xué)處理。第一種是用鹽類物質(zhì)（或木炭、爐灰、石灰等），被土壤吸收后產(chǎn)生很多導(dǎo)電離子，但易流失；第二種是用化學(xué)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(tǒng)運行維護

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

（1）每年雷雨季節(jié)前，應(yīng)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(jié)中，要加強外部巡視，發(fā)現(xiàn)防雷模塊顯示窗口出現(xiàn)紅色及時處理。

（2）每年雷雨季節(jié)前，應(yīng)對接地系統(tǒng)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(yīng)挖開地面，抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時處理。

（3）每次打雷后，都應(yīng)檢查避雷元器件有無損壞、發(fā)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(wǎng)的接地電阻應(yīng)每年進行一次測量。測量接地電阻，做好記錄，并與上次結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)、避雷接地系統(tǒng)、天線、信號線、信號配接箱、外設(shè)等，打雷、刮大風(fēng)、下大雨等異常天氣后，要認真檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

（5）提高防雷意識，采取有效的技術(shù)和產(chǎn)品，加強防雷措施。

（6）發(fā)現(xiàn)雷擊故障及時跟蹤分析，查找原因，確定解決辦法。

6 結(jié)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(yīng)雷擊的基礎(chǔ)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(huán)境的相對防雷，而非適用于任何雷電環(huán)境。測震觀測臺站在建設(shè)過程中，應(yīng)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(yīng)該做好周期性和日常性維護，每年在雷雨季節(jié)到來之前，需對各項防雷設(shè)施進行全面檢測，對于不符合設(shè)計要求的，應(yīng)及時更換并采取相應(yīng)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(xù)地產(chǎn)出。

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