昆明地震臺前兆儀器雷害故障分析與檢修

馮瓊松，楊仁華，鄧存化，李 雷，黃 瑤

（云南省地震局，云南 昆明 650204）

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昆明地震臺前兆儀器雷害故障分析與檢修

馮瓊松，楊仁華，鄧存化，李 雷，黃 瑤

（云南省地震局，云南 昆明 650204）

摘要：雷害已成為影響臺站長期穩(wěn)定運行的重要因素之一。通過對昆明地震臺前兆觀測儀器連續(xù)幾年多次雷電故障現(xiàn)象特征、診斷修復(fù)過程、故障原因等的分析，提出了雷害故障檢修的一般步驟方法。

關(guān)鍵詞：昆明地震臺；前兆雷害；故障分析

0 引言

自然災(zāi)害中，雷電引起的危害算得上最為嚴(yán)重的一種，除它本身具有巨大的破壞性外，還因為雷電發(fā)生頻率高，且年年重復(fù)發(fā)生［1］。地震臺站觀測總是不同程度地受到雷擊影響，造成觀測中斷和儀器設(shè)備損壞，因此雷擊已成為影響臺站長期穩(wěn)定運行的重要因素之一。昆明地震臺前兆觀測儀器連續(xù)幾年數(shù)次因遭雷擊而損壞，給臺站工作和資料質(zhì)量造成巨大損失。自2007年7月安裝運行以來，曾先后多次遭遇雷電損壞，從而引發(fā)一些儀器的故障問題，不僅使觀測資料大量中斷失記，更慘重時被迫停測，影響資料精度和連續(xù)可靠性，而且給資料處理和地震分析預(yù)報帶來不便。為了能準(zhǔn)確找到雷害故障點，深入分析故障原因，確保儀器能夠正常工作，取得連續(xù)、穩(wěn)定、及時、可靠的觀測資料。筆者經(jīng)過近幾年對雷擊故障的分析檢修，積累了一些初步認(rèn)識和經(jīng)驗，在此予以臺站同仁們參考。

1 雷害故障調(diào)查及原因

雷電是一種自然現(xiàn)象，它會對供電線路、儀器設(shè)備等造成損壞，嚴(yán)重的可導(dǎo)致整個供電系統(tǒng)的癱瘓［2］。云南屬于多雷地區(qū)，全年將近120天是雷雨天氣。昆明地震臺所處地理位置在雷電頻發(fā)的山腳，前有水塘，后有茂密的山林。多年以來只安裝了臺站樓房接地網(wǎng)，接地電阻是4歐，所有前兆電源及信號線都是通過接入地后到地面前兆觀測室，十幾年一直未安裝其它防雷器，防雷設(shè)備只有一級防護(hù)。從經(jīng)濟(jì)角度和防雷意識來看，都沒有與時俱進(jìn)，反而落后于全國先進(jìn)的市縣。致使臺站人員一到雷雨季節(jié)，就提心吊膽，生怕資料缺失，影響了儀器的運行率。多年的雷擊故障及簡要分析如表1。

表中看出，雷電活動是隨機(jī)的，且電強(qiáng)度大，幾起故障，均發(fā)生在雷雨天氣。而數(shù)字化儀器恰好是對雷電非常敏感的微電子設(shè)備，雷擊時產(chǎn)生的電磁感應(yīng)直接作用于儀器設(shè)備的線路板，造成損壞，所以雷電威脅著地震臺站觀測系統(tǒng)的運行安全。為了降低雷電帶來的損失，臺站應(yīng)該根據(jù)實地的情況安裝防雷設(shè)備，比如在雷電經(jīng)過導(dǎo)電體與儀器設(shè)備之間加裝防雷設(shè)備，或者從配電系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)線路防雷和合理接地等方面考慮。

表1　雷擊故障及簡要分析

2 雷電的危害

2.1 雷電的特征

通常所說的雷電，是大氣在氣流作用下，一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層，或者是帶電云層對地之間迅猛地放電，這種迅猛放電過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電并伴隨巨大的響聲稱為雷電。而雷電對地震臺站的危害是雷電的過電壓、過電流入侵觀測技術(shù)系統(tǒng)，造成電器設(shè)備和元器件的損壞，其形式有兩種：直擊雷和感應(yīng)雷。雷電對地震觀測技術(shù)系統(tǒng)的危害，絕大部分是由感應(yīng)雷引起的，極少數(shù)是由直擊雷造成的。由于地震觀測系統(tǒng)大量采用弱電系統(tǒng)—大規(guī)模集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對瞬間過電壓承受能力大幅度減弱，所以極易造成雷害故障［3-4］。

2.2 雷害故障現(xiàn)象特征

昆明地震臺前兆從“十五”項目改造后全部采用數(shù)字化觀測。臺站現(xiàn)有前兆觀測儀器，地殼形變：原西德進(jìn)口的GS-15（230）型重力儀、DSQ型水管傾斜儀和SS-Y型洞體應(yīng)變儀；地下流體：SZW-1A水溫儀、SD-3A測氡儀、LN-3A水位儀；輔助觀測：WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀。形變儀主機(jī)架設(shè)在深達(dá)41～47m（幾個通道）的山洞內(nèi)，經(jīng)70～85m長的電源線和信號線通過接入地后把數(shù)據(jù)連接到數(shù)據(jù)采集器。地下流體觀測井位于臺站前方200米左右一斷裂交匯處靜水井中，井深279.0m，探頭投放于主井中，固定在井蓋（法蘭盤）電纜通道上，主機(jī)安裝于地面觀測室工作臺，經(jīng)200m長的電源線和信號線通過接入地后把數(shù)據(jù)連接到數(shù)據(jù)采集器。前兆所有數(shù)字采集器在地面前兆觀測室，采用中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)管理軟件通過服務(wù)器收取數(shù)據(jù)，使用“十五”前兆分析處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在前兆儀器觀測室電源電壓、時鐘、串口通訊、數(shù)采信號等正常的情況下，雷電常會造成儀器內(nèi)部電路元件損壞，故障現(xiàn)象特征如下：數(shù)采狀態(tài)指示綠燈不閃爍，復(fù)位數(shù)采或重新開關(guān)數(shù)采電源，數(shù)采仍不能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，說明數(shù)采內(nèi)部已損壞；數(shù)采狀態(tài)指示綠燈閃爍，但收取各通道當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)各道采集數(shù)據(jù)混亂或為空，說明采集數(shù)據(jù)為非法數(shù)據(jù)，數(shù)采內(nèi)部已損壞。

3 雷害故障診斷與修復(fù)

電源是儀器正常運行的根本保障，供電電源到觀測儀器任一部位出現(xiàn)故障都會引起觀測系統(tǒng)不正常。昆明地震臺雷害故障主要是雷擊使電源保險絲熔斷或雷擊跳閘引起停電至數(shù)據(jù)中斷失記，所以考慮感應(yīng)雷擊由電源線路引入至破壞數(shù)采設(shè)備其芯片和接口，遭雷害的實例不計其數(shù)。

2008年7月19日晚上21時26分左右開始出現(xiàn)雷暴雨，在這次雷暴中，該臺前兆所有觀測手段數(shù)采狀態(tài)指示綠燈閃爍。但通過公用數(shù)采各道收集觀測數(shù)據(jù)時，重力數(shù)據(jù)采集器無法工作，復(fù)位數(shù)據(jù)采集器和重新開關(guān)電源，數(shù)據(jù)采集器仍無法正常工作。由于“十五”數(shù)據(jù)第一次遭雷擊，工作人員經(jīng)驗不足，緊張中慌了手腳，無從下手檢修。電話上報前兆臺網(wǎng)，維修人員指導(dǎo)可能是數(shù)采字節(jié)亂碼，要求校對時間、臺號、分量表，反復(fù)幾次，數(shù)據(jù)采集器仍無法正常工作；于是重新更換通道口，再校對時間、臺號、分量表，故障排除，重力數(shù)據(jù)采集器工作恢復(fù)正常。此次雷暴雨經(jīng)及時搶修，仍造成重力數(shù)據(jù)缺失59分鐘，其余前兆觀測儀器正常。

2011年10月28日凌晨01時00分左右出現(xiàn)強(qiáng)雷暴雨，在這次強(qiáng)雷暴中，該臺前兆所有觀測手段數(shù)采狀態(tài)指示綠燈不閃爍。檢查發(fā)現(xiàn)電源保險絲被電流燒黑熔斷引起電源線斷路，重新更換保險絲后，電源恢復(fù)正常。但前兆所有數(shù)據(jù)無法下載、地址網(wǎng)頁ping不通。復(fù)位數(shù)據(jù)采集器和重新開關(guān)電源，通過公用數(shù)采各道收集觀測數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)除了重力數(shù)據(jù)采集器仍無法工作外，其余前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和管理系統(tǒng)工作恢復(fù)正常。根據(jù)上次雷擊的經(jīng)驗，重新更換重力儀通道口，校對時間、臺號、分量表，但重力數(shù)據(jù)采集器仍無法工作；考慮重力數(shù)采內(nèi)部元件已損壞，打開數(shù)據(jù)采集器，用萬用表測試，其內(nèi)部已短路損壞，重?fù)Q采集芯片，重力數(shù)據(jù)采集器工作恢復(fù)正常。此次雷暴雨造成重力數(shù)據(jù)缺失58小時，其余前兆數(shù)據(jù)缺失5小時，損失嚴(yán)重。

2013年7月27日傍晚20時27分左右出現(xiàn)雷暴雨，該臺前兆所有觀測手段數(shù)采狀態(tài)指示綠燈不閃爍。檢查發(fā)現(xiàn)電源保險絲被電流燒黑熔斷引起電源線斷路，重新更換保險絲后，電源恢復(fù)正常。通過公用數(shù)采各道收集觀測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)重力儀數(shù)據(jù)曲線畸變、水管儀數(shù)據(jù)全部為空。復(fù)位數(shù)據(jù)采集器和重新開關(guān)電源，水管儀數(shù)據(jù)采集工作恢復(fù)正常；我們采用以前積累的經(jīng)驗和方法進(jìn)行重力儀數(shù)據(jù)采集器檢修，發(fā)現(xiàn)重力數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部短路，更換采集芯片，重力數(shù)據(jù)采集器工作恢復(fù)正常。此次雷暴雨造成重力數(shù)據(jù)斷記28小時，水管儀數(shù)據(jù)斷記30分鐘。

2013年8月15日下午17時30分左右前兆觀測室再次遭遇雷擊，此次雷暴中，該臺前兆所有觀測手段數(shù)采狀態(tài)指示綠燈閃爍。但通過公用數(shù)采各道收集觀測數(shù)據(jù)時，重力數(shù)據(jù)采集器無法工作，采用以前檢修的方法，反復(fù)重新更換通道口，校對時間、臺號、分量表，重力數(shù)據(jù)采集器工作恢復(fù)正常。此次雷暴雨造成重力數(shù)據(jù)缺失2小時20分鐘，其余前兆觀測儀器正常。

2014年6月16日下午15時54分左右開始出現(xiàn)強(qiáng)雷暴雨，在電閃雷鳴中，該臺多次出現(xiàn)市電供電瞬間跳閘中斷現(xiàn)象。在這次強(qiáng)雷暴中，該臺前兆所有觀測手段數(shù)采狀態(tài)指示綠燈不閃爍。電源保險絲兩次被電流燒黑熔斷引起電源線斷路，重新更換保險絲后，電源恢復(fù)正常。通過公用數(shù)采各道收集觀測數(shù)據(jù)時，前兆所有數(shù)據(jù)無法下載，復(fù)位數(shù)據(jù)采集器和重新開關(guān)電源，各道數(shù)據(jù)采集器仍無法工作。采用以前積累的檢修步驟和方法進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)卡和交換機(jī)網(wǎng)口被擊壞，重新更換擊壞元件；除了重力儀、水管儀和水位儀數(shù)據(jù)采集器仍無法排除故障外，其余數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)工作恢復(fù)正常。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)重力儀和水管儀數(shù)據(jù)采集芯片壞，重新更換采集芯片，故障排除，重力儀和水管儀數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)工作恢復(fù)正常；水位儀數(shù)據(jù)16點后從27.4m突跳到32.2m，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)是水位探頭壞，由于沒有備用探頭，只能被迫停記修理。此次極強(qiáng)雷暴雨，造成重力數(shù)據(jù)中斷失記48小時，水管儀數(shù)據(jù)中斷失記5小時，水位儀器停記半年，資料損失慘重。

4 幾點認(rèn)識

分析了雷電的形成、雷擊的種類、雷電對地震臺站數(shù)字化儀器的危害及故障的分析處理，我們認(rèn)識到幾點：

（1）雷電活動是一種復(fù)雜的大自然現(xiàn)象，隨機(jī)性很強(qiáng)，對雷擊的防避可以說是防不勝防；雷擊對觀測儀器的危害最大，雷害的大小與雷擊強(qiáng)度關(guān)系密切，且受地形影響較大［5］。

（2）數(shù)據(jù)采集器遭遇雷擊后，要準(zhǔn)確的找到故障點并迅速修復(fù)不是一件輕而易舉的事，是一個復(fù)雜的分析過程，因此，要冷靜處理，善于分析故障現(xiàn)象特征和故障點可能出現(xiàn)的地方。一般可由外圍至內(nèi)部，首先檢查數(shù)采電源、數(shù)采時鐘、串口通信、計算機(jī)網(wǎng)卡、交換機(jī)網(wǎng)口和前兆儀器傳感器輸出信號是否正常，地址網(wǎng)頁能否ping通；如果均正常，再檢查數(shù)采內(nèi)部，收取各道觀測數(shù)據(jù)；如果只是某道數(shù)據(jù)不對，先更換通道，校核時鐘、臺號、分量表，再檢查通道外接傳感器信號連線是否可靠，通道繼電器及通道繼電器控制電路是否正常；如果各道數(shù)據(jù)均不正常，說明數(shù)采內(nèi)部元件已遭雷擊損壞，應(yīng)檢查更換相應(yīng)芯片。

（3）近幾年昆明地震臺前兆觀測儀器遭到的雷害會造成數(shù)據(jù)采集單元損壞，導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)無法下載；引起數(shù)據(jù)曲線畸變，嚴(yán)重時造成幾個小時甚至幾天的數(shù)據(jù)中斷失記，造成觀測資料缺記率達(dá)9%～20%。所以在日常工作中要經(jīng)常對數(shù)采進(jìn)行檢查，包括時鐘、臺號、分量表、各通道信號、狀態(tài)指示綠燈等，如遇雷電天氣更應(yīng)及時檢查，確保數(shù)據(jù)采集器始終處于良好工作狀態(tài)。在平時對數(shù)據(jù)采集器易損害部分元件建立備件，最好有備用數(shù)據(jù)采集器，以便在遭遇雷擊時，及時換上備用器件，減少資料斷記損失。

（4）通過對昆明地震臺前兆數(shù)采雷害故障的分析處理，我們認(rèn)識到，不僅在日常工作中，要經(jīng)常對觀測過程中出現(xiàn)的故障認(rèn)真分析、查找原因、積累經(jīng)驗，還要采取針對性的防雷措施，強(qiáng)化防雷意識［6］。這樣就可減少雷害故障，控制雷電對地震臺站監(jiān)測系統(tǒng)帶來的損失，保證觀測儀器的正常運行和資料的連續(xù)準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)：

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ANALYSIS OF LIGHTNING DISTURBANCE IN PRECURSOR OBSERVATION OF KUNMING SEISMIC STATION

FENG Qiong-song，YANG Ren-hua，DENG Cun-hua，LI Lei，HUANG Yao
（Earthquake Administration of Yunnan Province， Yunnan Kunming 650204，China）

Abstract：Lightning disturbance is one of the key factors that affected the seismic station working normally. Based on analysis of precursor observation data related lightning disturbance in recent years of kunming seismic station and repaired the instrument， this paper presents one system check method of instrument of lightning disturbance.

Key words：Kunming Seismic Station； precursor observation； lightning disturbance； disturbance analysis

中圖分類號：P315.62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.014

文章編號：1674-8565（2016）02-0083-04

收稿日期：2016-01-08

修訂日期：2016-03-25

基金項目：地震行業(yè)科研專項資助（201208018）

作者簡介：馮瓊松（1976-），女，云南省昆明市人，畢業(yè)于云南大學(xué)，本科，工程師，現(xiàn)主要研究前兆形變觀測技術(shù)方面的工作。E-mail：779773296@qq.com