黑龍江省地震臺(tái)站防雷分析及改造

邱鳳萍，劉彥斌，胡寶慧， 張 浩， 孟祥龍

（1 依蘭地震臺(tái)，黑龍江 依蘭154800；2加格達(dá)奇地震臺(tái)，黑龍江 加格達(dá)奇 165100；3鶴崗地震臺(tái)，黑龍江 鶴崗154101）

黑龍江省地震臺(tái)站防雷分析及改造

邱鳳萍1，劉彥斌2，胡寶慧3， 張 浩3， 孟祥龍1

（1 依蘭地震臺(tái)，黑龍江 依蘭154800；2加格達(dá)奇地震臺(tái)，黑龍江 加格達(dá)奇 165100；3鶴崗地震臺(tái)，黑龍江 鶴崗154101）

黑龍江省地震臺(tái)站自“十五”項(xiàng)目改造，觀測(cè)環(huán)境和數(shù)據(jù)質(zhì)量都有所提高，但近年來(lái)頻繁受到雷電災(zāi)害影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。為保證儀器正常工作，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，我省采取多項(xiàng)措施對(duì)臺(tái)站外部避雷和內(nèi)部避雷進(jìn)行了整體改造，并在鶴崗、綏化、牡丹江等臺(tái)站新增雷電預(yù)警系統(tǒng)以配合防雷改造的有效實(shí)施，確保監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

雷擊分析；防雷改造；雷電預(yù)警

0 引言

黑龍江地處溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū)，夏半年太陽(yáng)輻射強(qiáng)與頻繁南下的冷空氣配合，對(duì)流天氣活動(dòng)旺盛，強(qiáng)雷電事件頻有發(fā)生。而地震臺(tái)站又多建于山區(qū)和江河湖泊附近，山地迎風(fēng)坡的抬升作用、迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡氣流影響作用使得極易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，近些年我省一些地區(qū)雷電密度＞2次/km2處于較高水平，閃電總數(shù)達(dá)到每年30多萬(wàn)次［1-4］。又因?yàn)槔讚舭l(fā)生發(fā)展過(guò)程的隨機(jī)性較大，位置影響因子、避雷設(shè)備老化、土壤電阻率等影響因子也較多，使臺(tái)站成為雷電災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。

1 問(wèn)題分析

1.1 雷電流侵入

從雷電的頻譜分析，雷電的頻率為0-40MHz，能量最大點(diǎn)集中在25Hz、50Hz、 75Hz附近。我省鶴崗、依蘭、德都和加格達(dá)奇等有人值守臺(tái)站供電變壓器均離臺(tái)較遠(yuǎn)，傳輸線路＞100m，牡丹江等臺(tái)站引入電源線路架空＞30m，使得雷電極易與工頻50Hz回路耦合，通過(guò)電源線路進(jìn)入儀器設(shè)備，造成儀器設(shè)備損壞。

1.2 斷路器跳閘

臺(tái)站電源電涌保護(hù)器（SPD）前端串聯(lián)斷路器全部為開路失效模式，即當(dāng)過(guò)電流超過(guò)自身削荷陡度和高度極限，避雷器短時(shí)間無(wú)法將雷電流全部泄放入地時(shí)，串聯(lián)在電源避雷器前端的保護(hù)設(shè)備會(huì)判斷為過(guò)流或短路故障，從而頻繁發(fā)生動(dòng)作［4］。

另外，臺(tái)站現(xiàn)有三相四線制配電系統(tǒng)高壓側(cè)斷線或接地易造成三相負(fù)荷不平衡、負(fù)載中性點(diǎn)偏移產(chǎn)生低壓側(cè)跳閘。大風(fēng)、導(dǎo)線覆冰等自然原因、帶負(fù)荷拉閘等人為原因、小動(dòng)物進(jìn)入帶電設(shè)備也能產(chǎn)生跳閘。

1.3 火花放電

雷電放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及高壓脈沖現(xiàn)象，使儀器部件產(chǎn)生火花放電。我省鶴崗、賓縣和牡丹江臺(tái)站在遭雷擊的儀器中曾經(jīng)多次出現(xiàn)過(guò)此情況，認(rèn)為感應(yīng)雷產(chǎn)生的電磁場(chǎng)引起此儀器損壞的可能性較大。同時(shí)，儀器接地線、電源的虛連、接觸不良也是故障點(diǎn)處產(chǎn)生火花的原因。

1.4 山洞潮濕

由于觀測(cè)山洞常年潮濕，與外界電阻率變化明顯。當(dāng)遇雷雨天氣，強(qiáng)雷電將山體土壤和巖石擊穿，雷電流直接入侵到潮濕電纜外皮將高電壓入侵線路，導(dǎo)致儀器的損壞，同時(shí)在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過(guò)電壓，擊壞其他低壓電子設(shè)備。經(jīng)臺(tái)站人員分析：形變儀器前置盒、溫度傳感器及標(biāo)定電源可能由此原因?qū)е聯(lián)p壞，雷電流沿電纜傳導(dǎo)還擊壞山洞外的其他設(shè)備。

1.5 其他原因

（1）防雷設(shè)備的老化，地網(wǎng)嚴(yán)重腐蝕，規(guī)劃不合理導(dǎo)致雷電的頻繁侵襲。

（2）原有防雷設(shè)備啟動(dòng)電壓過(guò)高，未考慮到地震儀器設(shè)備耐過(guò)壓能力低的特點(diǎn)，頻繁損壞。

（3）雷電以微秒計(jì)算，臺(tái)站漏電保護(hù)器以毫秒計(jì)算，在跳閘前，雷電壓可能已經(jīng)進(jìn)入漏電保護(hù)器后線路，導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞。

（4）臺(tái)站光纖內(nèi)部鋼線未接地，沒(méi)有網(wǎng)線避雷器。

1.6 小結(jié)

經(jīng)分析：我省地震臺(tái)站雷擊問(wèn)題由較多因素共同形成，不能僅依靠幾種防雷設(shè)備和防雷措施完全消除雷擊過(guò)電壓和感應(yīng)過(guò)電壓的影響。需從現(xiàn)有防雷裝置入手，對(duì)沿屋脊、屋檐的防雷帶進(jìn)行全面檢修；對(duì)接地體延伸、防腐處理和降阻處理等。對(duì)已損壞的防雷網(wǎng)、接地、屏蔽更換，重新布設(shè)并加裝多級(jí)防雷裝置。針對(duì)雷害入侵途徑，分別從外部防雷和內(nèi)部防雷入手，采用綜合防治——接閃、均壓、屏蔽、接地措施，將雷害減少到最低限度，為雷電流提供一條對(duì)地泄放的合理的阻抗路徑，控制雷電能量的泄放與轉(zhuǎn)換。

2 防雷改造方案

雷電可對(duì)地震臺(tái)站監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生直擊雷和感應(yīng)雷過(guò)電流和過(guò)電壓，對(duì)電子設(shè)備的正常工作造成極大威脅。需從防直接雷和感應(yīng)雷的角度對(duì)配電系統(tǒng)、地電阻率測(cè)量、等電位處理以及避雷預(yù)警系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)及測(cè)量，進(jìn)一步提高防雷可靠性。

2.1 低壓配電系統(tǒng)改造

配電系統(tǒng)是室外到室內(nèi)防雷的關(guān)鍵部位，承擔(dān)著從LPZ0區(qū)到LPZ1區(qū)電源保護(hù)和等電位連接的作用。針對(duì)我省地震臺(tái)站多為10kV農(nóng)村低壓電網(wǎng)TT接地系統(tǒng)存在斷路器不易動(dòng)作、安全性較差的特點(diǎn)，實(shí)施過(guò)程中對(duì)臺(tái)站采用漏電保護(hù)器作接地故障保護(hù)，并在L和N線上共設(shè)置4個(gè)SPD（浪涌保護(hù)器）安裝在RCD（剩余電流互感器）的負(fù)荷側(cè)，以防止故障電流在RA帶故障電壓引起間接觸電危險(xiǎn)［5］。

圖1 TT系統(tǒng)配電線路圖Fig.1 Distribution circuit diagram of TT system

2.2 UPS供配電系統(tǒng)改造

此次防雷改造臺(tái)站普遍采用UPS雙機(jī)并聯(lián)冗余供電方式，任意主機(jī)都具有承擔(dān)100%負(fù)載的能力，使負(fù)載設(shè)備能夠不間斷連續(xù)進(jìn)行。并機(jī)運(yùn)行的每臺(tái)UPS輸出濾形，電壓一致，無(wú)環(huán)流。同時(shí)，針對(duì)不同臺(tái)站也考慮了UPS負(fù)載問(wèn)題，在不過(guò)度規(guī)劃的基礎(chǔ)上，使UPS電源負(fù)載控制在額定有功功率的25～80%，防止因負(fù)載過(guò)輕造成UPS系統(tǒng)運(yùn)行效率低下、電池長(zhǎng)期小電流放電形成“深度放電”和負(fù)載太重對(duì)電源本身使用壽命、可靠性的影響。

圖2 臺(tái)站UPS供電結(jié)構(gòu)圖Fig.2 UPS power supply structure diagram

2.3 電源和SPD選擇

IEC標(biāo)準(zhǔn)曲線表明70-90%雷電能量通過(guò)一級(jí)防雷電路進(jìn)行泄放。因此，電源SPD一級(jí)防雷按照8/20us波形100ka進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇并聯(lián)防雷器。二級(jí)防雷的設(shè)計(jì)按照8/20us波形40ka進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用開關(guān)型+限壓型組合防雷器；信號(hào)防雷選擇專用限壓型SPD。

在二三級(jí)防雷保護(hù)中電源SPD安裝在電磁環(huán)境有顯著改變的界面上，同時(shí)處理SPD系統(tǒng)屏蔽、等電位連接；信號(hào)SPD安裝在監(jiān)測(cè)儀器信號(hào)輸入端口，防止只裝電源SPD出現(xiàn)地電位反擊的現(xiàn)象。為了確保SPD之間的良好配合，進(jìn)行如下分析：

（1）計(jì)算電涌電流在0和Imax1之間取任意值時(shí)，通過(guò)SPD耗散的能量小于或等于其最大能量耐受值（Emax2）。

（2）加裝斷路器，保證切斷短路故障時(shí)不影響回路供電。并防止通過(guò)電涌保護(hù)器的電涌大于Imax，電涌保護(hù)器被擊穿而造成回路的短路故障。

（3）考慮斷路器熱保護(hù)系統(tǒng)在電涌保護(hù)器達(dá)到最大可承受熱量前動(dòng)作斷開電涌保護(hù)器，防止因雷擊引起電涌保護(hù)器的老化。

（4）加裝地震儀器專用SPD，提供信號(hào)防雷，防雷器接口、性能等與儀器對(duì)應(yīng)，測(cè)試專用SPD的插入損耗，不干擾監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸。

2.4 地電阻率的測(cè)定

接地是防雷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。良好的散流條件是防雷可靠性和雷電安全性對(duì)接地裝置的基本要求。接地電阻越小，散流就越快，被雷擊物體高電位保持時(shí)間就越短，危險(xiǎn)性就越小。

與工作接地和安全接地中涉及工頻電阻不同，防雷接地中更重視沖擊電阻，沖擊電阻不僅幅值較大而且等效頻率也較高。我省臺(tái)站在埋設(shè)接地體時(shí)充分考慮到散流的幾何邊界條件和自身的形狀和尺寸。工頻電阻測(cè)試采用30°夾角法移動(dòng)電位探測(cè)針，使臺(tái)站被測(cè)地網(wǎng)距電流極A和電壓極V為2D和3D重復(fù)3次測(cè)量，實(shí)際測(cè)量結(jié)果均小于1Ω，達(dá)到＜4Ω的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 接地電阻測(cè)試圖Fig.3 Grounding resistance test chart

需要注意的是：

（1）大地電阻率一般＞100Ω·M，所以工頻電流的接地電阻R的計(jì)算可近似用直流的接地電阻來(lái)計(jì)算。

（2）由于接地體的電感作用，沖擊電壓幅值出現(xiàn)在電流幅值之前，所以計(jì)算出來(lái)的電壓幅值雖然比實(shí)際出現(xiàn)的電壓幅值要大，但更安全。

2.5 等電位連接設(shè)計(jì)和地電位反擊處理

徹底消除雷電引起的帶有毀壞性的電位差，是設(shè)備防雷的重要技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)措施就是等電位連接。由于機(jī)房設(shè)備之間一些線路和電纜無(wú)屏蔽，因此，我省臺(tái)站統(tǒng)一選用Ss型等電位連接，所有設(shè)施管線和電纜從唯一的ERP（接地基準(zhǔn)點(diǎn)）處進(jìn)入防雷地網(wǎng)，等電位聯(lián)結(jié)干線形成環(huán)形網(wǎng)路，環(huán)形網(wǎng)路就近與等電位聯(lián)結(jié)干線或局部等電位箱連接。

當(dāng)臺(tái)站建筑物遭受雷擊時(shí)，雷電流將在臺(tái)站內(nèi)部空間產(chǎn)生暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)，通過(guò)阻性耦合、感性耦合和容性耦合感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流引入儀器設(shè)備。所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)會(huì)對(duì)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備造成嚴(yán)重的磁感應(yīng)危害，因此我省對(duì)進(jìn)入機(jī)房和山洞內(nèi)部的電纜全部選用鎧裝電纜或用鐵盒進(jìn)行屏蔽，排除和抵消受外界干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)。

2.6 機(jī)房及信息系統(tǒng)保護(hù)

機(jī)房?jī)?nèi)采用均壓環(huán)接地，將均壓環(huán)干線連到臺(tái)站建筑物鋼筋屏蔽構(gòu)件上。樓層間用銅線和屏蔽鐵盒連接，保證了交流工作接地、安全保護(hù)接地、直流工作接地、防雷接地共用一組接地裝置。機(jī)房接地與靜電地板相連。為更好的將電流傳入地下，在機(jī)房外選用鍍鋅扁鋼，設(shè)置每隔3m、垂直埋深1m的輻射式延伸接地體約30m，并對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)做防腐蝕防銹處理。

交換機(jī)間采用100M 輸入端口處安裝單口RJ45 端口信號(hào)防雷器，以保護(hù)設(shè)備。避免因雷擊感應(yīng)或電磁場(chǎng)干擾沿雙絞線竄入而毀壞設(shè)備。電話線接收設(shè)備上安裝單口 RJ11 端口信號(hào)防雷器。

2.7 雷電預(yù)警系統(tǒng)

電場(chǎng)超過(guò)空氣擊穿強(qiáng)度后雷云對(duì)地面放電，通過(guò)雷電預(yù)警傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)臺(tái)站周邊約20km的大氣電場(chǎng)，提前切換電源，斷開市電，防止儀器設(shè)備通過(guò)電源線遭受雷擊，保護(hù)數(shù)據(jù)安全。也防止雷雨天臺(tái)站總電源開關(guān)頻繁跳閘，減少維護(hù)工作量。通過(guò)一年的驗(yàn)證能夠達(dá)到雷電來(lái)臨前及時(shí)采取線路隔離雷電的目的，杜絕了因雷電導(dǎo)致臺(tái)站監(jiān)測(cè)設(shè)備損壞的事故。

圖4 雷電預(yù)警系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of lightning warning system

圖5 鶴崗臺(tái)雷電預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)圖Fig.5 Lightning warning system trigger of Hegang station

3 防雷改造建議

3.1 防雷裝置檢查與維護(hù)

防雷裝置在整個(gè)使用期內(nèi)，應(yīng)完全保持其機(jī)械特性和電氣特性。防止因天氣損害、腐蝕、和用途改變?cè)斐煞览籽b置的失效。每年進(jìn)行1～2次檢查接地線、引下線連接、銹蝕、各類浪涌保護(hù)器運(yùn)行情況、機(jī)械損失等情況；定期進(jìn)行地電阻測(cè)試，確定接地體及連接處完好，做好雷擊事故響應(yīng)。

3.2 數(shù)據(jù)接口防雷

數(shù)據(jù)防雷器通常串聯(lián)在線路中，給予地震數(shù)據(jù)的精度和可靠性要求，必須以不影響數(shù)據(jù)傳輸為根本原則。而現(xiàn)有測(cè)震、形變、流體、電磁等地震監(jiān)測(cè)設(shè)備接口總類較多，傳輸速率各不相同，安裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制插入損耗，對(duì)于傳輸速率較高的設(shè)備，應(yīng)選擇極間電容漏電流小、響應(yīng)快的數(shù)據(jù)防雷器。同時(shí)還要注意儀器接口信號(hào)工作電壓，保證防雷設(shè)備動(dòng)作電壓和限制電壓適合該儀器。

3.3 蓄電池充放電

UPS蓄電池絕大部分時(shí)間處于浮充狀態(tài)，保證電池的穩(wěn)定運(yùn)行。如需放電，則每次放電到剩余30%就認(rèn)為已放電結(jié)束，防止電池因“深度放電”造成使用壽命縮短。

當(dāng)環(huán)境溫度在25℃時(shí)，溫度每升高6～10℃，蓄電池壽命縮短一半［6］。溫度升高蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時(shí)將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。因此，使用中要注意防曬及空氣流通。

3.4 電池組共享

按照常規(guī)的電池配置方法，每臺(tái)UPS主機(jī)配帶各自的電池組。當(dāng)UPS主機(jī)不能逆變時(shí)，盡管電池沒(méi)有故障，但所配的電池組也不能正常工作。共享電池組方案就是指多臺(tái)UPS主機(jī)同時(shí)利用一組電池的解決方案。市電正常時(shí)，各UPS同時(shí)給電池組充電，市電異?；蛘咧袛鄷r(shí)，各UPS又同時(shí)利用電池組的能量逆變成交流電供給負(fù)載。即節(jié)省購(gòu)買電池的資金投資又保證電池的使用效率。

3.5 避雷針安裝

地震臺(tái)站構(gòu)筑物高度雖低，但地勢(shì)空曠，極易遭受各方向各種形式的雷擊。若采用避雷針，則提高了受雷擊的頻度和產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓的機(jī)會(huì)。況且由于場(chǎng)地限制，避雷針與觀測(cè)設(shè)備較近、直擊雷較少，成為此次改造未采用避雷針的重要原因。

另外，此次改造將機(jī)房和山洞內(nèi)、外的電源線和其他傳輸電纜分槽架設(shè)，增大數(shù)據(jù)插座與電源插座距離，以減少電源發(fā)生短路產(chǎn)生感應(yīng)電壓的可能。

4 總結(jié)

地震臺(tái)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、工程地震和地震科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施，雷電問(wèn)題已經(jīng)成為影響地震監(jiān)測(cè)完整和數(shù)據(jù)干擾的重要因素之一。此次我省臺(tái)站對(duì)外部防雷帶、引下線和接地體等進(jìn)行了改造，對(duì)臺(tái)站原有防雷帶等外部防雷設(shè)施進(jìn)行檢修，減小電纜長(zhǎng)度外光纖實(shí)施埋地和接地。對(duì)內(nèi)部防雷屏蔽系統(tǒng)、等電位連接、電涌保護(hù)器等進(jìn)行改造，供電系統(tǒng)采取三級(jí)SPD 進(jìn)行保護(hù)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)按B類要求設(shè)計(jì)。機(jī)房實(shí)行聯(lián)合接地，解決地電位升高的影響。對(duì)進(jìn)出機(jī)房的管、線、槽實(shí)行等電位連接。改善地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，縮短雷電流引起的高過(guò)電壓的保持時(shí)間，將雷電過(guò)電壓降低到設(shè)備能夠承受的水平。

［1］ 高宏巍，邱鳳萍，孟祥龍.依蘭地震臺(tái)雷害原因與防雷措施淺談［J］. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2015（3）:75-79

［2］劉發(fā)科，劉發(fā)新.黑龍江省正負(fù)閃電密度及強(qiáng)度分布特征分析［J］.黑龍江氣象， 2013（3）:33-34

［3］朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法［M］.北京:氣象出版社，1992:606—607

［4］鐘幼軍，曹鐵英，官延平.黑龍江省雷電活動(dòng)氣候特征分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007（5）:79-83

［5］王衍行，譚文春，呂軍.淺析雷雨天氣保護(hù)器跳閘的原因［J］.電氣技術(shù)，2009（6）:89-92

［6］GB50057－94，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)，2000

［7］劉慶生.溫度對(duì)蓄電池的影響［J］.湖北電力，2009（4）:45-46

ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF LIGHTNING PROTECTION OF SEISMIC STATIONS IN HEILONGJIANG PROVINCE

QIU Feng-ping，LIU Yan-bin，HU Bao-hui，ZHANG Hao，MENG Xiang-long
（1Yilan Seismic Station，Heilongjiang Harbin 150090， China；2 Hegang Seismic Station，Heilongjiang Harbin 150090，China）

Seismic stations in Heilongjiang province since the "tenth five plan" project， the observation environment and data quality are improved， but in recent years by frequent lightning disasters， resulting in the quality of data integrity and data serious decline. To ensure that the instrument is working properly， stable and reliable data， a number of measures the overall transformation of external and internal lightning protection lightning station Taiwan province， and add lightning warning system to cope with the transformation of the mine in Hegang， Suihua， Mudanjiang stations effective implementation， monitoring equipment to ensure the safe and stable operation.

analysis of lightning； lightning protection； lightning warning

P315.63；P315.78

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.015

1674-8565（2016）03-0082-05

2016-06-15

2016-07-15

邱鳳萍（1967-），女，2004年畢業(yè)于哈爾濱市委黨校，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)震、形變觀測(cè)工作。E-mail: 312705414@qq.com