山區(qū)地形的地震臺(tái)站防雷問(wèn)題的一些特殊方法探討

孫修君

(沈陽(yáng)地震臺(tái)，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

山區(qū)地形的地震臺(tái)站防雷問(wèn)題的一些特殊方法探討

孫修君

(沈陽(yáng)地震臺(tái)，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

地震臺(tái)站多處于山區(qū)，地形復(fù)雜，是雷電的多發(fā)區(qū)，防雷的特殊方法有增加電源隔離變壓器，安裝天線金屬罩，信號(hào)輸入輸出端增加光電耦合器，還有采用光纖傳輸方式。

防雷；隔離變壓器；光電耦合器

地震臺(tái)站多處于山區(qū)，地形復(fù)雜，是雷電的多發(fā)區(qū)，而且設(shè)備在山頂或在半山，雷擊的概率就比山下平原地帶的概率大，而且感應(yīng)雷對(duì)儀器和避雷器的破壞也是多發(fā)的。有的山區(qū)，設(shè)備房在雨季，幾乎有雷必?fù)?。雷擊過(guò)后，設(shè)備損壞，儀器記錄中斷。雷電對(duì)地震觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的危害，絕大部分是由感應(yīng)雷引起的，極少是由直擊雷造成的。地震臺(tái)站防雷應(yīng)以防感應(yīng)雷為主兼顧防直擊雷。

1 幾種防雷的特殊方法

1.1 增加電源隔離變壓器

對(duì)于通過(guò)電源系統(tǒng)進(jìn)入的直擊雷和感應(yīng)雷，除了原有的常規(guī)方案之外，最好在設(shè)備的電源的進(jìn)入端加一個(gè)電源隔離變壓器，通過(guò)電磁-磁電的轉(zhuǎn)化，從而物理方式上隔離了電流的沖擊，隔離變壓器安放位置應(yīng)盡量離儀器近些，如果兩臺(tái)儀器距離較遠(yuǎn)或線路經(jīng)過(guò)室外，應(yīng)該采用分別的隔離變壓器，因?yàn)樵谑彝獾囊欢尉嚯x，就有可能是引入雷擊的線路。如果采用稍大功率的變壓器，也就把電流的脈沖化為更為平緩，削平了電壓的峰值，從而保護(hù)后端的儀器設(shè)備，電路安裝方法如圖1所示。

圖1 設(shè)備安裝圖

雖然下雨會(huì)持續(xù)幾個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，但打雷閃電卻是一陣時(shí)間；雷電擊向的目標(biāo)都是距離最短的地面目標(biāo)，所以說(shuō)遠(yuǎn)處的雷擊是沒(méi)有危險(xiǎn)的，可以采用遠(yuǎn)程控制的方法來(lái)控制進(jìn)入儀器市電的供給，停供期間由電池電力維持儀器的運(yùn)行。有些前兆儀器的數(shù)據(jù)采集是每日一次，采數(shù)持續(xù)時(shí)間短，所以可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制方法斷開(kāi)儀器信號(hào)進(jìn)入斷的線路，同時(shí)拔掉機(jī)房?jī)?nèi)數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)線的輸入端，打雷閃電停止后再連上。如果傳感器距離機(jī)房的距離不是很遠(yuǎn)，可設(shè)計(jì)工業(yè)電磁控制閥的方式控制線路通斷，一方面，一鍵可以控制線路兩端通斷，另一方面，工業(yè)電磁閥抗雷擊能力強(qiáng)。

1.2 安裝天線金屬罩

屏蔽就是利用金屬網(wǎng)、箔、殼、管等導(dǎo)體，把需要保護(hù)的對(duì)象包圍起來(lái)，阻隔閃電的脈沖電磁場(chǎng)從空間入侵的通道。屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射對(duì)電子設(shè)備影響的最有效方法。對(duì)于一些地質(zhì)條件較差的臺(tái)站，若接地電阻施工非常困難或耗資巨大，可采用屏蔽的方式，即麥克斯韋倡議的法拉第籠進(jìn)行保護(hù)[1]。

法拉第籠(Faraday Cage)是一個(gè)由金屬或者良導(dǎo)體形成的籠子，是一種等電位、靜電屏蔽和高壓帶電作業(yè)原理的設(shè)備，籠子與大地連接。當(dāng)高壓放電桿接近籠體，出現(xiàn)放電火花，根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是一個(gè)等位體，內(nèi)部電勢(shì)為零，電場(chǎng)為零，電荷分布在接近放電桿的外表面上。

有些儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)?，這其中的天線裸露在室外，同時(shí)其也是引入雷電的設(shè)備，如何防止雷電從天線進(jìn)入呢，可以用做一個(gè)屏蔽罩的方法，在這里，就需要根據(jù)具體情況做一些具體設(shè)計(jì)。首先，屏蔽罩不能屏蔽掉需要傳輸?shù)臒o(wú)線信號(hào)，其次，又要盡量防御雷擊。采用全方位的網(wǎng)狀的屏蔽，信號(hào)可以全方位傳輸，但過(guò)密的金屬網(wǎng)織結(jié)構(gòu)，可能會(huì)衰減了信號(hào)的傳輸，這就需要理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，過(guò)稀的金屬網(wǎng)織結(jié)構(gòu)又對(duì)防雷的效果減弱了，這就需要具體情況選擇一個(gè)折中的方案，最簡(jiǎn)單的思路就是，用來(lái)屏蔽的金屬網(wǎng)格的距離值與天線桿格的距離值盡量不接近，因?yàn)榕c天線桿格距離相同的金屬網(wǎng)格，又相當(dāng)于一個(gè)接收天線，電磁波的能量就被吸收了；密度過(guò)大的金屬網(wǎng)有一定的遮擋作用，反射、折繞射都會(huì)使電磁波的傳播有一定的損耗。

如果用特別密實(shí)的金屬網(wǎng)或者用金屬板焊接制作的屏蔽罩，那么在傳輸?shù)姆较蛏祥_(kāi)一口，進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的傳輸，這種具有指向性的傳輸在地震系統(tǒng)傳輸信號(hào)中也比較普遍。

1.3 信號(hào)輸入輸出端增加光電耦合器

對(duì)于信號(hào)的有線傳輸，光電耦合器的隔離是一種防雷的方法，通過(guò)電-光-電的轉(zhuǎn)換，隔離了雷電電流的沖擊，但有時(shí)雷電會(huì)把光電耦合器擊壞。所以對(duì)于光電耦合元器件最好不要焊死，而用插槽的方式，這樣方便及時(shí)更換新的。

1.4 信號(hào)線外套金屬管地埋方法和采用光纖傳輸方式

如果一段距離的信號(hào)線總是容易受到雷擊，這時(shí)應(yīng)先采用外套金屬管地埋的方式進(jìn)行鋪線，但仍然會(huì)有感應(yīng)雷擊怎么辦？這時(shí)就要考慮光纖的傳輸方式，因?yàn)槔纂妼?duì)光傳輸是沒(méi)有破壞的，所以光纖的傳輸是解決信號(hào)傳輸線路防雷的終結(jié)方案，只是費(fèi)用會(huì)高些。

2 接地技術(shù)要求

應(yīng)采用公用接地方式，即：建筑物基礎(chǔ)地、儀器設(shè)備地、電源地等共用一個(gè)地網(wǎng)(各地網(wǎng)連接成一個(gè)統(tǒng)一的聯(lián)合地網(wǎng))，儀器設(shè)備多的房間鋪防靜電地板，共用接地地網(wǎng)以建筑物基礎(chǔ)為主，建筑物的鋼筋為引下線。避雷針地網(wǎng)是獨(dú)立的，與儀器設(shè)備地網(wǎng)5 m以上，接地是個(gè)硬指標(biāo)，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)接地電阻達(dá)不到要求怎么辦？返工效率低投入大，而且可能還不成功，原因是復(fù)雜的，國(guó)內(nèi)建材電料，細(xì)心可以從外型尺寸辨別其是否合格，但有些隱蔽方法，比如覆銅板的技術(shù)，即使專業(yè)人員也很難辨別真假。這時(shí)可以在旁邊挖坑再做一個(gè)地，地與地之間金屬帶串聯(lián)，這樣就會(huì)成倍地增大泄流體面積，效果更好。避雷與接雷是辨證統(tǒng)一的，如果在建筑物樓體上的避雷設(shè)備效果不理想，不妨在附近山體的頂端再建一個(gè)避雷塔，在那兒起著提前接雷的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，地震臺(tái)站進(jìn)行了大規(guī)模的數(shù)字化改造和建設(shè)，儀器設(shè)備的電路采用了大規(guī)模集成電路和分散控制的CPU單元，使其對(duì)瞬間過(guò)電壓承受能力大幅度減弱，采用任何一種單一的防雷措施，都難以保證其安全。雷擊已經(jīng)成為影響臺(tái)站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。必須根據(jù)不同的觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)對(duì)象，采用科學(xué)的態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的手段，根據(jù)地震臺(tái)站的不同情況，采取分類設(shè)計(jì)，分類實(shí)施的綜合防護(hù)措施。通過(guò)討論雷擊災(zāi)害對(duì)地震觀測(cè)臺(tái)站的影響及采取相應(yīng)的防雷措施，對(duì)于地震臺(tái)站產(chǎn)出連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)資料具有很重要的意義。

[1] 王鋒吉,林眉,許丹,等.地震臺(tái)站的防雷技術(shù)探討[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2008(4)：80-85.

Discussion on Some Special Methods for Lightning Protection of Seismic Stations in Mountainous Terrain

Sun Xiujun

(ShenyangSeismicStation,ShenyangLiaoning110161,China)

Most seismic stations are located in mountainous and lighting prone areas with complex terrain. The special method of lighting protection is to increase the power isolation transformer, install the antenna metal cover and increase the photoelectric coupler in signal input and output end, as well as use the method of optical fiber transmission.

isolation transformer; photocoupler

2017-03-14

孫修君(1972- )，男，吉林人，工程師，碩士，研究方向：儀器儀表。

1674- 4578(2017)03- 0062- 02

TP216.2

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