臺站智能型信號防雷技術(shù)應用

孫鴻博，陳海博，趙 楠

（安徽省地震局,合肥 230031）

0 引言

地震臺站大都是在野外空曠偏僻的地方，這些地方遭遇雷擊的概率極高，因此，一旦到了雷雨季節(jié)，臺站儀器遭受雷擊的幾率更大[1-2]。在中國地震局大力支持下，過去幾年臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)建設中采用了信號防雷技術(shù)與設備，使臺站儀器防御雷電災害能力得到了極大提升，改善了臺站儀器因雷電受損情況，提高了臺站觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率[3-6]。但是，信號防雷設備在逐年使用過程因多次雷擊后性能會逐步衰減，最后導致失去了信號防雷設備的防護功能。因此，臺站信號防雷設備的運維十分重要。但由于這些防雷器信號是無源信號，無法了解信號防雷的運行狀況，也不能及時掌握信號防雷設備性能狀態(tài)，也就無法實時提供臺站信號防雷設備運維能力，給信號防雷設備的及時維護帶來困難。同時臺站地處偏僻路遠的地段，每次到臺站運維設備需要數(shù)小時。如果在臺站檢查中發(fā)現(xiàn)信號防雷設備已老化或損壞，還需帶防雷設備備件第二次到臺站更換維護，降低了運維效率[7-8]。

如果能夠通過在線方式監(jiān)控信號防雷設備的運行狀態(tài)，可及時掌握信號防雷設備的性能狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)異?？蓭戏览讉浼脚_站進行維修更換，從而有效提高臺站信號防雷設備雷雨期的運行效率。為此，研發(fā)了一款智能型信號防雷器及信號防雷設備在線檢測平臺，通過平臺進行數(shù)據(jù)檢測分析，及時掌握臺站信號防雷設備在雷雨期前后運行及性能狀況，并應用手機APP 對臺站智能型信號防雷設備的運行實時監(jiān)控檢查。

1 智能型信號防雷檢測原理

1.1 雷電信號識別原理

信號防雷器內(nèi)的無源傳感器將數(shù)據(jù)傳入JU-8CK，由JU-8CK 分析計算，一個JU-8CK 可同時監(jiān)控8 個信號防雷器。其工作原理如圖1，信號防雷器內(nèi)每個放電器件帶一個感應線圈（特制，不干擾采集線信號），當放電器件有雷電通過，經(jīng)過定向二極管輸出電壓到JU-8CK，JU-8CK 分析電壓后計數(shù)，并參照器件的設計沖擊次數(shù)（由器件生產(chǎn)廠家提供）計算器件的狀態(tài)（正常、老化、失效）。在實際應用中，設計雷電流脈沖最小閾值為300 A，檢測最小靈敏度為100 A，記錄累計脈沖最大峰值為10 kA。

圖1 雷電識別原理

1.2 雷電脈沖檢測原理

臺站儀器觀測系統(tǒng)在傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間連接的信號防雷設備是為了在信號線上一旦有感應雷電流經(jīng)過時能夠快速對放電器件放電、嵌壓、泄流，有效保護傳感器與采集器設備免遭雷擊傷害，從而保護臺站觀測儀器安全[9-10]。智能型信號防雷設備是在原來信號防雷設備基礎上，增加了在其放電器件部位上附貼一個感應線圈（圖2）的設計。信號防雷器本身是無源的，當線路上無雷電感應電流時，感應線圈不會影響到信號防雷設備工作性能。而當信號線上出現(xiàn)感應雷電流脈沖時，雷電流脈沖會快速通過放電器件對地泄流，此瞬時放電器件周圍就會產(chǎn)生一個交變的磁場，由楞次定律可知產(chǎn)生的交變磁場大小與感應雷電流脈沖強度成正向關(guān)聯(lián)。

圖2 智能型信號防雷器雷電脈沖檢測原理

因此，測量出信號防雷器信號線上每次出現(xiàn)放電泄流脈沖產(chǎn)生交變磁場的強度，可初步判斷出信號線上每次出現(xiàn)感應雷電流脈沖的強度。如果在一根信號線上放電器件所承受的最大雷電擊頻次數(shù)以及承受額定感應雷電流脈沖強度值可通過額定設計數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果驗證，那么，當記錄到數(shù)據(jù)超過額定設計規(guī)定的頻次數(shù)和脈沖強度最大值，就可以初步判斷該信號防雷器內(nèi)部放電器件開始老化、衰變，性能下降，需要進行維修更換。

一般情況下，一個信號防雷器可以有若干根輸入/輸出信號線與組合型放電器件組成。當信號防雷器選定型號放電器件后，由資料可查找到該信號防雷器承受最大雷電流頻次數(shù)和承受額定電流脈沖強度值。根據(jù)有關(guān)雷電模擬實驗結(jié)果，一根信號線承載能力為額定值的0.8 倍余量進行設計。若一個信號防雷器有n根信號線，則放電器件的承載能力會增加n倍。當n根信號線上均有雷電流脈沖流過時，感應線圈上產(chǎn)生的交變磁場會大大增加，使感應線圈輸出端經(jīng)過定向二極管輸出得到二次感應電壓脈沖信號幅度增加，此感應信號通過采集線端口送入采集監(jiān)控放大單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字計數(shù)脈沖信號進行存儲；使用處理軟件進行數(shù)據(jù)計數(shù)與統(tǒng)計分析，再通過檢測平臺后臺數(shù)據(jù)庫進行比較，就可初步判定在線檢測信號防雷設備性能變化好壞，達到實時監(jiān)測臺站信號防雷運行狀態(tài)的目的[11]。

2 臺站智能信號防雷設備監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 臺站專業(yè)儀器信號防雷器原理

為滿足各臺站不同的雷電環(huán)境，臺站專業(yè)儀器信號防雷器設計為三級放電，架空布設的地電阻率信號防雷器為四級放電，放電電流為10 kA；器件采用分布電感器小、分布電容小的器件。第一級采用放電電流大的放電管，信號線上的雷電流主要從放電管流入大地；經(jīng)過退耦器件退耦以后，在第二級放電器件TVS 管放電，然后流入大地；在經(jīng)過第二組退耦器件退耦后，在第三級TVS 管放電，然后流入大地。此時雷電流已經(jīng)非常小，儀器已經(jīng)安全。

值得說明的是，由于臺站儀器的檢測精度要求很高，所以本系統(tǒng)采用的都是對地震儀器信號頻段衰減小、對雷電頻段信號衰減大的退耦器件。另外，TVS 分布電容和分布電感偏大，實際應用中需要采用開關(guān)二極管等原件來降低防雷器的分布電感及分布電容。

2.2 臺站智能信號防雷設備及監(jiān)控系統(tǒng)

臺站智能信號防雷設備及監(jiān)控系統(tǒng)，由臺站觀測儀器、智能信號防雷器與JU-8CK 多路集線服務器以及臺站分析軟件組成。而臺站智能信號防雷器在原來信號防雷設備內(nèi)部放電器件上附貼一個感應線圈及信號輸出端口，然后，以串口方式接入臺站信號防雷設備多路集線服務器。一個集線服務器有8 個串口接入端口，可連接臺站至少8 個智能信號防雷器，集線服務器為以太網(wǎng)輸出，稱多路集線服務器為串口接入/以太網(wǎng)輸出服務器，內(nèi)置IP 地址與臺站觀測儀器在一個網(wǎng)段內(nèi)，這樣可以在臺站計算機安裝分析軟件實現(xiàn)對臺站多測項信號防雷設備運行狀況的在線檢測和信號防雷設備的運維管理。圖3 為一個臺站多測項（測震、強震動、流體水位水溫及形變、電磁觀測）至少8 個測項信號防雷器的運行狀況監(jiān)控平臺設備連接構(gòu)成圖。

圖3 臺站多路信號防雷器監(jiān)測平臺

3 臺站系統(tǒng)試驗運行

在安徽地震監(jiān)測臺網(wǎng)的蚌埠臺、金寨臺進行了智能型信號防雷器運行監(jiān)控及檢測平臺實驗運行。蚌埠臺安裝了氣象三要素的氣溫、雨量筒、氣壓3 個測項智能型信號防雷器和一個JU-8UK 多路集線數(shù)據(jù)服務器，金寨臺安裝了氣象三要素的氣溫、雨量筒智能型信號防雷器與JU-8CK 多路集線數(shù)據(jù)服務器。按照臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)技術(shù)要求，智能型信號防雷設備固定安裝在臺站儀器機柜中觀測儀器的附近。

臺站智能型信號防雷器雷電流脈沖頻次數(shù)的檢測數(shù)據(jù)通過JU-8CK 集線數(shù)據(jù)服務器可獲得臺站智能型信號防雷器遭受雷電流脈沖沖擊的頻次數(shù)記錄。在APP 平臺上，監(jiān)控軟件界面上能夠?qū)崟r顯示臺站信號防雷器記錄雷電流脈沖計數(shù)情況（圖4）。

圖4 APP 界面

分析軟件基于GIS 技術(shù)的數(shù)據(jù)接收分析處理，展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果并進行相應信息推送。在GIS 地圖上標注安裝智能型信號防雷器臺站位置，通過顯示臺站信號防雷設備狀態(tài)（紅、綠、黃）。當該臺站監(jiān)測的信號防雷設備正常時，標注色為綠色；出現(xiàn)異常時，標注色變?yōu)榧t色，能夠讓運維人員直觀地看到臺站信號防雷器性能狀態(tài)并及時進行維護管理；當標注色為黃色時，則意味著信號防雷器可能處于一個漸進老化狀態(tài)，需要運維人員給予關(guān)注和重視。

自2020年9月份運行至今，蚌埠臺、金寨臺2 個臺站安裝的智能型信號防雷器檢測平臺，其監(jiān)控系統(tǒng)平臺運行良好，試運行的5 個信號防雷設備沒有出現(xiàn)異常問題。

4 后序及不足

經(jīng)過數(shù)月試運行，實現(xiàn)了臺站信號防雷器的性能狀態(tài)遠程在線監(jiān)控分析，對臺站信號防雷設備的運維工作帶來了便利，對提升臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)效率有積極意義。

目前，試運行的僅僅是氣象三要素的智能型信號防雷設備，安裝運行對信號防雷器本身的防雷性能沒有影響，但對于電磁等測項觀測儀器智能型信號防雷器是否存在影響，還需要做更多測項智能型信號防雷器試驗[12]。其次，由于試驗在線檢測平臺運行時間不長，而5—8月高頻度、高強度雷雨季節(jié)已過，還有待下一年或再經(jīng)過1～2 個年度雷雨季節(jié)期的大考驗。

其次，智能型信號防雷器成本有了一定增加，經(jīng)初步估算約增加25%左右。由于該設備需求批量性不大，成本一定程度上難以降下來?；蛘呖梢詫⑴_站信號防雷設備運行監(jiān)控檢測平臺界面與數(shù)據(jù)庫嵌入臺站環(huán)境監(jiān)控平臺中，同樣也能達到降低相應成本，增加臺站運維整體效率的目的。

最后，本設計有一定的危險性及不確定性，硬件設備存在變成一次性設備的可能性。由于目前數(shù)據(jù)量較少，所以很多結(jié)論暫時無法給出，還需要更多的實踐數(shù)據(jù)來驗證。