江蘇省數(shù)字地震臺站防雷改造工程效果分析

瞿 旻，居海華， 戴 波， 王 俊， 盧 永

(江蘇省地震局，江蘇 南京 210014）

0 引言

雷害是常見的自然災(zāi)害之一，而江蘇位于長江中下游，每年的雷雨季節(jié)，地震臺站的數(shù)字化觀測設(shè)備都不同程度受到雷擊影響，造成觀測中斷和儀器設(shè)備的損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2007年以來，我省地震臺站每年至少遭受一次雷擊影響，有的臺站可高達(dá)三次以上，雷害已成為影響數(shù)字化觀測的最主要因素。2010年，我省根據(jù)中國地震局部署對11個(gè)省屬臺進(jìn)行了防雷改造，起到較好的效果，但也有個(gè)別臺站沒有收到預(yù)期效果。文章總結(jié)了我省2010年省屬臺站防雷改造工作中的得失，對做好今后的防雷工作，保證觀測技術(shù)系統(tǒng)正常運(yùn)行、產(chǎn)出連續(xù)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)、以及減少損失，有重要意義。

1 雷電對地震臺站的危害

雷電是自然災(zāi)害的一種，按照危害方式可分為直擊雷危害和感應(yīng)雷危害，其中感應(yīng)雷危害主要以過電壓、過電流的形式危害電氣設(shè)備。對地震臺站造成危害的主要是感應(yīng)雷。感應(yīng)雷可沿電力供電線路、通信傳輸線、架空或未埋地的信號傳輸線進(jìn)入臺站，造成儀器設(shè)備的損壞。雷電有兩個(gè)放電參數(shù)：①起主要破壞作用的雷電流，常達(dá)到幾十到200余千安，作業(yè)時(shí)間極短；②雷電流的上升速度稱為陡度，數(shù)值約為i=80×103A/μs。而通常一次雷電就包括了3～4次放電。

根據(jù)中國地震局2011年防雷技術(shù)培訓(xùn)會議的調(diào)研報(bào)告，江蘇地區(qū)每年6月份進(jìn)入梅雨季節(jié)，至9月夏季結(jié)束有100天以上處于雷害高發(fā)期。自2007年以來，江蘇省各臺站每年至少遭受一次雷擊損害事件，有些臺站甚至達(dá)到每年三次以上，雷擊事故已成為影響數(shù)字化觀測穩(wěn)定性的最主要原因之一。2007～2009年期間，江蘇局38個(gè)地震觀測臺站受雷害133次，高居各省之首。

2 防雷改造采取的措施

2010年在中國局的部署下，江蘇省根據(jù)防雷改造工作的要求對所屬11個(gè)專業(yè)臺站的進(jìn)行了相關(guān)改造，工作主要包括：

（1）臺站接地改造。檢查臺站原有接地指標(biāo)是否達(dá)到中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司 《地震臺站觀測系統(tǒng)布線及防雷技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)。①中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.地震臺站觀測系統(tǒng)布線及防雷要求，2010.檢查臺站有幾個(gè)地網(wǎng)，地網(wǎng)阻值應(yīng)小于4Ω，當(dāng)不同地網(wǎng)間隔小于20 m時(shí)，地網(wǎng)應(yīng)相互連接形成共同接地；②檢查機(jī)房、觀測室內(nèi)是否有接地排；③檢查接地工藝，地線的橫截面積以及連接方式是否達(dá)到《地震臺站觀測系統(tǒng)布線及防雷技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)。對未達(dá)到要求的臺站進(jìn)行針對性的改造。臺站避雷在觀測樓建筑避雷基礎(chǔ)上，采用共用接地方式，將建筑物基礎(chǔ)地、儀器設(shè)備地、電源地、等共用一個(gè)地網(wǎng)①，如圖1所示。

（2）臺站配電系統(tǒng)避雷。實(shí)施多級避雷，即臺站總配電（380V）安裝B級避雷器，各220V配電箱處安裝C級避雷器，所有臺站的儀器和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備都接在D級避雷器（防雷插座）上。每一級避雷器都就近接在接地排上，如圖2所示。

（3）臺站觀測系統(tǒng)避雷。主要包括地震觀測設(shè)備的信號避雷、通信設(shè)備避雷。信號避雷即在數(shù)字觀測儀器探頭與主機(jī)（近儀器端）安裝信號避雷器，將其串聯(lián)在線路中，并就近接地。通信避雷主要有：在屋內(nèi)電話線進(jìn)入電話或MODEM之前，串聯(lián)安裝電話線避雷器；將室外的網(wǎng)絡(luò)線、RS232通信線路等改造為光纖傳輸，由于光信號對雷電有很好的隔離效果，可以起到避雷作用。

（4）布線清理。主要包括機(jī)柜內(nèi)儀器的強(qiáng)電、弱電線路分離，避免雷擊時(shí)相互干擾[1]。弱電線路如通信線路、信號線路在室外鋪設(shè)時(shí)需與配電線路分開，平行距離0.5 m以上；在山洞內(nèi)應(yīng)與配電線路分開鋪設(shè)，平行距離0.5 m以上；在室內(nèi)，通信線路應(yīng)距外墻1 m以上，距離配電線路的平行距離0.5 m以上。

圖1 地震臺站共用接地方式Fig 1 Map of the shared grounding mode of the seismic stations

圖2 地震臺站多級避雷布局Fig 2 Map of the layout of the seismic stations'multi-stage lightning

3 防雷改造取得的效果與欠缺之處

3.1 防雷改造取得的效果

對比防雷改造前后2年，11個(gè)省屬臺站觀測儀器受雷害的次數(shù)大大降低。表1將11個(gè)臺站按觀測手段統(tǒng)計(jì)防雷改造前自2009年開始，至2012年年底受雷害的影響情況。

對比表中可以發(fā)現(xiàn)，自防雷改造后，原先受雷害影響的觀測手段大部分不再受雷害影響，只有南京臺地電場、常熟臺山洞的伸縮儀水管儀、以及南通臺體應(yīng)變、氣象三要素遭雷擊。

對取得較好防雷效果的觀測手段進(jìn)行分析，無錫臺的FHD儀器所在的磁房和觀測樓之間直線距離約200 m，改造前采用485總線通信方式，由于通訊線纜太長，存在引雷的隱患。在表1中可以看到在改造前該套設(shè)備通訊單元易遭雷擊，可以初步判斷感應(yīng)雷由485總線通信線纜進(jìn)入觀測系統(tǒng)損壞儀器。將485總線通信方式改為光纖通信后，儀器未遭雷擊。

表1 十一個(gè)地震臺站防雷改造前后雷害影響統(tǒng)計(jì)Table1 Thestatisticsoflightningeffectsbeforeandafterthelightningprotectionalterationintheseismicstations

淮安臺、新沂臺、溧陽臺的防雷改造工作都對供電系統(tǒng)進(jìn)行了多級避雷，淮安臺FHD儀器主機(jī)與線圈之間安裝了信號避雷器，新沂臺地電場儀主機(jī)與探頭間安裝了信號避雷器，溧陽臺體應(yīng)變輔助氣壓水位傳感器與主機(jī)間安裝了信號避雷器，改造至今儀器未遭雷擊。

常熟臺山洞自防雷改造后在2011年又遭受一次雷擊，經(jīng)分析后認(rèn)為存在以下隱患：原通信方式雖然改為光纖通信，但山洞內(nèi)保留了一部電話，感應(yīng)雷可能由電話線進(jìn)入[2]；此外由于山洞構(gòu)造，地線很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。此后做了針對性的改造：去掉電話通信，與臺站間完全采用光纖通信；對山洞內(nèi)地線再改造，通過添加降阻劑等方式，使地線達(dá)到小于4 Ω的標(biāo)準(zhǔn)。改造后工作如圖4。

圖3 無錫臺FHD通信方式改造Fig.3 Map of the transformation of communication mode of Wuxi station

圖4 常熟臺山洞防雷措施的改進(jìn)Fig.4 Map of improvement of lightning protection measures of the Changshu station

經(jīng)2011年剩余雷雨季節(jié)以及2012年雷雨季節(jié)的考驗(yàn)，事實(shí)證明常熟臺山洞的針對性二次改造起到了很好的避雷效果。

其余臺站的觀測手段在經(jīng)歷了2011、2012年雷雨季節(jié)后，未發(fā)生過觀測系統(tǒng)遭雷擊的情況，可以說防雷改造起到了很好的效果。

3.2 防雷改造存在的不足

盡管11個(gè)臺站的防雷改造取得了比較好的效果。但也出現(xiàn)了南通臺氣象雷擊幾乎造成前兆儀器全部損壞的案例。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，2011年8月11日南通臺雷害發(fā)生后，臺站的陸態(tài)網(wǎng)觀測系統(tǒng)、測震觀測系統(tǒng)、強(qiáng)震觀測系統(tǒng)未損壞，但前兆觀測系統(tǒng)均受到較嚴(yán)重的損壞。對比后，認(rèn)為存在以下易導(dǎo)致雷擊的隱患：

（1）前兆儀器傳感器與主機(jī)間距離較遠(yuǎn)。如圖5俯面圖所示：陸態(tài)網(wǎng)傳感器與主機(jī)均在觀測樓以內(nèi)，測震井口與觀測樓直線距離為12 m，前兆體應(yīng)變井口與觀測樓之間直線距離在25 m左右，氣象三要素的傳感器與觀測樓直線距離為30 m。鋪設(shè)的線纜由于要走直角鋪至觀測樓二樓，因此鋪設(shè)的線纜實(shí)際長度要遠(yuǎn)大于傳感器與觀測樓的直線距離，感應(yīng)雷進(jìn)入觀測系統(tǒng)的概率大大增加。

（2）信號線的埋地與屏蔽層。從圖5的側(cè)面圖中可以看出，體應(yīng)變探頭線纜穿鋼管埋地20 cm，與規(guī)范要求的50 cm有差距。此外，體應(yīng)變信號線纜雖然穿管，但信號線纜的屏蔽層與鋼管、觀測樓地線、井口沒有連接共地，而氣象三要素的信號線屏蔽層很薄，避雷效果會打很大的折扣。一旦遇到能量較強(qiáng)的感應(yīng)雷，僅依靠主機(jī)一端的信號避雷器，很難快速的將感應(yīng)雷電泄放掉，從而造成主機(jī)及探頭的損壞。

反觀陸態(tài)網(wǎng)儀器通信線纜外壁為加厚的銅管，屏蔽層與線纜外壁、避雷器共地連接，避雷效果非常理想。測震井下地震計(jì)線纜采用鎧裝線纜接地，數(shù)據(jù)采集器端信號避雷器接地，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的防雷效果。

圖5 南通地震臺觀測井布局Fig.5 Map of the layout of observation wells in Changshu station's

（3）體應(yīng)變儀器自身的設(shè)計(jì)。被雷擊損壞的體應(yīng)變探頭有2個(gè)，即主探頭和備用探頭。探頭與主機(jī)之間有一個(gè)信號放大控制盒。在雷擊后打開該控制盒檢查發(fā)現(xiàn)，主探頭與備用探頭之間共地。在之前信號線屏蔽接地不到位、無法快速泄放感應(yīng)雷電的情況下，感應(yīng)雷將沿著2個(gè)探頭的線號線地線反向擊壞體應(yīng)變探頭。

通過以上的分析，認(rèn)為防雷改造工作中的信號線屏蔽保護(hù)以及綜合布線的規(guī)范設(shè)計(jì)將是目前工作中較易忽視的環(huán)節(jié)，也是導(dǎo)致防雷效果打折扣的主要原因。

4 總結(jié)

由于雷電危害方式的多樣性和特點(diǎn)，沒有一種產(chǎn)品或技術(shù)可以保證百分百的成功防護(hù)雷害。根據(jù)雷電防護(hù)的知識，并結(jié)合江蘇省數(shù)字化地震觀測臺站的特點(diǎn)，認(rèn)識到防雷是一項(xiàng)系統(tǒng)工程[3]。需要從接地、配電系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合布線各個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)全面的考慮。并結(jié)合臺站雷害的特點(diǎn)來綜合規(guī)劃。實(shí)際工作中，要特別注重信號線屏蔽保護(hù)以及綜合布線等較容易被忽視的環(huán)節(jié)。

另一方面，由于很多臺站已建成了十多年，臺站布局方式各異，觀測手段不盡相同，因此受雷害的影響也有各自特點(diǎn)。在今后的數(shù)字化地震臺站防雷工作中，只有針對不同臺站和不同數(shù)字化觀測手段做特定的防護(hù)措施，才能達(dá)到理想的防雷效果。

[1]黃錫定，梁煥貞.地震臺站應(yīng)用防雷技術(shù)探討[J].地震地磁觀測與研究，2007，28(5)：35-42.

[2]張世民，李建章，彭玉柱.一種防范雷電災(zāi)害的方法[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào).2006，8（4）：51-53.

[3]王峰.海拉爾地震臺綜合防雷措施的探討[J].地震地磁觀測與研究，2005，26(Suppl)：158-162.