水管儀和洞體應變儀雷擊差異情況分析及解決方法

王 欣，顧 娜，崔政東，薛 偉，戴 瑾

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

雷擊已經(jīng)成為影響臺站儀器長期穩(wěn)定和造成設備損壞的重要因素之一。每年開春雷雨季節(jié)，儀器頻繁被擊壞，對于形變觀測的兩種主要儀器伸縮儀和水管儀也未能幸免。尤其伸縮儀器的前置放大盒，被擊壞的頻率最高。鐵嶺龍首山形變觀測站每年更換伸縮儀東西分量前置放大盒不少于10 次，嚴重影響儀器運行的連續(xù)率，同時也影響年度的評比情況。同槽體同側(cè)項的水管儀基本不受雷擊。本文將從山洞觀測背景、水管儀前置放大盒和伸縮儀前置放大盒供電情況、傳感器采集情況等多方面分析雷擊故障，對比兩套儀器受雷擊的差異。

通過兩套儀器前置盒雷擊對比，可以判斷導致儀器雷擊故障的瞬時大電流方向是不同的。伸縮儀器前端是31.1 m 的金屬銦瓦棒，當固定墩與測量墩之間距離變化時，在特定的環(huán)境下視基線長度不變，可動鐵芯和線圈（差動變壓器）之間的間距隨之變化，位移傳感器將此間距變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)過前置放大器，所以當發(fā)生雷電時金屬銦瓦棒將感應雷產(chǎn)生的大電流，通過差動變壓器傳給前置放大盒，從而損壞前置盒前端放大芯片。如果雷擊問題能夠解決，不僅為分析預報提供連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)，而且在年度的形變評比中取得好成績，為分析預報提供連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)。

1 鐵嶺龍首山形變山洞觀測背景

鐵嶺龍首山形變觀測山洞位于鐵嶺市銀州區(qū)龍首山風景區(qū)內(nèi)，所在區(qū)域位于遼寧省北部，松遼平原中段，附近地形：西部為遼河沖積、淤積平原區(qū)，東部為低山－丘陵區(qū)，位于陰山東西復雜構造帶和新華夏系構造的交接部位，區(qū)域內(nèi)較大規(guī)模斷裂為NE 向鐵嶺—開原斷裂，為郯廬斷裂北延帶的組成部分。洞室附近巖性單一，缺少其它時代的沉積巖層和較大巖漿體出露（圖1）。觀測洞室引洞寬1.2 m、高2 m，主洞寬2 m、高2 m，進深230 m，頂覆蓋40 m左右，側(cè)覆蓋大于60 m，植被覆蓋良好，海拔89.1 m，儀器墩基為震旦系混合花崗巖。洞室通道采用4 道玻璃鋼密封門密封，觀測室采用隔離塑鋼密封，因房間小，且內(nèi)部有大功率交流穩(wěn)壓設備，內(nèi)部干燥。主洞洞溫日變幅小于0.02℃，年變幅小于0.3 ℃，濕度小于92%，形變山洞的儀器墩基，為致密的花崗巖，并與基巖粘接牢固；雖離城區(qū)、鐵路、高速公路較近，但干擾不明顯。

圖1 鐵嶺形變山洞地震地質(zhì)概況Fig.1 The outline of seismogeology of deformation cave in Tieling

鐵嶺形變山洞主要自然干擾源來源于春季的5 級以上大風干擾和7 級以上的遠震。另外就是數(shù)字化的前兆儀器受雷電干擾較重，經(jīng)過多次有效的防雷技術改造，抗雷害的能力顯著增強，但是雷擊問題還沒有避免。全年人為干擾源有儀器調(diào)零，儀器維修，標定系統(tǒng)維修等（表1）。

表1 鐵嶺形變山洞附近主要干擾源及干擾特征

2 水管儀、伸縮儀觀測系統(tǒng)介紹

2001 年7 月，數(shù)字化水管儀和伸縮儀正式投入觀測，占地面積約80 m2。經(jīng)過十多年的運行，2014 年8 月在原址上對水管儀和伸縮儀進行升級改造安裝。水管儀改造內(nèi)容有，缽體、主機、數(shù)采和信號連接線，伸縮儀由于用吊絲懸吊的銦瓦棒穩(wěn)定性較差，此次升級改造銦瓦棒基線并沒有改變，這樣會延續(xù)以前的穩(wěn)定性。因此，只更換了主機和數(shù)采。

水管傾斜儀（DSQ）由主機和電子記錄兩大系統(tǒng)組成。主機系統(tǒng)由水缽主體、標定裝置、管路系統(tǒng)組成。電子記錄系統(tǒng)由差動變壓器式位移傳感器、標定遙測儀、DSQ 測微儀、數(shù)采儀組成。其觀測原理是通過位移傳感器將連通器兩端水位垂直變化轉(zhuǎn)為電壓信號記錄下來，送到測微儀處理后，再送到數(shù)采儀存儲、調(diào)制，最后由計算機終端顯示及整理（圖2）[1]。

圖2 DSQ 型水管傾斜儀基本工作原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of basic working principle of DSQ water pipe tiltmeter

銦瓦棒伸縮儀（SS-Y）系統(tǒng)構成與水管傾斜儀相似，只是主機系統(tǒng)和測微儀名稱不同。伸縮儀（SS-Y）以線膨脹系數(shù)極小的含鈮特種因瓦材料為基線，檢定器（標定器）及相鄰的框架安裝于測量墩，固定座安裝于固定墩，基線一端與固定座連接固定，其余由測量方向無阻力的懸吊系統(tǒng)托起。懸吊系統(tǒng)由框架及吊絲組成，每隔1.5 m 設立一個支墩，框架固定在支墩上。基線的另一端連接一個位移傳感器。當固定墩與測量墩之間距離變化時，在特定的環(huán)境下視基線長度不變，可動鐵芯和線圈（差動變壓器）之間的間距隨之變化，位移傳感器將此間距變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)過前置放大器，由電纜傳輸至主機。由主機分送至數(shù)據(jù)采集器，再由數(shù)采通過交換機傳連接網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸（圖3）[1]。

圖3 SS-Y 型伸縮應變儀基本工作原理示意圖Fig.3 The SS-Y telescopic strain gauge basic working principle schematic diagram

3 鐵嶺形變山洞水管儀和伸縮儀雷擊差異

3.1 洞室避雷接地網(wǎng)及防雷設施情況

在距洞口15 m 處，挖長5 m、寬0.5 m、深2 m 的地溝2 個，在地溝內(nèi)埋入寬400 mm、厚4 mm 的鍍鋅扁鋼焊制的接地網(wǎng)，澆灌0.5 噸降阻劑，經(jīng)檢測接地電阻8Ω 以上，不符合要求。之后，我們又向前延伸開挖，將接地網(wǎng)加長15 m，并每隔1 m 再向下釘入一根1 m 長的鍍鋅鋼管，鋼管與扁鋼網(wǎng)焊接，然后澆灌1 噸降阻劑，使之成為一個接地良好的整體。接地網(wǎng)扁鋼架及埋入降阻劑如圖4 所示。經(jīng)用ZC29-1型接地電阻測試儀實地初測，接地電阻為2Ω；2001 年6 月14 日實地復測，兩個接地點的電阻分別為0.7Ω 和0.5Ω。

圖4 接地網(wǎng)扁鋼架及埋入降阻劑Fig.4 The grounding grid flat steel frame and embedded resistance reducing agent

觀測洞室的防雷設備采用中國地震局地殼應力研究所生產(chǎn)的ZH-1 型單項交流電源避雷器。2001 年6 月26 日，又在電源避雷器前加設一道由北京愛勞高科技有限公司生產(chǎn)的DSOPⅡ-50-220 型配電系統(tǒng)過電壓保護裝置，用以加大防雷電襲擊的保險系數(shù)。

2014 年對水管和伸縮儀進行升級改造，所有儀器信號和電源線路采用廠家標配的4 芯和5 芯屏蔽線，穿鍍鋅波紋管，進一步起到防感應電的作用。各儀器主機和前置放大器仍然串入以前使用的信號防雷器。

3.2 鐵嶺形變山洞雷電干擾情況

每逢雷雨季節(jié)鐵嶺龍首山形變觀測山洞內(nèi)的伸縮儀和水管儀經(jīng)常遭受不同程度損壞，尤其伸縮儀的前置放大盒，被擊壞的頻率最高。每年更換伸縮儀器東西分量前置放大盒不少于10 次，嚴重影響儀器運行的連續(xù)率。相反在同槽體同側(cè)向的水管儀幾乎不受雷擊。下面是水管儀和伸縮儀雷電干擾、故障對比曲線（圖5）。

圖5 水管儀和伸縮儀雷電干擾及故障圖Fig.5 The lightning interference and fault diagram of water pipe meter and extensomete

3.3 鐵嶺龍首山形變觀測山洞雷擊情況分析

如果市電輸入防雷措施不到位，會直接損害主機和數(shù)采，不僅影響數(shù)據(jù)的斷記率，而且會增加維修費用。目前多數(shù)臺站市電已經(jīng)做了防雷，但是被擊壞的概率仍然存在。主機將交流的市電變壓整流成低壓直流給前端放大盒直流供電，每年的雷雨季節(jié)前置放大盒被雷擊壞是常態(tài)，所以本文討論的重點也在于此。首先分析水管儀和伸縮儀器前置盒的電路構成，供電情況，電流走向，找出高概率擊壞芯片，確定雷電引起的瞬間大電流是否從主機直流供電過來；其次，從前置盒內(nèi)部電路圖找出元器件故障部位，判斷雷電引起的瞬間大電流入侵的方向（圖6-7）。通過多次故障和對電路板檢測，發(fā)現(xiàn)伸縮儀器損壞的128 放大芯片的過流來源于傳感器端，而損壞水管前置盒的過流來源于主機供電端。

圖6 伸縮儀前置放大盒Fig.6 The extensometer preamplifier box

4 故障原因及解決方法

對每個能引起雷擊的環(huán)節(jié)逐步試驗，首先，研究雷擊區(qū)是否與地質(zhì)結構有關，如果地面土壤電阻率的分布不均勻，則在電阻率特別小的地區(qū)，雷擊的幾率較大。地質(zhì)環(huán)境是更改不了的，但是我們應該按照接地電阻小于4Ω 等要求進行供電防雷接地系統(tǒng)設計[2]。目前多數(shù)臺站市電已經(jīng)做防雷，但是被擊壞的概率還是存在的，所以在市電輸入外加雙模塊防雷。在UPS輸出端與主機和數(shù)采并聯(lián)一個低壓電涌保護器，電涌保護器正常情況下，SPD 支路呈高阻狀態(tài)，幾乎沒有電流流過，相當于開路。當瞬態(tài)過電壓時，SPD 阻值會迅速降低，雷電流通過SPD支路對地釋放，同時SPD 可將瞬態(tài)過電壓限制到被保護設備可承受的范圍之內(nèi)，從而使設備得到保護（圖8）。

圖7 水管儀前置放大盒Fig.7 The water meter front amplifier box

圖8 電涌保護器工作原理Fig.8 The working principle of surge protector

其次，把兩套儀器前置盒直流供電端外加信號防雷器，防止過電壓或過電流對前置放大盒造成損壞。通過上面層層防雷，完全可以將雷電拒之門外。但是伸縮前置放大盒還是經(jīng)常被擊壞，而水管基本不會被擊壞。由此可推斷，雷電引起的瞬間大電流來源于傳感器端。

最后，對比伸縮儀器和水管儀器主體構造，不難發(fā)現(xiàn)，伸縮儀器主體是31.1 m 的金屬銦瓦棒，所以當雷雨季節(jié)，盡管在每個環(huán)節(jié)都做了相應的防雷措施，伸縮前置放大盒還是會被頻繁擊壞。

5 結論

以鐵嶺龍首山形變山洞為例，已經(jīng)針對上述情況采取了簡單的措施。當雷電發(fā)生時，伸縮儀器金屬銦瓦棒會在地面感應雷電，導致瞬間大電流流向傳感器，從傳感器進入前置放大盒，最終損壞前端放大芯片。

由于伸縮儀的銦瓦棒一端是固定在基巖上，所以想辦法將此端接地，當感應到雷電時，及時將雷電流導入大地。鐵嶺龍首山形變觀測站伸縮儀的銦瓦棒固定端在2021 年5 月份已經(jīng)做了接地導流措施，今年的雷雨季節(jié)前端放大盒幾乎沒被雷擊壞，前置放大盒雷擊次數(shù)小于等于1，目前只是一處接地，多處接地是不是就可以完全防雷，是下一步要研究的問題。

當雷電發(fā)生時，31.1 m 長的金屬銦瓦棒感應雷電，如果在傳感器和伸縮儀器前置盒之間外加一塊限流穩(wěn)壓模塊，讓平穩(wěn)的采集信號通過前置盒，也可以將雷電拒之門外。此想法需要深入研究，外加模塊會不會影響數(shù)據(jù)曲線形態(tài)和精度。如果將金屬銦瓦棒接地和限流穩(wěn)壓相結合，伸縮儀前置盒雷擊情況就會解決，不但為分析預報提供連續(xù)完整的數(shù)據(jù)，而且大大節(jié)約了維修成本。