数字化前兆设备防雷技术应用分析

熊 峰，查 斯，杨彦明，赵 星

（内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

近年来，随着地震前兆观测手段趋于集成化、自动化和数字化，雷电对前兆观测系统的危害越来越突出，因此，防雷措施的研究、设计和实施也在逐步改进，台站从单一的防雷逐渐发展为综合防雷工程，综合防治原则为“综合治理、整体防御、多重保护、层层设防”。防雷击措施的不断配套和完善成为保证观测设备正常运行的重要保障。

1 雷电的危害及其表现形式、入侵途径

雷电是一种自然现象，归属于大气物理学。现代雷电理论认为，雷电是带电云对地面某一点或雷云之间放电，这个过程称直接雷击，放电过程引起电磁感应和静电感应称感应雷击［1］。雷电对台站观测系统的危害可归结为两类：直击雷和感应雷。直击雷对设备的破坏是直接的、瞬间的，也常常是无法还原和修复的，占总雷击的20%。仪器设备遭雷击损坏，80%以上是由感应雷引起的，是由雷电引起的静电感应和电磁感应。感应电流通过电源线、电话线、信号线、天线等金属导线传输到较大范围，使感应雷的破坏范围扩大［2］。

1.1 雷击对前兆设备危害的几种表现形式

（1）损坏设备。雷击过电压或雷击电磁场直接损坏地震仪器与信息系统设备。雷击时，与设备相连接的各种导体线路上，可能感应到的雷击过电压远超过设备的接口耐压，仪器设备因此而损坏。设备所在空间的雷击电磁场可能高于微电子器件能承受的极限值，仪器设备也会因此而损坏。

（2）加速设备老化。雷击直接损坏设备是直接可见的，但雷击过电压或雷击电磁场加速地震仪器设备老化是看不见的，只是仪器的性能下降。虽然此时还能正常工作，但因其耐压降低，一般较小的过电压就可以将其损坏，损坏的几率大大提高。

（3）数据丢失。雷击过电压可能干扰地震仪器的正常工作，使关键数据失真或丢失，严重干扰前兆数据的分析研究，使异常信息与干扰信息难以辨别。

1.2 雷电入侵前兆设备途径分析

（1）配电线路引入雷电。室外的市电配电线路非常容易感应到雷电，雷击过电压沿配电系统进入机房或观测系统。

（2）通信线路引入雷电。进入设备的各种通信线路非常容易感应到雷电，雷击过电压沿这些通信线路进入机房或观测室，并可以直接进入设备。在机房，通信线路受感应雷击电磁场感应到上百伏甚至更高的过电压，过电压足以损坏一些脆弱的通信接口。

（3）地反击。雷击时，地网A可能为高电位，如果此时设备还连接有低电位线路，如，另外一个地网B，雷击时B可能是低电位，则两地网的电位差由仪器来承受，仪器受到损坏。

（4）雷击电磁场。雷击落在地震台站建筑物上或附近地区时，雷击附加的电磁场非常强，地震台站建筑物虽然有一定的电磁屏蔽效果，但机房内或观测室还有一定的雷击电磁场，当磁场强度大于2.4GS时，仪器设备会损坏。当磁场强度大于0.03GS时，数据传输可能受到影响（IEEE标准中数据）。

2 地震前兆设备防雷措施

地震前兆设备防雷是一个系统性工程，在充分分析雷电入侵观测设备的途径后，前兆地震台的防雷技术也在不断地改进，从电源防雷、信号防雷、接地进行完善。根据不同设备的特点和布局，全面系统地采取了屏蔽、隔离、等电位、安装SPD浪涌保护器、L21雷电预警系统等综合防护措施。地震台仪器设备综合防雷原理如图1所示。

图1 前兆设备防雷原理Fig.1 Principle of technique to protecting precursor equipment from lightning

2.1 地震台站的电源线路防护

2.1.1 地震台站的电源线路三级防护

雷电从配电线路侵入是前兆观测最常见、最明显的途径，应按照 GB50057－94、GB50343－2004等标准采取综合防护措施，其中，电源防雷器安装应采取B、C、D三级防护。

地震台低压总配电线宜套钢管或铠装埋地进入地震台低压总配电箱，在低压总配电输出端安装B级电源防雷器，防雷器就近接地。其作用是泄放市电外线进来的强大雷电流，防止雷电流进入设备而产生强烈的电磁场。

观测室楼层分配电的输出端安装C级防雷器，防雷器就近接地。其作用是进一步泄放雷电流，防止雷电流进入机房、观测室内产生强烈电磁场，并对一般的设备能起到比较好的保护作用。如果无楼层分配电箱，配电线直接接到机房UPS，则B级安装在总配电输入端，C级安装在总配电箱的分配电输出端，B级与C级防雷器之间配电线路距小于2m时，必须采取退藕措施，并在分配电线上套强磁环。

机房里的地震仪器与信息系统设备全部由UPS配电，在UPS配电输入端安装D级电源防雷器，防雷器就近接地，其作用是进一步降低雷击过电压，确保设备安全。如果UPS输出配电线路超过10m，可能被感应到雷击过电压，则应在UPS输出端安装D级电源防雷器，或仪器设备电源插座采用带防雷功能的插座。

各观测室的配电全部从地震台低压总配电输出端独立取电，配电线路宜套钢管或铠装埋地铺设，钢管或铠装层两头都应接地，在观测室的配电处应安装C级电源防雷器，如果从台低压总配电到观测室的配电线为架空，则观测室的配电处应安装B级防雷器，观测室的UPS输入端安装D级电源防雷器，防雷器就近接地，其作用是泄放外线进来的雷电流，防止雷电流进入观测室内产生强烈的电磁场。各观测室内的仪器设备全部用带防雷功能的插座，其作用是进一步降低雷击过电压，确保设备安全。所有电源防雷器都应安装空开，机房内主要仪器设备采用电池供电，把仪器设备与市电外线隔离开［3］。

2.1.2 L21雷电预警系统的电源防雷综合应用

在地震科技项目进步的推动下，全国各地震台现逐步在安装徕信地震版雷电防护预警设备，由只能预警的L17发展为性价比较高的能预警，并自动切换交直流电源的L21，是地震防雷技术的一次革新性进步。L21采用精确的雷电探测器与电场仪作为组合传感器，结合地震台站实际情况，深入分析电场的多种参数来综合判断预警雷电。雷击发生前，提前10～30min声光报警，对机房等地的设备保护，实现隔离性雷电防护、自动切换电源。预警防护系统用机房内的UPS供电，要发生雷击时，预警防护系统自动断开室外电源，完全隔离雷电，机房内设备暂时用UPS供电，雷击警报解除后，预警系统自动连接室外电源，恢复正常供电，100%的切断了电源途径入侵的雷击，保护了设备，大幅降低雷击引起的财产损失及雷击事故造成的负面影响。这将对感应雷的防治起到关键性作用，也对过去的人工式切换电源防雷击带来很大的安全和方便。雷击前断开大部分负载，减少了总配电开关跳闸等事故，也为代替人工断电措施提供了安全性保障［4］。

L21采用电子式电场传感器实时监测大气电场值，内置专业雷电分析软件（V2.2）跟踪分析电场变化规律，预警雷电，并实施防护，集雷电探测预警防护于一体。L21采取电子式大气电场监测新技术，传感器没有机械运动部件，使用寿命长，稳定可靠。呼和浩特基准地震台选取该项防雷技术进行了试点应用，防雷效果可靠。图2是L21工作原理。

图2 L21工作原理Fig.2 Work principle of L21

电子传感器与分析控制主机安装到台站各观测点，实现预警防护功能，数据通过GPRS或网络传回控制中心，监控L21工作状态及各地雷击情况。组网防雷已在张家口中心地震台实施［5］。加了带GIS的背景地图可以在安装带GIS的操作系统定位闪电数据。图3是L21雷电预警系统GIS组网示意图。

图3 L21雷电预警系统GIS组网Fig.3 GIS networking of L21lightning warning system

2.2 前兆地震台站的信号线路防护

地震台前兆设备的各种测量线路很多，而且是一些专用线路，仪器的测量端口一般都很脆弱，因此，在不影响测量精度的前提下，采取完善的综合防护措施，其中信号防雷器是应与测量线和仪器接口一一对应的产品。从传感器到机房或观测室的所有测量线如地电、大地电场、地磁、水温、水位、定点形变、体应变、气象三要素等，在机房或观测室侧都应安装专用的信号防雷器，同时根据测量线的特点及地震台的雷电环境特点，防雷器的放电应设置三级以上放电电路，确保设备的安全。防雷器就近接地，其作用是泄放信号线上的雷电流。

机房内仪器到网络交换机的五类线长超过10m时，则在交换机侧安装网络信号防雷器，其作用是泄放网络线在室内感应到的雷电流；机房内网络交换机到服务器的五类线超过10m，在服务器侧安装网络信号防雷器，同理。机房内的网络交换机接有其他终端时，应在网络交换机侧的五类线上安装网络信号防雷器，其作用是泄放网络线在室内感应到的雷电。如果机房与各观测室之间的通信线是导体线路，则应在观测室与机房两侧都安装相应的信号防雷器。如果机房对外通信是导体线路，如ADSL等，则应在机房安装相应的信号防雷器。所以，测量线都应采用屏蔽电缆，电缆的屏蔽层两头都就近接地，观测室到机房的电缆应为光缆。

2.3 线路的电磁屏蔽

经过多年实践、跟踪研究表明，电磁屏蔽是雷电防护中最经济有效的措施，中国电力学研究院等机构都进行了大量的电磁屏蔽实验，结论是，只要做好线路的屏蔽，线路上的过电压会大大降低。对前兆地震台的具体屏蔽措施如下。

进入地震台的低压配电采用套金属管或铠装埋地，金属管与铠装层两头就近接地。进入地震台的信号线，除地电等特殊情况外，全部采用屏蔽电缆并套金属管埋地，电缆的屏蔽层金属两头就近接地。地震台内跨楼层的通信线路采用屏蔽电缆，屏蔽层就近接地，通信电缆铺设时离配电线路距离至少1m，离建筑物外墙至少1m，离建筑物立柱至少1m，如果因特殊情况达不到距离要求时，通信电缆单独套金属线槽，金属线槽至少两头接地，并全段保持电气连接良好。配电线路布设要求与通信线路同样。地震台内所有设备摆放时，离建筑物至少1m，所有仪器、信息系统设备都应放置在金属机柜内，所有设备的接地点与机柜都应就近接到接地母排。包头市地震台洞体应变仪2011年、2012年数采遭受雷击，损害严重，2013年采用了线路屏蔽措施进行防雷改造，用金属槽对所有线路进行屏蔽，并且每隔一定距离都跟地网相接，保证了线路屏蔽和接地良好。该防雷手段实施后，观测设备一次都没有遭受雷击。

2.4 接地

前兆地震台采用共用接地方式，接地电阻应不大于10Ω［6］。建筑物基础地、新增加的地网、各种深井地等连成一个统一的共用接地网，配电地线、机房地线都从该地网引出。机房内的设备附近用（4＊40）mm2的扁铜设置接地母排，接地母排到地网的主地线宜对称设置两条，每条主地线横截面积不小于50mm2。机房内的设备接地点和机柜、机架用不小于10mm2的多股铜导钱就近连接到接地母地排或机柜统一接地点，连接处用线耳连接固定。台站的低压总配电的PE端应用4＊40的扁钢或同等横截面积的其他导体连到地网，B级、C级电源防雷器就近用不小于10mm2的多股铜导线接到电源地PE端。机房内D级电源防雷器和信号防雷器就近用不小于10mm2的多股铜导线连接到机房接地母地排。电源线中，PE线宜就近接到接地母排。机房及办公楼内的防雷电源插座就近插到有地线的电源插座上。

各观测室的建筑物基础地及增加的地网作为观测室发网，并在室内设备集中设置用（4＊40）mm2的扁铜设置接地母排，从地震台低压总配电过来的PE线接到接地母排，接地母排到地网的主地线的横截面积不小于25mm2。观测室离台站办公楼在20m内时，可直接用办公楼共用接地网。观测室各级电源防雷器、信号防雷器和机柜、机架及仪器设备的接地点就近用不小于10mm2的多股铜导线连接到接地母地排。防雷电源插座就近插到有地线的电源插座上。

3 数字化前兆防雷应用情况

2010年起，部分省局先后应用了徕信防雷科技公司的综合防雷保护措施［5］，进行了电源防雷、信号防雷、接地等改造。本研究选用了安徽省淮北地震台、嘉山地震台、金寨地震台、马鞍山地震台、蒙城地震台，河北省承德地震台、赤诚地震台、阳原地震台、永清地震台、张家口地震台，防雷改造前及防雷改造后2010年、2011年、2012年的应用情况，研究得出，综合防雷效果显著。表1为雷击情况具体说明。

表1 台站防雷改造前后雷击情况统计Table.1 Stations struck by lightning before and after installation of new protection system from lightning

以上台站的防雷改造都是在2010年8月份完成，改造后雷击仪器事故大大减少。2010年蒙城地震台进行防雷改造后，在8月份下旬有1次雷击，雷击过程中，对两套GM4地磁仪造成了缺数，雷击过后数据恢复正常。2011年阳原地震台在还未对通信单元的光缆进行改造时，导致通信单元的光隔离器在8月份被雷击损坏。2012年金寨地震台10月份的一次雷击损坏了山洞垂直摆放大器里的集成模块。蒙城地震台7月份的一次雷击过程中，ZD8B供电部分出现了不稳定。永清地震台7月份底，ZD8、ZD9仪器设备在在一次大的直接雷击过程中损坏了一个握手系统的集成模块，经过维修正常运行。

4 结论与思考

地震前兆防雷是一个综合性系统工程，在充分分析雷电入侵观测设备的途径后，对电源线路进行B、C、D三级防雷及L21雷电预警的交直流电源切换来阻断雷电从交流电源入侵；对信号线路根据不同设备的特点和布局，安装信号防雷击保护；对进入台站电源线路和观测信号线路整体的屏蔽保护；将电子系统中不能使用导体进行等电位联结的带电体，如电源线和信号线，使用SPD与接地系统连接，形成准电位连接，达到保护观测系统和观测设备的目的，应用接地排、整体的接地电网泄放电荷，从技术上全面系统地实现隔离、屏蔽、等电位、安装浪涌保护器SPD等综合防护措施后，综合防雷取得明显的安全性效果。综合防雷措施逐步在前兆地震台安装实施并完善，观测设备运行的连续性得到了改善，观测资料的质量得到可靠保障。

良好的接地地网是防雷保护实现的关键，是不可缺少的一大措施。在地线的使用上，信号地线与防雷电源地线绝对不能共用，地线的接地电阻决定了放电时的瞬间电位，即地线的接地电阻决定了防雷装置的效果，两个地线的埋设距离最好大于20m，接地电阻小于10Ω。

台站需要配置容量较大的UPS，在一些地区，雷雨季节雷电较密集，为确保仪器不受雷击损坏，直流耗电时间相对长一些，所以应配备性能良好的蓄电池。

［1］地壳应力研究所.地震前兆台站避雷用户手册［Z］，1998：2－10.

［2］王 凤.地震前兆台站的防雷［J］.灾害学，2005，20（2）：58－60.

［3］中国地震局监测预报司.地震前兆数字观测教材［M］.北京：地震出版社，2003：163－167.

［4］熊 峰，张建中，王 亮，等.L21雷电预警系统在地震台防雷击中的应用［J］.地震地磁观测与研究，2014，35（1／2）：39－40.

［5］王曰风，张秀萍，王长江，等.“鹰眼”雷电预警系统在地震台站的应用［J］.地震地磁观测与研究，2010，31（2）：104－107.

［6］王长江，阎 熠，王世荣.地震台站防雷措施4例［J］.地震地磁观测与研究，1999，20（6）：88－90.