昆明地震台前兆仪器雷害故障分析与检修

冯琼松，杨仁华，邓存化，李 雷，黄 瑶

（云南省地震局，云南 昆明 650204）



昆明地震台前兆仪器雷害故障分析与检修

冯琼松，杨仁华，邓存化，李 雷，黄 瑶

（云南省地震局，云南 昆明 650204）

摘要：雷害已成为影响台站长期稳定运行的重要因素之一。通过对昆明地震台前兆观测仪器连续几年多次雷电故障现象特征、诊断修复过程、故障原因等的分析，提出了雷害故障检修的一般步骤方法。

关键词：昆明地震台；前兆雷害；故障分析

0 引言

自然灾害中，雷电引起的危害算得上最为严重的一种，除它本身具有巨大的破坏性外，还因为雷电发生频率高，且年年重复发生［1］。地震台站观测总是不同程度地受到雷击影响，造成观测中断和仪器设备损坏，因此雷击已成为影响台站长期稳定运行的重要因素之一。昆明地震台前兆观测仪器连续几年数次因遭雷击而损坏，给台站工作和资料质量造成巨大损失。自2007年7月安装运行以来，曾先后多次遭遇雷电损坏，从而引发一些仪器的故障问题，不仅使观测资料大量中断失记，更惨重时被迫停测，影响资料精度和连续可靠性，而且给资料处理和地震分析预报带来不便。为了能准确找到雷害故障点，深入分析故障原因，确保仪器能够正常工作，取得连续、稳定、及时、可靠的观测资料。笔者经过近几年对雷击故障的分析检修，积累了一些初步认识和经验，在此予以台站同仁们参考。

1 雷害故障调查及原因

雷电是一种自然现象，它会对供电线路、仪器设备等造成损坏，严重的可导致整个供电系统的瘫痪［2］。云南属于多雷地区，全年将近120天是雷雨天气。昆明地震台所处地理位置在雷电频发的山脚，前有水塘，后有茂密的山林。多年以来只安装了台站楼房接地网，接地电阻是4欧，所有前兆电源及信号线都是通过接入地后到地面前兆观测室，十几年一直未安装其它防雷器，防雷设备只有一级防护。从经济角度和防雷意识来看，都没有与时俱进，反而落后于全国先进的市县。致使台站人员一到雷雨季节，就提心吊胆，生怕资料缺失，影响了仪器的运行率。多年的雷击故障及简要分析如表1。

表中看出，雷电活动是随机的，且电强度大，几起故障，均发生在雷雨天气。而数字化仪器恰好是对雷电非常敏感的微电子设备，雷击时产生的电磁感应直接作用于仪器设备的线路板，造成损坏，所以雷电威胁着地震台站观测系统的运行安全。为了降低雷电带来的损失，台站应该根据实地的情况安装防雷设备，比如在雷电经过导电体与仪器设备之间加装防雷设备，或者从配电系统、观测系统网络线路防雷和合理接地等方面考虑。

表1　雷击故障及简要分析

2 雷电的危害

2.1 雷电的特征

通常所说的雷电，是大气在气流作用下，一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电云层对地之间迅猛地放电，这种迅猛放电过程产生强烈的闪电并伴随巨大的响声称为雷电。而雷电对地震台站的危害是雷电的过电压、过电流入侵观测技术系统，造成电器设备和元器件的损坏，其形式有两种：直击雷和感应雷。雷电对地震观测技术系统的危害，绝大部分是由感应雷引起的，极少数是由直击雷造成的。由于地震观测系统大量采用弱电系统—大规模集成电路和分散控制用的CPU单元，使其对瞬间过电压承受能力大幅度减弱，所以极易造成雷害故障［3-4］。

2.2 雷害故障现象特征

昆明地震台前兆从“十五”项目改造后全部采用数字化观测。台站现有前兆观测仪器，地壳形变：原西德进口的GS-15（230）型重力仪、DSQ型水管倾斜仪和SS-Y型洞体应变仪；地下流体：SZW-1A水温仪、SD-3A测氡仪、LN-3A水位仪；辅助观测：WYY-1型气温、气压、雨量综合观测仪。形变仪主机架设在深达41～47m（几个通道）的山洞内，经70～85m长的电源线和信号线通过接入地后把数据连接到数据采集器。地下流体观测井位于台站前方200米左右一断裂交汇处静水井中，井深279.0m，探头投放于主井中，固定在井盖（法兰盘）电缆通道上，主机安装于地面观测室工作台，经200m长的电源线和信号线通过接入地后把数据连接到数据采集器。前兆所有数字采集器在地面前兆观测室，采用中国地震前兆台网数据管理软件通过服务器收取数据，使用“十五”前兆分析处理软件对数据进行处理。

在前兆仪器观测室电源电压、时钟、串口通讯、数采信号等正常的情况下，雷电常会造成仪器内部电路元件损坏，故障现象特征如下：数采状态指示绿灯不闪烁，复位数采或重新开关数采电源，数采仍不能进入正常工作状态，说明数采内部已损坏；数采状态指示绿灯闪烁，但收取各通道当前观测数据，会出现各道采集数据混乱或为空，说明采集数据为非法数据，数采内部已损坏。

3 雷害故障诊断与修复

电源是仪器正常运行的根本保障，供电电源到观测仪器任一部位出现故障都会引起观测系统不正常。昆明地震台雷害故障主要是雷击使电源保险丝熔断或雷击跳闸引起停电至数据中断失记，所以考虑感应雷击由电源线路引入至破坏数采设备其芯片和接口，遭雷害的实例不计其数。

2008年7月19日晚上21时26分左右开始出现雷暴雨，在这次雷暴中，该台前兆所有观测手段数采状态指示绿灯闪烁。但通过公用数采各道收集观测数据时，重力数据采集器无法工作，复位数据采集器和重新开关电源，数据采集器仍无法正常工作。由于“十五”数据第一次遭雷击，工作人员经验不足，紧张中慌了手脚，无从下手检修。电话上报前兆台网，维修人员指导可能是数采字节乱码，要求校对时间、台号、分量表，反复几次，数据采集器仍无法正常工作；于是重新更换通道口，再校对时间、台号、分量表，故障排除，重力数据采集器工作恢复正常。此次雷暴雨经及时抢修，仍造成重力数据缺失59分钟，其余前兆观测仪器正常。

2011年10月28日凌晨01时00分左右出现强雷暴雨，在这次强雷暴中，该台前兆所有观测手段数采状态指示绿灯不闪烁。检查发现电源保险丝被电流烧黑熔断引起电源线断路，重新更换保险丝后，电源恢复正常。但前兆所有数据无法下载、地址网页ping不通。复位数据采集器和重新开关电源，通过公用数采各道收集观测数据时，发现除了重力数据采集器仍无法工作外，其余前兆数据处理系统和管理系统工作恢复正常。根据上次雷击的经验，重新更换重力仪通道口，校对时间、台号、分量表，但重力数据采集器仍无法工作；考虑重力数采内部元件已损坏，打开数据采集器，用万用表测试，其内部已短路损坏，重换采集芯片，重力数据采集器工作恢复正常。此次雷暴雨造成重力数据缺失58小时，其余前兆数据缺失5小时，损失严重。

2013年7月27日傍晚20时27分左右出现雷暴雨，该台前兆所有观测手段数采状态指示绿灯不闪烁。检查发现电源保险丝被电流烧黑熔断引起电源线断路，重新更换保险丝后，电源恢复正常。通过公用数采各道收集观测数据时发现重力仪数据曲线畸变、水管仪数据全部为空。复位数据采集器和重新开关电源，水管仪数据采集工作恢复正常；我们采用以前积累的经验和方法进行重力仪数据采集器检修，发现重力数据采集器内部短路，更换采集芯片，重力数据采集器工作恢复正常。此次雷暴雨造成重力数据断记28小时，水管仪数据断记30分钟。

2013年8月15日下午17时30分左右前兆观测室再次遭遇雷击，此次雷暴中，该台前兆所有观测手段数采状态指示绿灯闪烁。但通过公用数采各道收集观测数据时，重力数据采集器无法工作，采用以前检修的方法，反复重新更换通道口，校对时间、台号、分量表，重力数据采集器工作恢复正常。此次雷暴雨造成重力数据缺失2小时20分钟，其余前兆观测仪器正常。

2014年6月16日下午15时54分左右开始出现强雷暴雨，在电闪雷鸣中，该台多次出现市电供电瞬间跳闸中断现象。在这次强雷暴中，该台前兆所有观测手段数采状态指示绿灯不闪烁。电源保险丝两次被电流烧黑熔断引起电源线断路，重新更换保险丝后，电源恢复正常。通过公用数采各道收集观测数据时，前兆所有数据无法下载，复位数据采集器和重新开关电源，各道数据采集器仍无法工作。采用以前积累的检修步骤和方法进行排查，发现计算机网卡和交换机网口被击坏，重新更换击坏元件；除了重力仪、水管仪和水位仪数据采集器仍无法排除故障外，其余数据采集器系统工作恢复正常。经过检查，发现重力仪和水管仪数据采集芯片坏，重新更换采集芯片，故障排除，重力仪和水管仪数据采集器系统工作恢复正常；水位仪数据16点后从27.4m突跳到32.2m，经检测发现是水位探头坏，由于没有备用探头，只能被迫停记修理。此次极强雷暴雨，造成重力数据中断失记48小时，水管仪数据中断失记5小时，水位仪器停记半年，资料损失惨重。

4 几点认识

分析了雷电的形成、雷击的种类、雷电对地震台站数字化仪器的危害及故障的分析处理，我们认识到几点：

（1）雷电活动是一种复杂的大自然现象，随机性很强，对雷击的防避可以说是防不胜防；雷击对观测仪器的危害最大，雷害的大小与雷击强度关系密切，且受地形影响较大［5］。

（2）数据采集器遭遇雷击后，要准确的找到故障点并迅速修复不是一件轻而易举的事，是一个复杂的分析过程，因此，要冷静处理，善于分析故障现象特征和故障点可能出现的地方。一般可由外围至内部，首先检查数采电源、数采时钟、串口通信、计算机网卡、交换机网口和前兆仪器传感器输出信号是否正常，地址网页能否ping通；如果均正常，再检查数采内部，收取各道观测数据；如果只是某道数据不对，先更换通道，校核时钟、台号、分量表，再检查通道外接传感器信号连线是否可靠，通道继电器及通道继电器控制电路是否正常；如果各道数据均不正常，说明数采内部元件已遭雷击损坏，应检查更换相应芯片。

（3）近几年昆明地震台前兆观测仪器遭到的雷害会造成数据采集单元损坏，导致所有数据无法下载；引起数据曲线畸变，严重时造成几个小时甚至几天的数据中断失记，造成观测资料缺记率达9%～20%。所以在日常工作中要经常对数采进行检查，包括时钟、台号、分量表、各通道信号、状态指示绿灯等，如遇雷电天气更应及时检查，确保数据采集器始终处于良好工作状态。在平时对数据采集器易损害部分元件建立备件，最好有备用数据采集器，以便在遭遇雷击时，及时换上备用器件，减少资料断记损失。

（4）通过对昆明地震台前兆数采雷害故障的分析处理，我们认识到，不仅在日常工作中，要经常对观测过程中出现的故障认真分析、查找原因、积累经验，还要采取针对性的防雷措施，强化防雷意识［6］。这样就可减少雷害故障，控制雷电对地震台站监测系统带来的损失，保证观测仪器的正常运行和资料的连续准确可靠。

参考文献：

［1］童政，刘晓峰，黄讯，等.浅谈地震台防雷设备检查技巧［J］.防灾减灾学报，2012，28（2）：62-66.

［2］陈得福，文习山，张建民，等.形变台站防雷保护及接地改进［J］.中国地震，1998，14（1）：81-91.

［3］支树明，吴小平，李光义，等.易县地震台数字化仪器避雷改造［J］.华北地震科学，2005，23（3）：60-62.

［4］王锋吉，林眉，许单，等.地震台站的防雷技术探讨［J］.地震地磁观测与研究，2008，29（4）：80-85.

［5］李建梁，杨雅琼.数字化地震前兆台站的防雷措施［J］.防灾科技学院学报，2007，9（1）：85-88.

［6］王凤.地震台站观测系统的防雷技术［J］.灾害学，2010，25（4）：63-67.

ANALYSIS OF LIGHTNING DISTURBANCE IN PRECURSOR OBSERVATION OF KUNMING SEISMIC STATION

FENG Qiong-song，YANG Ren-hua，DENG Cun-hua，LI Lei，HUANG Yao
（Earthquake Administration of Yunnan Province， Yunnan Kunming 650204，China）

Abstract：Lightning disturbance is one of the key factors that affected the seismic station working normally. Based on analysis of precursor observation data related lightning disturbance in recent years of kunming seismic station and repaired the instrument， this paper presents one system check method of instrument of lightning disturbance.

Key words：Kunming Seismic Station； precursor observation； lightning disturbance； disturbance analysis

中图分类号：P315.62

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.014

文章编号：1674-8565（2016）02-0083-04

收稿日期：2016-01-08

修订日期：2016-03-25

基金项目：地震行业科研专项资助（201208018）

作者简介：冯琼松（1976-），女，云南省昆明市人，毕业于云南大学，本科，工程师，现主要研究前兆形变观测技术方面的工作。E-mail：779773296@qq.com