台站智能型信号防雷技术应用

孙鸿博，陈海博，赵 楠

（安徽省地震局,合肥 230031）

0 引言

地震台站大都是在野外空旷偏僻的地方，这些地方遭遇雷击的概率极高，因此，一旦到了雷雨季节，台站仪器遭受雷击的几率更大[1-2]。在中国地震局大力支持下，过去几年台站综合观测技术保障系统建设中采用了信号防雷技术与设备，使台站仪器防御雷电灾害能力得到了极大提升，改善了台站仪器因雷电受损情况，提高了台站观测数据连续率[3-6]。但是，信号防雷设备在逐年使用过程因多次雷击后性能会逐步衰减，最后导致失去了信号防雷设备的防护功能。因此，台站信号防雷设备的运维十分重要。但由于这些防雷器信号是无源信号，无法了解信号防雷的运行状况，也不能及时掌握信号防雷设备性能状态，也就无法实时提供台站信号防雷设备运维能力，给信号防雷设备的及时维护带来困难。同时台站地处偏僻路远的地段，每次到台站运维设备需要数小时。如果在台站检查中发现信号防雷设备已老化或损坏，还需带防雷设备备件第二次到台站更换维护，降低了运维效率[7-8]。

如果能够通过在线方式监控信号防雷设备的运行状态，可及时掌握信号防雷设备的性能状态。一旦发现设备出现异常可带上防雷备件到台站进行维修更换，从而有效提高台站信号防雷设备雷雨期的运行效率。为此，研发了一款智能型信号防雷器及信号防雷设备在线检测平台，通过平台进行数据检测分析，及时掌握台站信号防雷设备在雷雨期前后运行及性能状况，并应用手机APP 对台站智能型信号防雷设备的运行实时监控检查。

1 智能型信号防雷检测原理

1.1 雷电信号识别原理

信号防雷器内的无源传感器将数据传入JU-8CK，由JU-8CK 分析计算，一个JU-8CK 可同时监控8 个信号防雷器。其工作原理如图1，信号防雷器内每个放电器件带一个感应线圈（特制，不干扰采集线信号），当放电器件有雷电通过，经过定向二极管输出电压到JU-8CK，JU-8CK 分析电压后计数，并参照器件的设计冲击次数（由器件生产厂家提供）计算器件的状态（正常、老化、失效）。在实际应用中，设计雷电流脉冲最小阈值为300 A，检测最小灵敏度为100 A，记录累计脉冲最大峰值为10 kA。

图1 雷电识别原理

1.2 雷电脉冲检测原理

台站仪器观测系统在传感器与数据采集器之间连接的信号防雷设备是为了在信号线上一旦有感应雷电流经过时能够快速对放电器件放电、嵌压、泄流，有效保护传感器与采集器设备免遭雷击伤害，从而保护台站观测仪器安全[9-10]。智能型信号防雷设备是在原来信号防雷设备基础上，增加了在其放电器件部位上附贴一个感应线圈（图2）的设计。信号防雷器本身是无源的，当线路上无雷电感应电流时，感应线圈不会影响到信号防雷设备工作性能。而当信号线上出现感应雷电流脉冲时，雷电流脉冲会快速通过放电器件对地泄流，此瞬时放电器件周围就会产生一个交变的磁场，由楞次定律可知产生的交变磁场大小与感应雷电流脉冲强度成正向关联。

图2 智能型信号防雷器雷电脉冲检测原理

因此，测量出信号防雷器信号线上每次出现放电泄流脉冲产生交变磁场的强度，可初步判断出信号线上每次出现感应雷电流脉冲的强度。如果在一根信号线上放电器件所承受的最大雷电击频次数以及承受额定感应雷电流脉冲强度值可通过额定设计数据和实验结果验证，那么，当记录到数据超过额定设计规定的频次数和脉冲强度最大值，就可以初步判断该信号防雷器内部放电器件开始老化、衰变，性能下降，需要进行维修更换。

一般情况下，一个信号防雷器可以有若干根输入/输出信号线与组合型放电器件组成。当信号防雷器选定型号放电器件后，由资料可查找到该信号防雷器承受最大雷电流频次数和承受额定电流脉冲强度值。根据有关雷电模拟实验结果，一根信号线承载能力为额定值的0.8 倍余量进行设计。若一个信号防雷器有n根信号线，则放电器件的承载能力会增加n倍。当n根信号线上均有雷电流脉冲流过时，感应线圈上产生的交变磁场会大大增加，使感应线圈输出端经过定向二极管输出得到二次感应电压脉冲信号幅度增加，此感应信号通过采集线端口送入采集监控放大单元转换成数字计数脉冲信号进行存储；使用处理软件进行数据计数与统计分析，再通过检测平台后台数据库进行比较，就可初步判定在线检测信号防雷设备性能变化好坏，达到实时监测台站信号防雷运行状态的目的[11]。

2 台站智能信号防雷设备监控系统

2.1 台站专业仪器信号防雷器原理

为满足各台站不同的雷电环境，台站专业仪器信号防雷器设计为三级放电，架空布设的地电阻率信号防雷器为四级放电，放电电流为10 kA；器件采用分布电感器小、分布电容小的器件。第一级采用放电电流大的放电管，信号线上的雷电流主要从放电管流入大地；经过退耦器件退耦以后，在第二级放电器件TVS 管放电，然后流入大地；在经过第二组退耦器件退耦后，在第三级TVS 管放电，然后流入大地。此时雷电流已经非常小，仪器已经安全。

值得说明的是，由于台站仪器的检测精度要求很高，所以本系统采用的都是对地震仪器信号频段衰减小、对雷电频段信号衰减大的退耦器件。另外，TVS 分布电容和分布电感偏大，实际应用中需要采用开关二极管等原件来降低防雷器的分布电感及分布电容。

2.2 台站智能信号防雷设备及监控系统

台站智能信号防雷设备及监控系统，由台站观测仪器、智能信号防雷器与JU-8CK 多路集线服务器以及台站分析软件组成。而台站智能信号防雷器在原来信号防雷设备内部放电器件上附贴一个感应线圈及信号输出端口，然后，以串口方式接入台站信号防雷设备多路集线服务器。一个集线服务器有8 个串口接入端口，可连接台站至少8 个智能信号防雷器，集线服务器为以太网输出，称多路集线服务器为串口接入/以太网输出服务器，内置IP 地址与台站观测仪器在一个网段内，这样可以在台站计算机安装分析软件实现对台站多测项信号防雷设备运行状况的在线检测和信号防雷设备的运维管理。图3 为一个台站多测项（测震、强震动、流体水位水温及形变、电磁观测）至少8 个测项信号防雷器的运行状况监控平台设备连接构成图。

图3 台站多路信号防雷器监测平台

3 台站系统试验运行

在安徽地震监测台网的蚌埠台、金寨台进行了智能型信号防雷器运行监控及检测平台实验运行。蚌埠台安装了气象三要素的气温、雨量筒、气压3 个测项智能型信号防雷器和一个JU-8UK 多路集线数据服务器，金寨台安装了气象三要素的气温、雨量筒智能型信号防雷器与JU-8CK 多路集线数据服务器。按照台站综合观测技术保障系统技术要求，智能型信号防雷设备固定安装在台站仪器机柜中观测仪器的附近。

台站智能型信号防雷器雷电流脉冲频次数的检测数据通过JU-8CK 集线数据服务器可获得台站智能型信号防雷器遭受雷电流脉冲冲击的频次数记录。在APP 平台上，监控软件界面上能够实时显示台站信号防雷器记录雷电流脉冲计数情况（图4）。

图4 APP 界面

分析软件基于GIS 技术的数据接收分析处理，展示数据分析结果并进行相应信息推送。在GIS 地图上标注安装智能型信号防雷器台站位置，通过显示台站信号防雷设备状态（红、绿、黄）。当该台站监测的信号防雷设备正常时，标注色为绿色；出现异常时，标注色变为红色，能够让运维人员直观地看到台站信号防雷器性能状态并及时进行维护管理；当标注色为黄色时，则意味着信号防雷器可能处于一个渐进老化状态，需要运维人员给予关注和重视。

自2020年9月份运行至今，蚌埠台、金寨台2 个台站安装的智能型信号防雷器检测平台，其监控系统平台运行良好，试运行的5 个信号防雷设备没有出现异常问题。

4 后序及不足

经过数月试运行，实现了台站信号防雷器的性能状态远程在线监控分析，对台站信号防雷设备的运维工作带来了便利，对提升台站综合观测技术保障系统效率有积极意义。

目前，试运行的仅仅是气象三要素的智能型信号防雷设备，安装运行对信号防雷器本身的防雷性能没有影响，但对于电磁等测项观测仪器智能型信号防雷器是否存在影响，还需要做更多测项智能型信号防雷器试验[12]。其次，由于试验在线检测平台运行时间不长，而5—8月高频度、高强度雷雨季节已过，还有待下一年或再经过1～2 个年度雷雨季节期的大考验。

其次，智能型信号防雷器成本有了一定增加，经初步估算约增加25%左右。由于该设备需求批量性不大，成本一定程度上难以降下来。或者可以将台站信号防雷设备运行监控检测平台界面与数据库嵌入台站环境监控平台中，同样也能达到降低相应成本，增加台站运维整体效率的目的。

最后，本设计有一定的危险性及不确定性，硬件设备存在变成一次性设备的可能性。由于目前数据量较少，所以很多结论暂时无法给出，还需要更多的实践数据来验证。