海南省测震仪器防雷问题探讨

杨 漾， 曾云飞， 郭民权， 丁有兴， 吴有德

(1.中国科学技术大学固体地球物理系，安徽 合肥 230026；2.海南省地震局，海南 海口 570203）

0 引言

为了满足地震台站对观测环境的要求，海南省地震台站都处于山区或郊外地广人稀的地带，这些位置是最容易引起雷击。对2010～2012年海南地区的测震仪器故障做了个初略的统计，直接雷击和感应雷击引起的故障占到了总故障数的65%以上。怎样解决好地震台站的防雷问题，是值得研究的课题。

1 雷电对海南省地震台站的危害

1.1 直击雷危害

直击雷是雷元之间或者雷元对地面某一点的迅猛放电现象。它是雷电直击在建筑物之上。主要危害表现在高电压和大电流产生的电磁效用、热效应和机械效应。 直击雷虽占比例不大，一旦发生，损失无法估量。2010-07-20海南台网的无线中继站旧州岭遭遇直接雷，台站内3台无线长短波发射机、3台无线超短波接收机、全部电源控制器全部损坏，直接经济损失二十余万元。

1.2 感应雷危害

感应雷是指雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出过压、过电流形成。感应雷可由静电感应产生，也可由电磁感应产生。感应雷形成的概率很高，对台站内的地震观测技术系统威胁巨大。 统计2010～2012年海南地震台网台站的雷击故障 （表1），基本上是由感应雷引起的。

表1 海南台网2010～2011年雷击损失表Table 1 The loss of thunderstrike in HaiNan seismic stations(2010-2011)

以上各种由雷击引发的故障原因是多方面的。总的来说应归结于以下三点：①部分地震台站由于台基原因，接地电阻较大，达不到规范要求，导致电流不能被有效的导入大地。②由于防雷设备年久失修，腐蚀严重，避雷针、地网等避雷设施连接线被腐蚀，导致避雷功能得不到发挥。③一些重要的信号线如摆线、GPS天线、网络数据线没有安装有效的避雷装置，导致雷电通过这些途径进入仪器，使仪器损坏。

2 基础防雷设施

综合海南省地震台站避雷系统建设现状，为了把雷害的损失降到最低程度。想用单一器件或者技术方案解决台站的防雷问题是不现实的，必须在前人的研究基础上，吸取国内外的先进技术思想，采用先进的器件装置，结合海南省台站雷害的实际情况，采取综合的防雷思路。设计一整套适合于本省情况的防雷技术方案。

防雷电问题，避雷针和避雷地网是两个关键和基础的设施。脱离了这两个设施，避雷就无从谈起。

2.1 避雷针

避雷针是针对直击雷最有效、最传统、最广泛的方法。避雷针的基本结构为，接闪器、连接线、接地器。接闪器一般为Φ5-8mm铜或钢做成十字状。连接线是连接接闪器和大地的器件，通常用钢铁直接焊接。在安装避雷针的台站要注意的问题是，避雷针的埋地电阻要小于10 Ω，将被保护的台站置于以针尖杆为轴的45°的角锥体内，且避雷针的位置要尽量远离台站，严禁避雷针与台站仪器共用地。

海南省安装有避雷针的台站主要是几个用超短波传输的台站。在工作中一定要把超短波天线置于避雷针保护范围内。因为海南岛处于海中，常年高温、高湿、高盐，野外的金属设施容易被腐蚀。要经常检查避雷针的连接线，如果出现腐蚀情况要及时更换。有极个别台站，如定安台，避雷针接地和避雷地网共用。要重新做一个避雷针地网，与避雷地网脱离，避免雷击反馈击坏设备。

2.2 避雷地网

地网的作用是把因雷电感应产生的高压、大电流迅速的导入大地，保护台站设备。按照规范要求，接地电阻要小于4 Ω，埋设接地体的地点应选择潮湿，土壤电阻较低的地方，远离腐蚀性的污水。但我们往往选择有整块完整基岩的地点建设地震台站。基岩干燥且电阻大，与地网的建设是一对尖锐的矛盾。通常采用的方法是，在基岩上先开凿深度大于0.8 m的沟，在沟中放入人工接地体材料。人工垂直材料采用厚度不小于4 mm的角钢，人工水平材料采用截面不小于100 mm2，厚度不小于4 mm的扁钢。将角钢与扁钢用气焊焊接，再在沟中填入电阻率低的粘土和降阻剂。在天气晴朗时测量接地电阻，如果达不到要求，在隔第一个地网5 m处，再接一个相同方法建造的地网，用并联的形式连接这两个地网，降低电阻。以此类推，直达地网的接地电阻达到要求。

图1 避雷地网示意图Fig.1 Diagram of lighting protection grounding network

3 供电系统的防雷

3.1 交流供电系统防雷

交流供电线路是感应雷比较容易侵入的地方之一。雷电的能量主要集中在几百赫兹的低频端，极易与工频回路耦合，对地震观测设备进行破坏。在地震台站防雷设计中，对配电系统的防雷非常重要，通常采用三级防雷装置。在外部电源接入台站前，使用长于30 m铠装电缆线，埋地大于0.8 m，将220 v市电引入。在引入端安装一级避雷器，目的是将外部线路可能引入的雷击高压引入大地泄放，确保设备安全。当较大的雷电流进入时，第一级防雷设备可将绝大部分的雷电由地线泄放，而剩余的残压仍有几千伏。第二级防雷器的作用是泄放第一级残压，配电线路感应的过压，能有效抑制各种电磁干扰。现代地震观测设备都是由许多集成电路和精密元件组成。这些器件的击穿电压往往只有几十伏，最大允许的工作电流也是毫安级。第三级防雷的主要作用是泄放前面两级的残压，可达到篏位输出，有残压低，响应速度快等特点，使观测设备最大程度的得到保护。

3.2 直流供电电源防雷

地震观测设备供电不是220 v交流电，而是12v的直流电。一般都是用一个直流供电电源来提供所有仪器的供电。直流供电电源的基本设计原理是用变压器将220v交流电变为12v交流电，然后用桥式整流变为单向脉动电压，通过电容C1滤波后单向脉动电压称为带有交流纹波成份的直流电压 （电压约15v），再经过线性稳压器7812稳压成12v直流电，电容C2作用是抑制7812发生自激振荡。因为雷电的速度相当快，在避雷器还没来得及响应时就通过电源进入仪器设备，造成损坏。这就是直流稳压电源最大的弊端。

图2 交流电源三级避雷保护图Fig.2 Three_level lighting protection of AC source

采用带有隔离供电功能的直流稳压电源，可以避免直流稳压电源这个弊端，使仪器设备免遭雷电损坏。主要的设计思想是，台站供电由两组电瓶交替进行，两组电瓶采用大间隔继电器隔离，市电只对一组没有供电的电瓶充电，另一组隔离市电的电瓶直接向仪器设备供电。这样做的优点是，直接隔离了交流电路，隔断了雷电进入地震观测设备的一条通道。

4 地震观测专业设备及通信设备的防雷

图3 直流稳压电源工作原理图Fig.3 Operating principle diagram of DC regulated power supply

图4 隔离供电直流稳压电源原理图Fig.4 Operating principle diagram of isolated DC regulated power supply

4.1 地震计防雷

感应雷有时可通过摆线 （地震计于数据采集器的连线）进入到地震计和数据采集器内，击穿设备的电路板和元器件。海南省地震局的东方地震台，就有过几次被雷击的情况。原因是该台的摆房和仪器房有18 m左右的距离。虽然在空旷地带对摆线进行了埋地处理，还是阻挡不了感应雷通过摆线击坏地震计。应该在设备的两端安装LT-EDAS-119HK地震仪信号防雷器。对所有的台站进行检查，当摆线≤5 m，可不采取信号防雷；5 m＜摆线≤20 m，在地震计端采用地震仪信号防雷器；当摆线＞20 m或外露在空旷地带时，应在摆线的两端安装信号防雷器且走线严禁走环路形式。

4.2 GPS防雷

雷电特别损坏GPS蘑菇头，感应雷容易通过GPS天线击坏数据采集器设备。采用LTGPS-135防雷器来保护设备。

4.3 网络传输设备防雷

地震数据采集器的LAN口，也是经常被雷电损坏的模块。采用VOLERJ45B型信号避雷器进行保护。该设备采用一体化设计，内部集成了多级放电电路，线-地，线-线纵向与横向全保护，是放电电流与残压真正意义上的全保护，衰减小，数据传输率宽，体积小，安装方便。

5 结语

测震台站的防雷问题，是台站建设、运行、日常维护的一项重要内容。做好地震台站的防雷工作，保证观测系统正常运行，产出连续、稳定、可靠的数据，减少损失具有非常重要的意义。综合本文所述，对地震台站防震有如下建议：

（1）对于在基岩上，接地电阻大于4Ω的避雷地网，建议在外围并联地网，使接地电阻小于4Ω。

（2）给GPS天线、地震计、台站路由器等设备安装专用避雷器。提高防雷意识，安装的避雷设备必须要有品牌，有自主知识产权的产品。

（3）在没有必要安装避雷针的台站，尽量不要使用避雷针，在摆房和观测室上安装避雷带。

（4）GPS天线在保证接收信号的基础上，越矮越好，安装位置一定要低于避雷带。在有避雷针的台站，GPS天线一定要置于避雷针的保护范围内。

（5）台站使用的直流供电电源，在条件允许的情况下，尽量使用带有隔离供电模式的电源。