江苏省数字地震台站防雷改造工程效果分析

瞿 旻，居海华， 戴 波， 王 俊， 卢 永

(江苏省地震局，江苏 南京 210014）

0 引言

雷害是常见的自然灾害之一，而江苏位于长江中下游，每年的雷雨季节，地震台站的数字化观测设备都不同程度受到雷击影响，造成观测中断和仪器设备的损坏。据统计，自2007年以来，我省地震台站每年至少遭受一次雷击影响，有的台站可高达三次以上，雷害已成为影响数字化观测的最主要因素。2010年，我省根据中国地震局部署对11个省属台进行了防雷改造，起到较好的效果，但也有个别台站没有收到预期效果。文章总结了我省2010年省属台站防雷改造工作中的得失，对做好今后的防雷工作，保证观测技术系统正常运行、产出连续稳定可靠的数据、以及减少损失，有重要意义。

1 雷电对地震台站的危害

雷电是自然灾害的一种，按照危害方式可分为直击雷危害和感应雷危害，其中感应雷危害主要以过电压、过电流的形式危害电气设备。对地震台站造成危害的主要是感应雷。感应雷可沿电力供电线路、通信传输线、架空或未埋地的信号传输线进入台站，造成仪器设备的损坏。雷电有两个放电参数：①起主要破坏作用的雷电流，常达到几十到200余千安，作业时间极短；②雷电流的上升速度称为陡度，数值约为i=80×103A/μs。而通常一次雷电就包括了3～4次放电。

根据中国地震局2011年防雷技术培训会议的调研报告，江苏地区每年6月份进入梅雨季节，至9月夏季结束有100天以上处于雷害高发期。自2007年以来，江苏省各台站每年至少遭受一次雷击损害事件，有些台站甚至达到每年三次以上，雷击事故已成为影响数字化观测稳定性的最主要原因之一。2007～2009年期间，江苏局38个地震观测台站受雷害133次，高居各省之首。

2 防雷改造采取的措施

2010年在中国局的部署下，江苏省根据防雷改造工作的要求对所属11个专业台站的进行了相关改造，工作主要包括：

（1）台站接地改造。检查台站原有接地指标是否达到中国地震局监测预报司 《地震台站观测系统布线及防雷技术要求》的标准。①中国地震局监测预报司.地震台站观测系统布线及防雷要求，2010.检查台站有几个地网，地网阻值应小于4Ω，当不同地网间隔小于20 m时，地网应相互连接形成共同接地；②检查机房、观测室内是否有接地排；③检查接地工艺，地线的横截面积以及连接方式是否达到《地震台站观测系统布线及防雷技术要求》的标准。对未达到要求的台站进行针对性的改造。台站避雷在观测楼建筑避雷基础上，采用共用接地方式，将建筑物基础地、仪器设备地、电源地、等共用一个地网①，如图1所示。

（2）台站配电系统避雷。实施多级避雷，即台站总配电（380V）安装B级避雷器，各220V配电箱处安装C级避雷器，所有台站的仪器和计算机等电子设备都接在D级避雷器（防雷插座）上。每一级避雷器都就近接在接地排上，如图2所示。

（3）台站观测系统避雷。主要包括地震观测设备的信号避雷、通信设备避雷。信号避雷即在数字观测仪器探头与主机（近仪器端）安装信号避雷器，将其串联在线路中，并就近接地。通信避雷主要有：在屋内电话线进入电话或MODEM之前，串联安装电话线避雷器；将室外的网络线、RS232通信线路等改造为光纤传输，由于光信号对雷电有很好的隔离效果，可以起到避雷作用。

（4）布线清理。主要包括机柜内仪器的强电、弱电线路分离，避免雷击时相互干扰[1]。弱电线路如通信线路、信号线路在室外铺设时需与配电线路分开，平行距离0.5 m以上；在山洞内应与配电线路分开铺设，平行距离0.5 m以上；在室内，通信线路应距外墙1 m以上，距离配电线路的平行距离0.5 m以上。

图1 地震台站共用接地方式Fig 1 Map of the shared grounding mode of the seismic stations

图2 地震台站多级避雷布局Fig 2 Map of the layout of the seismic stations'multi-stage lightning

3 防雷改造取得的效果与欠缺之处

3.1 防雷改造取得的效果

对比防雷改造前后2年，11个省属台站观测仪器受雷害的次数大大降低。表1将11个台站按观测手段统计防雷改造前自2009年开始，至2012年年底受雷害的影响情况。

对比表中可以发现，自防雷改造后，原先受雷害影响的观测手段大部分不再受雷害影响，只有南京台地电场、常熟台山洞的伸缩仪水管仪、以及南通台体应变、气象三要素遭雷击。

对取得较好防雷效果的观测手段进行分析，无锡台的FHD仪器所在的磁房和观测楼之间直线距离约200 m，改造前采用485总线通信方式，由于通讯线缆太长，存在引雷的隐患。在表1中可以看到在改造前该套设备通讯单元易遭雷击，可以初步判断感应雷由485总线通信线缆进入观测系统损坏仪器。将485总线通信方式改为光纤通信后，仪器未遭雷击。

表1 十一个地震台站防雷改造前后雷害影响统计Table1 Thestatisticsoflightningeffectsbeforeandafterthelightningprotectionalterationintheseismicstations

淮安台、新沂台、溧阳台的防雷改造工作都对供电系统进行了多级避雷，淮安台FHD仪器主机与线圈之间安装了信号避雷器，新沂台地电场仪主机与探头间安装了信号避雷器，溧阳台体应变辅助气压水位传感器与主机间安装了信号避雷器，改造至今仪器未遭雷击。

常熟台山洞自防雷改造后在2011年又遭受一次雷击，经分析后认为存在以下隐患：原通信方式虽然改为光纤通信，但山洞内保留了一部电话，感应雷可能由电话线进入[2]；此外由于山洞构造，地线很难达到标准。此后做了针对性的改造：去掉电话通信，与台站间完全采用光纤通信；对山洞内地线再改造，通过添加降阻剂等方式，使地线达到小于4 Ω的标准。改造后工作如图4。

图3 无锡台FHD通信方式改造Fig.3 Map of the transformation of communication mode of Wuxi station

图4 常熟台山洞防雷措施的改进Fig.4 Map of improvement of lightning protection measures of the Changshu station

经2011年剩余雷雨季节以及2012年雷雨季节的考验，事实证明常熟台山洞的针对性二次改造起到了很好的避雷效果。

其余台站的观测手段在经历了2011、2012年雷雨季节后，未发生过观测系统遭雷击的情况，可以说防雷改造起到了很好的效果。

3.2 防雷改造存在的不足

尽管11个台站的防雷改造取得了比较好的效果。但也出现了南通台气象雷击几乎造成前兆仪器全部损坏的案例。

根据现场调查分析，2011年8月11日南通台雷害发生后，台站的陆态网观测系统、测震观测系统、强震观测系统未损坏，但前兆观测系统均受到较严重的损坏。对比后，认为存在以下易导致雷击的隐患：

（1）前兆仪器传感器与主机间距离较远。如图5俯面图所示：陆态网传感器与主机均在观测楼以内，测震井口与观测楼直线距离为12 m，前兆体应变井口与观测楼之间直线距离在25 m左右，气象三要素的传感器与观测楼直线距离为30 m。铺设的线缆由于要走直角铺至观测楼二楼，因此铺设的线缆实际长度要远大于传感器与观测楼的直线距离，感应雷进入观测系统的概率大大增加。

（2）信号线的埋地与屏蔽层。从图5的侧面图中可以看出，体应变探头线缆穿钢管埋地20 cm，与规范要求的50 cm有差距。此外，体应变信号线缆虽然穿管，但信号线缆的屏蔽层与钢管、观测楼地线、井口没有连接共地，而气象三要素的信号线屏蔽层很薄，避雷效果会打很大的折扣。一旦遇到能量较强的感应雷，仅依靠主机一端的信号避雷器，很难快速的将感应雷电泄放掉，从而造成主机及探头的损坏。

反观陆态网仪器通信线缆外壁为加厚的铜管，屏蔽层与线缆外壁、避雷器共地连接，避雷效果非常理想。测震井下地震计线缆采用铠装线缆接地，数据采集器端信号避雷器接地，在实际应用中取得了较好的防雷效果。

图5 南通地震台观测井布局Fig.5 Map of the layout of observation wells in Changshu station's

（3）体应变仪器自身的设计。被雷击损坏的体应变探头有2个，即主探头和备用探头。探头与主机之间有一个信号放大控制盒。在雷击后打开该控制盒检查发现，主探头与备用探头之间共地。在之前信号线屏蔽接地不到位、无法快速泄放感应雷电的情况下，感应雷将沿着2个探头的线号线地线反向击坏体应变探头。

通过以上的分析，认为防雷改造工作中的信号线屏蔽保护以及综合布线的规范设计将是目前工作中较易忽视的环节，也是导致防雷效果打折扣的主要原因。

4 总结

由于雷电危害方式的多样性和特点，没有一种产品或技术可以保证百分百的成功防护雷害。根据雷电防护的知识，并结合江苏省数字化地震观测台站的特点，认识到防雷是一项系统工程[3]。需要从接地、配电系统、观测系统、通信系统、综合布线各个方面进行系统全面的考虑。并结合台站雷害的特点来综合规划。实际工作中，要特别注重信号线屏蔽保护以及综合布线等较容易被忽视的环节。

另一方面，由于很多台站已建成了十多年，台站布局方式各异，观测手段不尽相同，因此受雷害的影响也有各自特点。在今后的数字化地震台站防雷工作中，只有针对不同台站和不同数字化观测手段做特定的防护措施，才能达到理想的防雷效果。

[1]黄锡定，梁焕贞.地震台站应用防雷技术探讨[J].地震地磁观测与研究，2007，28(5)：35-42.

[2]张世民，李建章，彭玉柱.一种防范雷电灾害的方法[J].防灾科技学院学报.2006，8（4）：51-53.

[3]王峰.海拉尔地震台综合防雷措施的探讨[J].地震地磁观测与研究，2005，26(Suppl)：158-162.