山西数字测震台站雷击原因分析及防护措施研究

高伟亮，高跃雄，吕 睿，郑树平，李 云

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000；3.山西省地震局长治中心地震台，山西 长治 046000；4.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

山西省地处黄土高原多山地区，雷电较多。近年来，随着地震科技的发展，数字化观测对测震观测设备的雷电防护提出了更高的要求，若遭受雷电袭击，轻者出现数据干扰，重者使测震观测设备遭受不同程度的损坏，甚至使观测系统陷于瘫痪。目前，山西省“十五”地震台站投入运行已有多年，各台站的防雷设施已不同程度损坏或失效。限于当时技术和经费制约，一些台站仪器的综合防雷工作不够完善，时常出现因雷电造成仪器设备损坏事故。多个台站已经发生多次雷击损坏测震设备的事件，造成了不同程度的经济损失，而且严重影响台站仪器的正常工作和资料数据产出，因此，台站综合防雷亟待升级改造。

1 测震台站的防雷技术简述

（1）现代防雷技术要点。

现代防雷技术强调全方位防护、综合治理、层层设防。台站的防雷是一种系统工程，必须贯彻整体防护思想，综合运用分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地和保护（箝位）等各项技术，构成一个完整的防护体系，才能取得明显的效果［1］。

（2）直接雷击。

直击雷指测震台站的上方有带电云层在对大地放电，凡是雷电直击地区都会产生高电压、大电流。遭受直击雷的概率很小，但其危害很大，不仅危及仪器设备，也危及人身、建筑安全。直接雷击的主要破坏对象是：建筑物、野外工作台站、野外配电线路等。直击雷只发生在雷云对地闪击时，才会对地面造成灾害，是一次只能击毁一至两处小范围内的目标［2］。

（3）感应雷击。

雷电通过电力线、信号线、传输线、GPS天线等与台站各种供电设备、弱电设备相连的各种引入线缆遭受直击雷或感应雷电流沿线侵入，感应出很高的电压，进入观测系统而造成设备损坏。据估测，雷电对测震观测系统的危害，绝大部分是由感应雷引起，极少数是由直击雷造成的，直击雷造成的损失仅占百分之几。感应雷灾害约有70%是由电源进线，其次是从传输线、信号线、通信线进入，还有一部分是因为地线未接好而出现的感应高压反击造成。

2 测震观测台站雷击原因分析

观测台站高端电子器件设备不断地出现，雷电，尤其是闪电感应，经常影响着这些极端灵敏的电子器件设备，高精密的电子设备含大量的半导体集成模块，由于半导体集成模块不能受过电压和过电流冲击，因此，使用这些器件的仪器设备和由此组成的系统或网络，均易受波动较大电压、强电磁干扰的危害，无法保证在特定的空间里遭受雷击，但仍能安全运行。

（1）地震台选址原因。根据雷击发生有地域性的特点，测震观测台站建筑物较矮，易遭雷击。测震观测台站一般在半山坡选址，大部分地震台附近有河或者水库。地震台址一般属于典型的迎风、背山、面水的地形特征，从雷电理论可知，该地形很容易落雷［3］。

（2）地震台周边一般没有高大建筑物。测震台站都建在比较偏的地方，周边没有高大建筑，自身建筑物很低，而落雷时接闪点一般都很低，因此，人感觉到雷击就在自己的头上或身边［3］。

（3）地震台址属于土壤电阻率突变区，落雷几率大。地震台附近布设多种导线，落雷几率比周围大很多。地震台依山而建，地势较高，土壤层较薄，位于山坡和平底交界地带，属于土壤电阻率有突变的地点，雷电先导在放电过程中，土壤中的先导电流会沿着电阻率较小的路径流通，是台站易遭受雷击的主要原因之一。

（4）电源线路架空引入。由于雷电对架空线路的作用，所产生的闪电电流沿着架空电线将高电位引入观测室内，是观测设备被雷击的原因。

（5）有的台站没有设置直击雷防护措施且无接地装置。

（6）接地系统年久失修，接地体严重生锈、老化，接地电阻普遍超标（应该＜4Ω），有的超标非常严重，达到数十欧姆。接地极距离测震接地体过近，因雷击产生不等电位体，感应电位梯度过大，雷电作用反击造成破坏。

（7）台站仪器在不同时段安装改造，未做统筹安排，电源接线分布混乱，强、弱电未分离，缺乏系统的综合防护，容易造成电磁信号感应。

（8）配电系统是雷电灾害的重灾区。供配电系统未接地且未设置电流保护器防护，未达到目前国家防雷相关规范的三级防雷要求。

（9）未做信号防雷。近年来，大量新建的测震观测台站仪器设备和通信设备的信号防雷欠缺，也是主要的防雷隐患之一，导致不少台站仪器设备损坏不能工作。如，台站GPS信号系统设备遭雷击损坏，监测设备不能自动校对时间。

经过多年的研究分析，总结出雷击对地震台仪器与信息系统危害的几种表现形式为：

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传输系统设备。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（高达几千伏）远超过设备的接口耐压，仪器设备也会因此而损坏。

②加速设备老化。雷击过电压或雷击电磁场加速地震仪器与信息系统设备老化。雷击直接损坏设备是可见的，但设备的老化看不见，只是某些性能下降，地震信号数据丢失和软件程序损坏等。

③数据丢失。雷击过电压可能干扰地震仪器的正常工作，造成观测数据失真或丢失，严重影响地震监测。

3 现场检测情况

为掌握山西测震台站防雷系统的现状，从山西测震台网中选取11个测震观测台站，按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057－2010）及相关规范要求，山西省雷电防护监测中心技术人员对台站防雷装置的情况进行现场检测。使用4102A接地电阻测试仪和K3690等电位测试仪，对选取的11个测震观测台站的防雷装置进行检测。检测结果如表1所示。

表1 山西测震台站防雷装置检测结果表Table.1 Test results of devices for protecting seismic stations of Shanxi Province from lightning

从表1看出，将近3／4台站的接地电阻超标，其中娄烦地震台的接地电阻达到15Ω。

通过防雷装置检测报告，发现测震观测台站普遍存在如下问题：

（1）供电线缆采用架空线路，未采取屏蔽措施。

（2）所有的台站未安装信号防雷装置。

（3）部分测震台站，没有按照两级电源避雷设计。

（4）光缆终端盒、光缆加强芯接地阻值超标。

（5）电池柜、机柜、配电柜接地阻值超标。

部分测震台站还存在如下问题（见表2）。

表2 测震观测台站勘察实况表Table.2 Investigation of seismic stations

4 山西省数字测震台站雷击灾害及防雷系统建设建议

4.1 台站雷击灾害情况

表3为山西省数字测震台站“十五”仪器架设之后，遭受雷击情况的统计表。虽然在台站建设时是按照上述的区域防雷、电源进线防雷、通信传输线防雷、传感器引线防雷等四方面的技术进行设计和实施，但仍有部分台站的仪器遭受雷击。从表3可以看出，被雷击破坏的仪器主要有数据采集器、GPS天线、智能电源、通信设备等。

4.2 台站防雷系统建设建议

一个完整的防雷系统应该包括直接雷击的防护（外部防雷）和感应雷击的防护（内部防雷）两个方面，缺一不可，否则会有潜在危险。现代综合防雷体系的构成如第39页图1所示。

4.2.1 测震观测台站内部防雷措施

一般来说，直击雷击中地震观测台站仪器设备的可能性很小。地震观测站内部仪器设备出现故障的情况大多数是由于闪电感应的影响，内部防雷系统主要是保护建筑物内易受过电压破坏的设备。如，观测设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作，泄放能量，从而保护设备免受损坏。

表3 山西省2012－2013年测震观测台站雷击情况统计表Table.3 Seismic stations struck by lightning from 2012to 2013in Shanxi Province

图1 现代综合防雷体系构成Fig.1 Structure of modern integrated system for protection from lightning

（1）电源防雷系统。

电源部分的防雷及过电压保护是整个防护系统的重点和难点。当雷击测震观测台站时，强大的雷电流及其高强度瞬变电磁场对周围导体产生过电压，绝大多数的雷害都是因为这类二次感应而造成。电源防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对观测设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压，或因更大的雷电流在击毁避雷器后，继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，应采取分级保护、逐级泄流的原则。对测震观测台站供电系统分别安装一级、二级、三级电源避雷器。多级布置避雷器可减小引线电感带来的额外残压，因前级避雷器已将大部分雷电流泄放入地，在后级的避雷器只泄放少部分雷电流，雷电流的减小必然导致引线上的附加残压减小。为保证避雷器由前到后顺序泄放，避雷器的动作电压应是后级不低于前级。避雷器之间的电力电缆长度不小于15m。如果两者间距不够，可选用电感退耦线圈，这样可以避免二级电源避雷器首先遭受雷击而损坏［1］。之后，在所有重要的观测仪器主机前端进行稳压，安装交流参数电源稳压器，其环境适应能力及稳定可靠性能最高，可以大大减小雷击的可能性。

（2）信号防雷系统。

由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此，要求通信设备（光端机、协转、GPS天线等）能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分通信设备由于电子元器件的高度集成化而导致耐过压、耐过流水平下降，通信设备在雷电波冲击下遭受过电压而损坏的现象越来越多，其后果可能造成整个通信系统的运行中断，因此，必须在网络通信口处加装必要的防雷保护装置，以确保网络通信系统的安全运行。原则上，应尽量缩短这些引线，使数据采集器与地震计尽可能靠近。GPS天线安装GPS避雷器，在能保证通信质量的前提下，天线尽量低，馈线应越短越好，以减少感应雷害［1］。

（3）防雷等电位连接。

对进入室内的通讯和电缆金属（屏蔽）护套等进行等电位连接，以减少设备与设备之间的因雷电产生的电位差。将数据采集器、传感器和其他设备装置等金属外壳和电缆的外层做等电位连接，与观测房避雷铜排连接在一起，并与观测室内接地母线排做可靠电气连接；低压架空电源线均改成一段埋地长度25m金属铠装电缆穿钢管直接埋地引入，金属管两端均做接地处理，使得电源线或信号线与其附近金属管道之间不会出现较大的暂态电位差。

（4）屏蔽措施。

为降低感应雷可能对摆房设备带来的危害，可在部分台站的摆房采取屏蔽措施。在摆房内部采用金属龙骨进行吊顶和四周墙面装饰，中间填充保温材料，金属龙骨多点接地。在防雷实验研究中，为进一步减轻雷击灾害可能带来的损失，可在台站安装架设L－21型雷电预警设备，摸索防御雷击事故的有效防护措施。

4.2.2 测震台站外部防雷措施

外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防护直击雷，是防雷技术的主要组成部分，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线和接地体。对各台站原有的旧避雷针必须检查设置是否合理，接闪器、下引线是否连接完好，尤其是接地电阻必须合格，否则会起反作用。

（1）接闪器。

测震台站外部防雷措施，沿观测室屋顶周边、屋角、屋脊和檐角等易受雷击部位采用Φ12镀锌圆钢敷设接闪带，整个观测室采用法拉第笼的形式，可以对雷电空间磁场起到初级屏蔽保护作用。发生落雷雷击时，大量电流会向四周散开，对付落雷最有效、最传统、最广泛的手段就是避雷针。避雷针是一种将雷电引向自身并泄入大地，使被保护物免遭直接雷击的针形防雷装置。

（2）引下线。

设4根专用引下线，引下线采用Φ12镀锌圆钢明敷，垂直间距不大于1m，在各引下线距地面0.3m～1.8m处装设断接卡。在屋顶边框上多处焊接圆钢或扁铁引下线接大地（圆钢直径≥10mm，扁钢截面为40，厚度为4mm），引下线要短、松、无直角和固定。

（3）接地装置。

测震观测台站采用人工接地体，由于观测站周围土质较差，土壤层较薄，位于山坡和平底交界地带，人工接地体敷设在离观测室15m左右的池塘边，接地体采用铜包钢材料，垂直接地体的长度达到12m，水平接地体的间距4m～5m左右。

（4）防雷接地。

为把雷电流迅速导入大地，以防止雷害为目的的接地叫防雷接地。台站的各层顶板、底板、侧墙、吊顶内几乎被各种线布满。这些电子设备及布线系统一般均属于耐压等级低，防干扰要求高，最怕遭受雷击的部分。雷电造成的直击、串击、反击，都会使电子设备受到不同程度的损坏或严重干扰。因此，对台站的防雷应按一级防雷建筑物的保护措施设计，与台站柱头钢筋作电气连接，引下线利用柱头中钢筋、圈梁钢筋、楼层钢筋与防雷系统连接，外墙面所有金属构件也应与防雷系统连接，柱头钢筋与接地体连接，组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系。不仅可以有效防止雷击损坏台站内设备，而且还能防止外来的电磁干扰。接地是个比较复杂的问题，是避雷技术中最重要的环节，直击雷、感应雷，最终都是把雷电流送入大地，因此，必须有合理而良好的接地装置。

（5）共用接地。

共用接地可避免高电位差产生的击穿问题，但必须注意地网要做好而且还要注意连接的方法。共用接地的主体应为：台站的主要金属构件和进入建筑物的金属管道；供电线路含外露可导电部分；防雷装置；由电子设备构成的信息系统。机房内设备（含电源避雷器、信号避雷器）宜选用单点接地方式实现等电位连接。如果采用“一点接地法”，把各系统的接地线接到接地母线同一点或同一金属平面上，可使各系统的接地线处于等电位而消除了干扰；机房内的电力电缆（线）、通信电缆（线）宜尽量选用屏蔽电缆；使用长于30m，埋地＞0.8m的铠装电力电缆将220V电力线引入观测室、仪器房、山洞口等，并做好接地处理；架空电力线由终端电杆引下后，更换为屏蔽电缆，非屏蔽电缆应穿镀锌铁管，铁管两端接地。对台站的观测房、山洞口等可采用环形接地，利用基础接地体、法拉第笼（网）等接地连接方法。

接地的一个关键问题是接地系统的施工，必须按照有关规定和要求实施，才能得到预期的效果。接地系统施工完毕，必须进行测试，其标准是接地电阻一般小于4Ω。此外，接地系统还要定期进行维护和修理。

（6）接地电阻。

衡量一个接地体质量最重要的指标是接地电阻。从防雷的要求看，接地装置的接地电阻愈小愈好，但必须考虑经济性及合理性，所以，对不同的防雷对象，规定不同的接地电阻值。避雷针（避雷带、避雷网）的接地电阻应小于10Ω，避雷器的接地电阻应小于4Ω。如果台站处于高电阻率区域（如山坡、岩石、砂岩），可以用以下几种方法来降低接地电阻。

① 加大接地体的尺寸，做成接地网状；

② 增加埋设深度；

③ 换土法。即，把接地体周围区域的表层高电阻率的土壤挖去，再填充低电阻率的土壤（如黏土，黑土）；

④土壤做化学处理。第一种是用盐类物质（或木炭、炉灰、石灰等），被土壤吸收后产生很多导电离子，但易流失；第二种是用化学凝胶，即降阻剂（可订购或配制）；

⑤ 污水引入（无腐蚀性，用钢管钻孔渗入）。

5 防雷系统运行维护

良好的运行维护是观测系统正常运行的重要保证。要定期对防雷系统进行维护，通过维护，可以将隐患消除在萌芽状态，以延长系统的使用寿命。

（1）每年雷雨季节前，应对运行中的防雷器利用元件测试仪进行一次检测；雷雨季节中，要加强外部巡视，发现防雷模块显示窗口出现红色及时处理。

（2）每年雷雨季节前，应对接地系统进行检查和维护。主要检查连接处是否紧固，接触是否良好，接地引下线有无锈蚀，接地体附近地面有无异常，必要时应挖开地面，抽查地下隐蔽部分锈蚀情况，如果发现问题，应及时处理。

（3）每次打雷后，都应检查避雷元器件有无损坏、发黑、有无焦糊味，器件部位是否清洁、有无霉丝、昆虫等，及时更换有问题的部件［2］。

（4）接地网的接地电阻应每年进行一次测量。测量接地电阻，做好记录，并与上次结果对比，发现问题及时处理。要多留照片，注意前后对比。定期检查外线路，包括：供电系统、避雷接地系统、天线、信号线、信号配接箱、外设等，打雷、刮大风、下大雨等异常天气后，要认真检查，发现问题及时解决。

（5）提高防雷意识，采取有效的技术和产品，加强防雷措施。

（6）发现雷击故障及时跟踪分析，查找原因，确定解决办法。

6 结语

雷击对观测仪器的危害最大，由于雷电的随机性很强，对雷击的防范要有长期性。为全面控制雷电对地震台站的危害，必须在综合分析直接雷击和感应雷击的基础上，从建筑物、电源、信号线等对象的雷电防护及有效的连接和接地等方面进行综合考虑，才能达到理想的防雷效果。就目前来讲，防雷器只是针对某一具体环境的相对防雷，而非适用于任何雷电环境。测震观测台站在建设过程中，应该同步做好雷电防护措施，保证雷电防护措施达到地震观测台站的要求。防雷装置应该做好周期性和日常性维护，每年在雷雨季节到来之前，需对各项防雷设施进行全面检测，对于不符合设计要求的，应及时更换并采取相应措施。通过一系列的防范措施，把雷电的危害降到最低，以保障地震观测资料安全、连续地产出。

［1］邹振轩.地震观测中的防雷技术［J］.地震地磁观测与研究，2005，26（1）：106－110.

［2］曾宪军，于林民，陈 俊，等.蒙城地震台避雷系统改造［J］.地震地磁观测与研究，2009，30（6）：92－98.

［3］钟卫星，寿海涛，姚保华，等.佘山地震台防雷技术研究与应用［J］.地震地磁观测与研究，2009，30（4）：103－109.