数字化地震监测仪器防雷改造研究

郑水军　邓金　张印爱　张才剑

摘 要：2010年以来，信宜地震台数字化地震监测仪器多次遭受雷击，为了防止雷击，人们应积极采取应对措施。研究表明，在雷击危害较大的地区，日常可以采用太阳能光伏系统供电，遭遇连续阴雨天时，利用可遠程控制的市电给蓄电池组充电，给地震仪器等直流负载供电，以有效解决设备遭受雷击的问题，提高地震观测数据的连续率。

关键词：数字化;地震监测仪器;防雷改造;太阳能光伏系统;直流负载

中图分类号：P315.62 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0049-03

Research on Lightning Protection Reform of Digital Seismic

Monitoring Instrument

ZHENG Shuijun1 DENG Jin2 ZHANG Yin'ai1 ZHANG Caijian1

（1. Xinyi Seismograghic Station，Maoming Guangdong 525300;2. Guangdong Seismological Bureau，Guangzhou Guangdong 510070）

Abstract： Since 2010， the Xinyi Seismic Station digital seismic monitoring instrument has suffered lightning strikes for many times. In order to prevent lightning strikes， people should actively take countermeasures. Studies have shown that solar photovoltaic systems can be used daily for power supply  in areas with high lightning damage. In the case of continuous rainy days， the battery pack can be charged by the remotely controlled mains to supply power to the DC load such as seismic instruments to effectively solve the problem of lightning strikes on the equipment and improve the continuous rate of seismic observation data.

Keywords： digitalization;seismic monitoring instrument;lightning protection reform;solar photovoltaic system;DC load

信宜地震台属国家基本地震台站，是广东省地震局的下属单位，也是粤西地区重要的综合地震台，该台的数字化地震监测仪器以地球物理场观测为主，包括VS垂直摆倾斜仪、LN-3A数字水位仪、SZW-1A数字式温度计、WYY-1气象三要素观测仪、RZB-2分量式钻孔应变仪和TJ-2体积式钻孔应变仪等，观测数据连续完整可靠，仪器出厂时均采用交直流转换（AC—DC）的方式供电。由于信宜地震台地处雷区，这些仪器每年在雷雨多发期经常被感应雷击损坏，造成停测，严重影响观测数据的连续率[1]。为解决仪器遭受雷击问题，提高地震观测数据的连续率，从2012年开始，人们分别采用人工切换开关、安装防雷器、安装太阳能光伏供电系统和在太阳能光伏供电系统上加装可远程控制的补充充电装置等方式对仪器供电系统进行改造。通过总结和分析，笔者认为，日常采用太阳能光伏系统供电、遇连续阴雨天时通过市电给蓄电池组补充充电的方式给数字化地震监测仪器供电，是一种较优的方案。信宜地震台的仪器在防雷改造完成后未再发生因雷击造成停测的现象，地震观测数据连续率得到保障。

1 仪器雷击事件统计分析

1.1 仪器雷击故障统计

据统计，2010年8月至2018年6月，信宜地震台的数字化地震监测仪器因雷击多次发生故障，如表1所示，6台（套）仪器共计发生雷击事件16次，这些雷击事件总计造成仪器停测时间达507d，综合数据连续率为82.5%。可见雷击事件对信宜地震台数字化地震监测仪器产出连续完整的观测数据影响很大。

1.2 雷击故障原因分析

为了解决信宜地震台仪器雷击故障造成的观测数据连续率过低问题，笔者对观测环境和因雷击故障的仪器进行认真检查和分析。一是信宜地震台的仪器集中安装在业务楼二楼机房，业务楼在建造时按观测规范要求进行了防雷设计并通过防雷部门的验收，并且每年都定期进行防雷地网接地电阻检测，接地良好（接地电阻小于4Ω），同时仪器地网与防雷地网为独立布设且间隔合理，可排除因地网连接不合理而造成仪器遭受雷击的情况[2，3]。二是通过对遭受雷击故障仪器进行拆机检查，发现因直击雷造成的仪器损坏情况很少，多为通过交流供电线路感应雷电而使仪器遭受损坏。因此，笔者认为防止感应雷电通过交流供电线路损坏仪器应该是防雷改造的主攻方向。

2 仪器防雷击改造

信宜地震台数字化监测仪器在未进行防雷改造时的供电示意图如图1所示，仪器用电主要为交流电加UPS电源模式。为了解决遭受雷击造成故障而影响数据连续率的问题，结合上述雷击故障原因分析，从2012年开始，笔者在交流供电线路上先后采取三种改造方案尝试解决仪器遭受雷击的问题。

2.1 安装手动防雷开关

2012年3月，为了快速解决仪器遭受雷击的问题，笔者在交流电接到UPS电源之前安装一个手动开关，并且信宜地震台规定值班员在每年5—8月的雷雨季节要加强值班，雷暴前要主动断开交流电，采用UPS电源直接给仪器供电，在雷暴过后再接上交流电。这种方案实施了2年左右，白天仪器设备被雷击损坏基本可以避免，但夜间值班员休息时仍旧发生了3次雷击损坏仪器的情况。地震仪器供电线路安装手动防雷开关如图2所示。

2.2 安装防雷器加手动开关

为克服3.1方案的弊端，2014年4月，笔者在手动防雷開关之前加装一个防雷器，该防雷器在感应到雷电（高压）时能够自动断开，并在断开1min后自动合上。为达到较好的防雷效果，值班人员要在白天雷暴前主动断开交流电。该方案实施后，起初效果较好，仪器被雷击损坏的次数确实减少（2014年全年未发生仪器因雷击损坏情况），部分仪器的综合运行率达到了上级要求的98%。但随着时间推移，从2015年开始，又陆续发生仪器因雷击而损坏造成停测的现象，特别是2016年8月25日的强雷击使信宜地震台的数字化地震监测仪器几乎全部损坏，严重影响观测数据连续率。地震仪器供电线路安装防雷器及手动开关如图3所示。

2.3 安装太阳能光伏供电系统加远程控制开关

经过2016年8月25日几乎全部仪器被雷击损坏的惨痛教训之后，2017年2月，笔者决定从仪器供电模式上想办法解决雷击问题，放弃交流电加UPS电源供电模式，利用太阳能光伏供电系统给仪器供电。改造后，将太阳能电池板安装在日照良好的天台上，加装了太阳能光伏控制器和蓄电池组。考虑到南方时有连续阴雨天而日照不足的情况，为了保证仪器的供电充足，信宜地震台安装了带有隔离功能的AD-DC充电模块以供蓄电池组补充充电之需，同时，为便于管理，交流电和AC-DC充电模块之间安装了可远程控制的GPRS空气开关，能够实现在蓄电池需要充电时（特别是夜间）远程合闸，人们还能通过手机安装专用APP及时掌握仪器机房当前是否有交流电。通过此次防雷改造，信宜地震台所有数字化地震监测仪器均采用太阳能光伏系统供电，仪器与交流供电线路完全隔绝，达到了很好的防雷击效果，仪器运行率也大为提高，除新换的RZB-2型分量式钻孔应力仪因电源接口不匹配，只能采用交流供电，造成2018年6月20日因雷击损坏探头而数据异常外，其余仪器截至2019年5月底未再发生雷击事件，综合运行率均超过98%。地震仪器安装太阳能光伏供电系统和远程控制开关的改造示意图如图4所示。

3 结语

信宜地震台所处区域每年5—8月雷击危害较为严重，地球物理场等数字化地震监测仪器受雷击事件影响较大，需要采取有效措施防患雷击危害。综合上述三种防雷改造方案分析来看，第一种方案虽然直接有效，而且最省钱，但不够人性化，夜间值班人员在雷暴时无法及时断电，仪器防雷击现象无法杜绝;第二种方案花钱不多，也能取得一定的防雷效果，但需要在防雷器的性能指标上精心挑选，才能达到较好的防雷效果，否则也无法保证仪器的安全运行;第三种方案虽然花钱较多，但完全隔绝了外部交流供电线路引入的感应雷电，大大减轻了雷击事件对仪器的破坏，可为同处雷区的同类型地震台站的仪器安全供电提供参考。需要注意的是，日常需要加强对蓄电池组的维护、保养和定期更换。

参考文献：

[1]韩进，宋澄.遥测地震台站的防雷思考[J].地震地磁观测与研究，2011（1）：109-112.

[2]中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范[M].北京：地震出版社，2001.

[3]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010[S].北京：中国标准出版社，2010.