水管仪和洞体应变仪雷击差异情况分析及解决方法

王 欣，顾 娜，崔政东，薛 伟，戴 瑾

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

雷击已经成为影响台站仪器长期稳定和造成设备损坏的重要因素之一。每年开春雷雨季节，仪器频繁被击坏，对于形变观测的两种主要仪器伸缩仪和水管仪也未能幸免。尤其伸缩仪器的前置放大盒，被击坏的频率最高。铁岭龙首山形变观测站每年更换伸缩仪东西分量前置放大盒不少于10 次，严重影响仪器运行的连续率，同时也影响年度的评比情况。同槽体同侧项的水管仪基本不受雷击。本文将从山洞观测背景、水管仪前置放大盒和伸缩仪前置放大盒供电情况、传感器采集情况等多方面分析雷击故障，对比两套仪器受雷击的差异。

通过两套仪器前置盒雷击对比，可以判断导致仪器雷击故障的瞬时大电流方向是不同的。伸缩仪器前端是31.1 m 的金属铟瓦棒，当固定墩与测量墩之间距离变化时，在特定的环境下视基线长度不变，可动铁芯和线圈（差动变压器）之间的间距随之变化，位移传感器将此间距变化转换成电压变化，经过前置放大器，所以当发生雷电时金属铟瓦棒将感应雷产生的大电流，通过差动变压器传给前置放大盒，从而损坏前置盒前端放大芯片。如果雷击问题能够解决，不仅为分析预报提供连续可靠的数据，而且在年度的形变评比中取得好成绩，为分析预报提供连续可靠的数据。

1 铁岭龙首山形变山洞观测背景

铁岭龙首山形变观测山洞位于铁岭市银州区龙首山风景区内，所在区域位于辽宁省北部，松辽平原中段，附近地形：西部为辽河冲积、淤积平原区，东部为低山－丘陵区，位于阴山东西复杂构造带和新华夏系构造的交接部位，区域内较大规模断裂为NE 向铁岭—开原断裂，为郯庐断裂北延带的组成部分。洞室附近岩性单一，缺少其它时代的沉积岩层和较大岩浆体出露（图1）。观测洞室引洞宽1.2 m、高2 m，主洞宽2 m、高2 m，进深230 m，顶覆盖40 m左右，侧覆盖大于60 m，植被覆盖良好，海拔89.1 m，仪器墩基为震旦系混合花岗岩。洞室通道采用4 道玻璃钢密封门密封，观测室采用隔离塑钢密封，因房间小，且内部有大功率交流稳压设备，内部干燥。主洞洞温日变幅小于0.02℃，年变幅小于0.3 ℃，湿度小于92%，形变山洞的仪器墩基，为致密的花岗岩，并与基岩粘接牢固；虽离城区、铁路、高速公路较近，但干扰不明显。

图1 铁岭形变山洞地震地质概况Fig.1 The outline of seismogeology of deformation cave in Tieling

铁岭形变山洞主要自然干扰源来源于春季的5 级以上大风干扰和7 级以上的远震。另外就是数字化的前兆仪器受雷电干扰较重，经过多次有效的防雷技术改造，抗雷害的能力显著增强，但是雷击问题还没有避免。全年人为干扰源有仪器调零，仪器维修，标定系统维修等（表1）。

表1 铁岭形变山洞附近主要干扰源及干扰特征

2 水管仪、伸缩仪观测系统介绍

2001 年7 月，数字化水管仪和伸缩仪正式投入观测，占地面积约80 m2。经过十多年的运行，2014 年8 月在原址上对水管仪和伸缩仪进行升级改造安装。水管仪改造内容有，钵体、主机、数采和信号连接线，伸缩仪由于用吊丝悬吊的铟瓦棒稳定性较差，此次升级改造铟瓦棒基线并没有改变，这样会延续以前的稳定性。因此，只更换了主机和数采。

水管倾斜仪（DSQ）由主机和电子记录两大系统组成。主机系统由水钵主体、标定装置、管路系统组成。电子记录系统由差动变压器式位移传感器、标定遥测仪、DSQ 测微仪、数采仪组成。其观测原理是通过位移传感器将连通器两端水位垂直变化转为电压信号记录下来，送到测微仪处理后，再送到数采仪存储、调制，最后由计算机终端显示及整理（图2）[1]。

图2 DSQ 型水管倾斜仪基本工作原理示意图Fig.2 The schematic diagram of basic working principle of DSQ water pipe tiltmeter

铟瓦棒伸缩仪（SS-Y）系统构成与水管倾斜仪相似，只是主机系统和测微仪名称不同。伸缩仪（SS-Y）以线膨胀系数极小的含铌特种因瓦材料为基线，检定器（标定器）及相邻的框架安装于测量墩，固定座安装于固定墩，基线一端与固定座连接固定，其余由测量方向无阻力的悬吊系统托起。悬吊系统由框架及吊丝组成，每隔1.5 m 设立一个支墩，框架固定在支墩上。基线的另一端连接一个位移传感器。当固定墩与测量墩之间距离变化时，在特定的环境下视基线长度不变，可动铁芯和线圈（差动变压器）之间的间距随之变化，位移传感器将此间距变化转换成电压变化，经过前置放大器，由电缆传输至主机。由主机分送至数据采集器，再由数采通过交换机传连接网络，进行数据联网传输（图3）[1]。

图3 SS-Y 型伸缩应变仪基本工作原理示意图Fig.3 The SS-Y telescopic strain gauge basic working principle schematic diagram

3 铁岭形变山洞水管仪和伸缩仪雷击差异

3.1 洞室避雷接地网及防雷设施情况

在距洞口15 m 处，挖长5 m、宽0.5 m、深2 m 的地沟2 个，在地沟内埋入宽400 mm、厚4 mm 的镀锌扁钢焊制的接地网，浇灌0.5 吨降阻剂，经检测接地电阻8Ω 以上，不符合要求。之后，我们又向前延伸开挖，将接地网加长15 m，并每隔1 m 再向下钉入一根1 m 长的镀锌钢管，钢管与扁钢网焊接，然后浇灌1 吨降阻剂，使之成为一个接地良好的整体。接地网扁钢架及埋入降阻剂如图4 所示。经用ZC29-1型接地电阻测试仪实地初测，接地电阻为2Ω；2001 年6 月14 日实地复测，两个接地点的电阻分别为0.7Ω 和0.5Ω。

图4 接地网扁钢架及埋入降阻剂Fig.4 The grounding grid flat steel frame and embedded resistance reducing agent

观测洞室的防雷设备采用中国地震局地壳应力研究所生产的ZH-1 型单项交流电源避雷器。2001 年6 月26 日，又在电源避雷器前加设一道由北京爱劳高科技有限公司生产的DSOPⅡ-50-220 型配电系统过电压保护装置，用以加大防雷电袭击的保险系数。

2014 年对水管和伸缩仪进行升级改造，所有仪器信号和电源线路采用厂家标配的4 芯和5 芯屏蔽线，穿镀锌波纹管，进一步起到防感应电的作用。各仪器主机和前置放大器仍然串入以前使用的信号防雷器。

3.2 铁岭形变山洞雷电干扰情况

每逢雷雨季节铁岭龙首山形变观测山洞内的伸缩仪和水管仪经常遭受不同程度损坏，尤其伸缩仪的前置放大盒，被击坏的频率最高。每年更换伸缩仪器东西分量前置放大盒不少于10 次，严重影响仪器运行的连续率。相反在同槽体同侧向的水管仪几乎不受雷击。下面是水管仪和伸缩仪雷电干扰、故障对比曲线（图5）。

图5 水管仪和伸缩仪雷电干扰及故障图Fig.5 The lightning interference and fault diagram of water pipe meter and extensomete

3.3 铁岭龙首山形变观测山洞雷击情况分析

如果市电输入防雷措施不到位，会直接损害主机和数采，不仅影响数据的断记率，而且会增加维修费用。目前多数台站市电已经做了防雷，但是被击坏的概率仍然存在。主机将交流的市电变压整流成低压直流给前端放大盒直流供电，每年的雷雨季节前置放大盒被雷击坏是常态，所以本文讨论的重点也在于此。首先分析水管仪和伸缩仪器前置盒的电路构成，供电情况，电流走向，找出高概率击坏芯片，确定雷电引起的瞬间大电流是否从主机直流供电过来；其次，从前置盒内部电路图找出元器件故障部位，判断雷电引起的瞬间大电流入侵的方向（图6-7）。通过多次故障和对电路板检测，发现伸缩仪器损坏的128 放大芯片的过流来源于传感器端，而损坏水管前置盒的过流来源于主机供电端。

图6 伸缩仪前置放大盒Fig.6 The extensometer preamplifier box

4 故障原因及解决方法

对每个能引起雷击的环节逐步试验，首先，研究雷击区是否与地质结构有关，如果地面土壤电阻率的分布不均匀，则在电阻率特别小的地区，雷击的几率较大。地质环境是更改不了的，但是我们应该按照接地电阻小于4Ω 等要求进行供电防雷接地系统设计[2]。目前多数台站市电已经做防雷，但是被击坏的概率还是存在的，所以在市电输入外加双模块防雷。在UPS输出端与主机和数采并联一个低压电涌保护器，电涌保护器正常情况下，SPD 支路呈高阻状态，几乎没有电流流过，相当于开路。当瞬态过电压时，SPD 阻值会迅速降低，雷电流通过SPD支路对地释放，同时SPD 可将瞬态过电压限制到被保护设备可承受的范围之内，从而使设备得到保护（图8）。

图7 水管仪前置放大盒Fig.7 The water meter front amplifier box

图8 电涌保护器工作原理Fig.8 The working principle of surge protector

其次，把两套仪器前置盒直流供电端外加信号防雷器，防止过电压或过电流对前置放大盒造成损坏。通过上面层层防雷，完全可以将雷电拒之门外。但是伸缩前置放大盒还是经常被击坏，而水管基本不会被击坏。由此可推断，雷电引起的瞬间大电流来源于传感器端。

最后，对比伸缩仪器和水管仪器主体构造，不难发现，伸缩仪器主体是31.1 m 的金属铟瓦棒，所以当雷雨季节，尽管在每个环节都做了相应的防雷措施，伸缩前置放大盒还是会被频繁击坏。

5 结论

以铁岭龙首山形变山洞为例，已经针对上述情况采取了简单的措施。当雷电发生时，伸缩仪器金属铟瓦棒会在地面感应雷电，导致瞬间大电流流向传感器，从传感器进入前置放大盒，最终损坏前端放大芯片。

由于伸缩仪的铟瓦棒一端是固定在基岩上，所以想办法将此端接地，当感应到雷电时，及时将雷电流导入大地。铁岭龙首山形变观测站伸缩仪的铟瓦棒固定端在2021 年5 月份已经做了接地导流措施，今年的雷雨季节前端放大盒几乎没被雷击坏，前置放大盒雷击次数小于等于1，目前只是一处接地，多处接地是不是就可以完全防雷，是下一步要研究的问题。

当雷电发生时，31.1 m 长的金属铟瓦棒感应雷电，如果在传感器和伸缩仪器前置盒之间外加一块限流稳压模块，让平稳的采集信号通过前置盒，也可以将雷电拒之门外。此想法需要深入研究，外加模块会不会影响数据曲线形态和精度。如果将金属铟瓦棒接地和限流稳压相结合，伸缩仪前置盒雷击情况就会解决，不但为分析预报提供连续完整的数据，而且大大节约了维修成本。