地震台站面临的雷电危害和防雷改造措施

　　摘    要：　文章介绍了贵州地区雷电对地震台站的危害和2018年贵州地震台防雷改造工作的内容，改造台站经过两年的雷雨考验，取得良好的效果。总结出地震台站防雷改造是一项系统工程，需从交/直流配电、通信线路、接地电阻与等电位、综合布线等方面部署。才能有效解决地震台站观测系统综合防雷问题。

　　关键词 ：     地震台站，雷电危害，防雷改造措施

　　雷电是自然界存在的一种灾害现象，地球上每天都在发生雷电灾害事件，雷电灾害给人类生命财产和经济发展带来极大损失，严重威胁着地震台站观测设备的正常运行，台站设备经常遭受雷击损坏，导致数据中断，影响了仪器设备运行率和观测数据连续率，经济损失惨重。因体制等原因，截止2018年，贵州省地震局没有一个台站进行综合观测技术保障系统改造，抗雷击能力非常脆弱。2018年，贵州省地震局根据中国地震局部署，对威宁、贞丰、安顺3个地震台站进行了防雷改造，得到了良好改造效果。文章总结了贵州省2018年地震台站防雷改造的成果，对今后做好贵州地震台站防护工作，保障地震台站观测技术连续运行、使台站产出连续、稳定、可靠的观测数据、提高地震数据质量、以及保障人民生命财产安全和减少经济损失有重要的意义。

　　雷电对地震台站的危害性分析

　　雷电对贵州地震台站的危害方式主要有两种：直击雷危害和感应雷危害。直击雷是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，主要危害建筑物、建筑物内电子设备和人；感应雷危害主要以过电压、过电流的形式危害仪器设备。贵州地震台站所受雷电危害主要以感应雷为主，由于台站线路整理不规范，感应雷沿着供电线路、通信传输线路、架空GPS天馈线进入台站观测室，使通过观测仪器设备的电压或电流瞬间过负载，导致地震仪器设备经常受损。雷电的主要放电参数有两个：(1)破坏性极强的雷电流，通常可达几十到上百千安，作业时间非常短，瞬间超过仪器设备的负荷，击穿设备；(2)雷电流的上升速度，通常称为“雷电流陡度”，它的数值是由雷电流i对时间t的微分求得：a=di/dt，约为80×103A/μs。电流瞬间大幅度升高，导致仪器设备各模块损坏。一次雷电约有3～4次放电的过程，也就是说仪器设备每遭受一次雷电会有3～4次电压或电流超过负荷流过设备。

　　贵州地震台站大多数位于强雷区，平均年雷暴日（2016～2017年）可达90～120d。自2006年以来，贵州地震台站平均每年至少遭受2～3次雷击影响，有的个别台站高达四五次以上。同时台站所在地的上层风化黏土，下层岩石，砂石为主少土更增添了雷击的危险性。因此尽管安装了单相电源防雷器，但因地网接地电阻过大，无法分流，也无法得到更好的保护。另外，台站仅安装了电源防雷器，仪器通信和信号线均未安装防雷器，强、弱电线路未进行合理分离，容易造成电磁信号感应，台站常年遭受感应雷危害。

　　地震台站防雷改造采取的措施

　　在中国地震局监测预报司统筹部署的台站综合观测保障系统项目支持下，2018年贵州省地震局根据要求对威宁、贞丰、安顺3个地震台站进行了防雷改造。本次防雷改造以DB/T 68-2017《地震台站综合防雷》行业标准为基础，采取综合防雷，把整个地震台站范围作为防护区域，主要防御感应雷。通过增加交流配电的防雷等级数量，加强通信及信号线路防雷措施；增强接地模块、重新布置地网和等电位布局及其工艺；拆除观测室内凌乱布线，重新整理观测室内/外各种线路的布线。达到减少雷击电磁场和地反击对地震台站造成损害的目的开展综合防雷改造。通过前期对各个地震台站所处的地理、地质、气候、环境等条件进行认真调查，分析各个地区雷电的活动规律，并从每个台站实际布局出发进行全面规划，综合防范来进行研究、设计和实施。本次地震台站防雷改造主要采取台站区域防雷、电源防雷、通信传输防雷、传感器接线防雷等方面的技术，升级改造配电线路防雷、信号线防雷、电磁屏蔽、接地与等电位、地网、线路整理等内容。

　　图1 台站配电线路三级防护示意图

　　(1）地震台站配电线路防雷改造

　　按照中华人民共和国行业标准DB/T 68-2017.《地震台站综合防雷》行业标准和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》，台站配电线路设置B、C、D三级防护，如图1所示。

　　台站的总配电箱内加装了放电电流140KA的B级三相电源避雷器1台，配备的型号是MB25/4，箱内不仅设有接零排与接地排；还设有63A空气总开关1个，分开关2个。63A空气总开关输出后的2个分开关，左边的63A控制着室内外所有220V供电；右边的63A控制观测室内外所有380V供电，均用标签分别做好标记。台站所有220V供电线路均加装了放电电流80KA的C级电源防雷设备，配备的是1台PB6-80-1S型单相C级电源避雷器。台站机柜全部加装D级防雷设备，配备的是LT-PS6防雷插座和PDU电源防雷插座，仪器设备插在PDU电源防雷插座上，每个地震台站配备LT-PS6防雷插座3台，确保雷电发生时过高的电压或电流经过仪器设备时已降至安全范围。

　　(2）地震台站观测系统防雷改造

　　观测系统防雷主要包括地震台站观测设备信号防雷和通信设备防雷。本次改造的具体措施为：在进出观测室的数据采集线的仪器端串联安装最大放电电流不低于10KA/线（8/20μs）的专用信号防雷器。根据中华人民共和国行业标准DB/T 68-2017.《地震台站综合防雷》行业标准，传感器（地震计/加速度计）与数据采集器安装在同一观测室内时，采集线长超过5m但不足10m的需在观测仪器一侧安装专用信号防雷器，采集线超过10m的两侧都需要安装专用信号防雷器。台站内各观测室之间、观测室与机房之间的标准信号线（RS232、以太网）均改为光缆。所有光缆需加套PVC管或钢管后埋入地下，光缆上所有的金属接头、加强芯、防潮层等在进入观测室处直接接地。GPS天馈线在接数采端加装专用信号防雷器。观测室内的观测仪器（数据采集器）、路由器、环境监控主机等集中安装在标准机柜内，通信线路的长度尽量缩短。

　　图2 台站平面图

　　图3 台站地网设计图

　　本次改造的3个地震台站机柜与传感器分别在不同的观测室内（如图2所示），EDAS-24GN 6通道地震数据采集器与BBVS-60地震计和GL-A4强震仪穿墙相联，我们在数据采集器端分别串联安装了LT-EDAS-26HK信号防雷器、GPS天线串联安装了LT-GPS-4HK信号防雷器、通信网络信号线串联安装了网络线避雷器。

　　(3）地震台站接地改造

　　本次地震台站地网（接地体、地线、地排、等电位等）以快速泄放雷电流，减少雷电对仪器设备损害为目的，进行地震台站观测技术综合保障系统的方案设计。地震台站采用共用接地方式，即地震台站内所有的建筑地网构成一个整体地网。观测室内加装接地排作为台站等电位连接母排，材料规格为4×40mm的扁铜/镀锌扁钢，与接地汇集线（公共接地母线）连接。专业仪器、台站机柜、防雷器等用多股6mm2的铜导线连接到接地母排上。

　　观测室外铺设长方形避雷地网（如图3所示），尺寸4m×8m；水平连接体、垂直接地体的上端距地面≥0.7m；每隔2m打入用20×2500mm铜包钢做的长度为2.5m的垂直接地体，共计15根；每隔4m放置500×400×60mm方型接地模块1个，共计6个；将方型模块与垂直接地体用40×4mm的热镀锌扁钢连接成网；所有连接处采用的是热焊接，要求焊接长度达到扁钢宽度的2倍以上，焊接面达到3个棱边以上，且焊接处需涂上防锈剂。在观测室内设接地排（接地母线），接地排（接地母线）用10mm2的多股铜导线与避雷地网连接；施工完成后由当地防雷中心出具检测报告，接地电阻值小于4Ω。

       表1 3个地震台站防雷改造前后的接地电阻值

　　表2 3个地震台站防雷改造前后雷击影响统计

　　(4）线路整理

　　由于贵州的地震台站没有规范化管理，台站观测室的电源线、数据线布设比较凌乱、网络环境线路也尚未规范化梳理。在本次台站综合防雷系统改造过程中，我们更换了旧机柜，对观测室的所有线路进行重新梳理，机柜内部线路全部拆除，重新规划走线整理安装，把强弱电线路分开。电源线、数据线分别从机柜两侧走，用扎带分开扎紧并固定好。保证专业仪器设备、防雷器、机柜等接地有良好屏蔽作用，满足地震台站观测系统布线及防雷要求。重新整理观测室内、外所有线路，并分别加套线槽重新铺设，确保线路平直有序，各种不同的线分别用软质PVC不干胶做好标记（油性笔标记），达到强弱电线路间隔0.5m以上，拆除多余无用的线。

　　防雷改造取得的效果

　　本次贵州地震台站防雷改造总经费为26.0万元，全部为中央投资。主要针对地震台站观测技术综合保障系统中存在的防雷问题，重点改造了台站配电防护系统，加装多级防雷器，重新布设地网，规范整理各种线路的布设，使地震台站专业设备能够得到防雷设备更好的保护，确保设备长时间稳定运行，有效减少雷击对地震台站专业设备的损害，提高地震台站运行率和数据质量，保证地震监测台网的稳定运行，从而实现地震台站综合防雷改造的目的。表1将3个地震台站防雷改造前后的接地电阻值进行对比。通过表1中接地电阻值对比，可以发现防雷改造后，3个地震台站接地电阻大幅度降低，避雷能力大幅度提升。

　　表2将统计3个地震台站防雷改造前自2016年开始至2020年底受雷害影响情况。通过表1中防雷改造前后接地电阻值的对比和表2中对比防雷改造前后2年，威宁、贞丰、安顺3个地震台站观测仪器受雷击次数大大降低。

　　通过防雷改造前后雷击影响统计情况可以发现，防雷改造后两年内，原先每年都遭受雷害影响的地震台站没有再受雷害影响。威宁、贞丰、安顺3个地震台站经过2019和2020年雷雨季节的检验，3个地震台站均未发生过遭雷击损坏设备的情况，可以说贵州地震台站防雷改造的效果非常成功。这对以后新建地震台站或者其他老旧台站综合观测技术保障系统改造中有重要的参考作用。

　　总结

　　通过此次台站防雷改造的历练，不仅学习了更多雷电防护的专业知识，而且还更加了解地震台站观测技术综合保障系统的应用。结合贵州地震台站的特点，认识到地震台站防雷改造是一项系统性工程，需要从配电、通信、综合布线、等电位与接地等多方面综合部署，还要考虑不同地区雷害的特点，建设适合不同地区的地震台站观测技术综合保障系统。在以后的地震台站防雷工作中，要特别注意强弱电之间的干扰、网络信号线的屏蔽保护、接地电阻值、以及综合布线等。在新建地震观测站时，需要提前把强弱电分开间隔0.5m以上与防雷器串联好预埋。

　　贵州地震台站大多数已运行了十多年，线路老化严重，地网失效，台站布局不统一，因此所遭受雷害影响也不相同，有的常年损坏数采，有的常年损坏路由，有的常年损坏电源等。今后不管是改造老旧台站，还是新建台站，都要做特定的防雷措施，才能达到良好的防雷效果。