邱鳳萍，劉彥斌，胡寶慧， 張 浩， 孟祥龍

（1 依蘭地震臺，黑龍江 依蘭154800；2加格達奇地震臺，黑龍江 加格達奇 165100；3鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗154101）

黑龍江省地震臺站防雷分析及改造

邱鳳萍1，劉彥斌2，胡寶慧3， 張 浩3， 孟祥龍1

（1 依蘭地震臺，黑龍江 依蘭154800；2加格達奇地震臺，黑龍江 加格達奇 165100；3鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗154101）

黑龍江省地震臺站自“十五”項目改造，觀測環(huán)境和數(shù)據(jù)質(zhì)量都有所提高，但近年來頻繁受到雷電災(zāi)害影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴重下降。為保證儀器正常工作，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，我省采取多項措施對臺站外部避雷和內(nèi)部避雷進行了整體改造，并在鶴崗、綏化、牡丹江等臺站新增雷電預(yù)警系統(tǒng)以配合防雷改造的有效實施，確保監(jiān)測儀器運行的安全穩(wěn)定。

雷擊分析；防雷改造；雷電預(yù)警

0 引言

黑龍江地處溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū)，夏半年太陽輻射強與頻繁南下的冷空氣配合，對流天氣活動旺盛，強雷電事件頻有發(fā)生。而地震臺站又多建于山區(qū)和江河湖泊附近，山地迎風(fēng)坡的抬升作用、迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡氣流影響作用使得極易發(fā)生強對流天氣，近些年我省一些地區(qū)雷電密度＞2次/km2處于較高水平，閃電總數(shù)達到每年30多萬次［1-4］。又因為雷擊發(fā)生發(fā)展過程的隨機性較大，位置影響因子、避雷設(shè)備老化、土壤電阻率等影響因子也較多，使臺站成為雷電災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。

1 問題分析

1.1 雷電流侵入

從雷電的頻譜分析，雷電的頻率為0-40MHz，能量最大點集中在25Hz、50Hz、 75Hz附近。我省鶴崗、依蘭、德都和加格達奇等有人值守臺站供電變壓器均離臺較遠，傳輸線路＞100m，牡丹江等臺站引入電源線路架空＞30m，使得雷電極易與工頻50Hz回路耦合，通過電源線路進入儀器設(shè)備，造成儀器設(shè)備損壞。

1.2 斷路器跳閘

臺站電源電涌保護器（SPD）前端串聯(lián)斷路器全部為開路失效模式，即當過電流超過自身削荷陡度和高度極限，避雷器短時間無法將雷電流全部泄放入地時，串聯(lián)在電源避雷器前端的保護設(shè)備會判斷為過流或短路故障，從而頻繁發(fā)生動作［4］。

另外，臺站現(xiàn)有三相四線制配電系統(tǒng)高壓側(cè)斷線或接地易造成三相負荷不平衡、負載中性點偏移產(chǎn)生低壓側(cè)跳閘。大風(fēng)、導(dǎo)線覆冰等自然原因、帶負荷拉閘等人為原因、小動物進入帶電設(shè)備也能產(chǎn)生跳閘。

1.3 火花放電

雷電放電時，在附近導(dǎo)體上會產(chǎn)生靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及高壓脈沖現(xiàn)象，使儀器部件產(chǎn)生火花放電。我省鶴崗、賓縣和牡丹江臺站在遭雷擊的儀器中曾經(jīng)多次出現(xiàn)過此情況，認為感應(yīng)雷產(chǎn)生的電磁場引起此儀器損壞的可能性較大。同時，儀器接地線、電源的虛連、接觸不良也是故障點處產(chǎn)生火花的原因。

1.4 山洞潮濕

由于觀測山洞常年潮濕，與外界電阻率變化明顯。當遇雷雨天氣，強雷電將山體土壤和巖石擊穿，雷電流直接入侵到潮濕電纜外皮將高電壓入侵線路，導(dǎo)致儀器的損壞，同時在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞其他低壓電子設(shè)備。經(jīng)臺站人員分析：形變儀器前置盒、溫度傳感器及標定電源可能由此原因?qū)е聯(lián)p壞，雷電流沿電纜傳導(dǎo)還擊壞山洞外的其他設(shè)備。

1.5 其他原因

（1）防雷設(shè)備的老化，地網(wǎng)嚴重腐蝕，規(guī)劃不合理導(dǎo)致雷電的頻繁侵襲。

（2）原有防雷設(shè)備啟動電壓過高，未考慮到地震儀器設(shè)備耐過壓能力低的特點，頻繁損壞。

（3）雷電以微秒計算，臺站漏電保護器以毫秒計算，在跳閘前，雷電壓可能已經(jīng)進入漏電保護器后線路，導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞。

（4）臺站光纖內(nèi)部鋼線未接地，沒有網(wǎng)線避雷器。

1.6 小結(jié)

經(jīng)分析：我省地震臺站雷擊問題由較多因素共同形成，不能僅依靠幾種防雷設(shè)備和防雷措施完全消除雷擊過電壓和感應(yīng)過電壓的影響。需從現(xiàn)有防雷裝置入手，對沿屋脊、屋檐的防雷帶進行全面檢修；對接地體延伸、防腐處理和降阻處理等。對已損壞的防雷網(wǎng)、接地、屏蔽更換，重新布設(shè)并加裝多級防雷裝置。針對雷害入侵途徑，分別從外部防雷和內(nèi)部防雷入手，采用綜合防治——接閃、均壓、屏蔽、接地措施，將雷害減少到最低限度，為雷電流提供一條對地泄放的合理的阻抗路徑，控制雷電能量的泄放與轉(zhuǎn)換。

2 防雷改造方案

雷電可對地震臺站監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生直擊雷和感應(yīng)雷過電流和過電壓，對電子設(shè)備的正常工作造成極大威脅。需從防直接雷和感應(yīng)雷的角度對配電系統(tǒng)、地電阻率測量、等電位處理以及避雷預(yù)警系統(tǒng)重新設(shè)計及測量，進一步提高防雷可靠性。

2.1 低壓配電系統(tǒng)改造

配電系統(tǒng)是室外到室內(nèi)防雷的關(guān)鍵部位，承擔(dān)著從LPZ0區(qū)到LPZ1區(qū)電源保護和等電位連接的作用。針對我省地震臺站多為10kV農(nóng)村低壓電網(wǎng)TT接地系統(tǒng)存在斷路器不易動作、安全性較差的特點，實施過程中對臺站采用漏電保護器作接地故障保護，并在L和N線上共設(shè)置4個SPD（浪涌保護器）安裝在RCD（剩余電流互感器）的負荷側(cè)，以防止故障電流在RA帶故障電壓引起間接觸電危險［5］。

圖1 TT系統(tǒng)配電線路圖Fig.1 Distribution circuit diagram of TT system

2.2 UPS供配電系統(tǒng)改造

此次防雷改造臺站普遍采用UPS雙機并聯(lián)冗余供電方式，任意主機都具有承擔(dān)100%負載的能力，使負載設(shè)備能夠不間斷連續(xù)進行。并機運行的每臺UPS輸出濾形，電壓一致，無環(huán)流。同時，針對不同臺站也考慮了UPS負載問題，在不過度規(guī)劃的基礎(chǔ)上，使UPS電源負載控制在額定有功功率的25～80%，防止因負載過輕造成UPS系統(tǒng)運行效率低下、電池長期小電流放電形成“深度放電”和負載太重對電源本身使用壽命、可靠性的影響。

圖2 臺站UPS供電結(jié)構(gòu)圖Fig.2 UPS power supply structure diagram

2.3 電源和SPD選擇

IEC標準曲線表明70-90%雷電能量通過一級防雷電路進行泄放。因此，電源SPD一級防雷按照8/20us波形100ka進行設(shè)計，選擇并聯(lián)防雷器。二級防雷的設(shè)計按照8/20us波形40ka進行設(shè)計，選用開關(guān)型+限壓型組合防雷器；信號防雷選擇專用限壓型SPD。

在二三級防雷保護中電源SPD安裝在電磁環(huán)境有顯著改變的界面上，同時處理SPD系統(tǒng)屏蔽、等電位連接；信號SPD安裝在監(jiān)測儀器信號輸入端口，防止只裝電源SPD出現(xiàn)地電位反擊的現(xiàn)象。為了確保SPD之間的良好配合，進行如下分析：

（1）計算電涌電流在0和Imax1之間取任意值時，通過SPD耗散的能量小于或等于其最大能量耐受值（Emax2）。

（2）加裝斷路器，保證切斷短路故障時不影響回路供電。并防止通過電涌保護器的電涌大于Imax，電涌保護器被擊穿而造成回路的短路故障。

（3）考慮斷路器熱保護系統(tǒng)在電涌保護器達到最大可承受熱量前動作斷開電涌保護器，防止因雷擊引起電涌保護器的老化。

（4）加裝地震儀器專用SPD，提供信號防雷，防雷器接口、性能等與儀器對應(yīng)，測試專用SPD的插入損耗，不干擾監(jiān)測信號傳輸。

2.4 地電阻率的測定

接地是防雷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。良好的散流條件是防雷可靠性和雷電安全性對接地裝置的基本要求。接地電阻越小，散流就越快，被雷擊物體高電位保持時間就越短，危險性就越小。

與工作接地和安全接地中涉及工頻電阻不同，防雷接地中更重視沖擊電阻，沖擊電阻不僅幅值較大而且等效頻率也較高。我省臺站在埋設(shè)接地體時充分考慮到散流的幾何邊界條件和自身的形狀和尺寸。工頻電阻測試采用30°夾角法移動電位探測針，使臺站被測地網(wǎng)距電流極A和電壓極V為2D和3D重復(fù)3次測量，實際測量結(jié)果均小于1Ω，達到＜4Ω的國家標準。

圖3 接地電阻測試圖Fig.3 Grounding resistance test chart

需要注意的是：

（1）大地電阻率一般＞100Ω·M，所以工頻電流的接地電阻R的計算可近似用直流的接地電阻來計算。

（2）由于接地體的電感作用，沖擊電壓幅值出現(xiàn)在電流幅值之前，所以計算出來的電壓幅值雖然比實際出現(xiàn)的電壓幅值要大，但更安全。

2.5 等電位連接設(shè)計和地電位反擊處理

徹底消除雷電引起的帶有毀壞性的電位差，是設(shè)備防雷的重要技術(shù)措施，實現(xiàn)這一技術(shù)措施就是等電位連接。由于機房設(shè)備之間一些線路和電纜無屏蔽，因此，我省臺站統(tǒng)一選用Ss型等電位連接，所有設(shè)施管線和電纜從唯一的ERP（接地基準點）處進入防雷地網(wǎng)，等電位聯(lián)結(jié)干線形成環(huán)形網(wǎng)路，環(huán)形網(wǎng)路就近與等電位聯(lián)結(jié)干線或局部等電位箱連接。

當臺站建筑物遭受雷擊時，雷電流將在臺站內(nèi)部空間產(chǎn)生暫態(tài)脈沖磁場，通過阻性耦合、感性耦合和容性耦合感應(yīng)出過電壓和過電流引入儀器設(shè)備。所產(chǎn)生的脈沖磁場會對地震監(jiān)測設(shè)備造成嚴重的磁感應(yīng)危害，因此我省對進入機房和山洞內(nèi)部的電纜全部選用鎧裝電纜或用鐵盒進行屏蔽，排除和抵消受外界干擾磁場產(chǎn)生的渦流磁場。

2.6 機房及信息系統(tǒng)保護

機房內(nèi)采用均壓環(huán)接地，將均壓環(huán)干線連到臺站建筑物鋼筋屏蔽構(gòu)件上。樓層間用銅線和屏蔽鐵盒連接，保證了交流工作接地、安全保護接地、直流工作接地、防雷接地共用一組接地裝置。機房接地與靜電地板相連。為更好的將電流傳入地下，在機房外選用鍍鋅扁鋼，設(shè)置每隔3m、垂直埋深1m的輻射式延伸接地體約30m，并對每個焊點做防腐蝕防銹處理。

交換機間采用100M 輸入端口處安裝單口RJ45 端口信號防雷器，以保護設(shè)備。避免因雷擊感應(yīng)或電磁場干擾沿雙絞線竄入而毀壞設(shè)備。電話線接收設(shè)備上安裝單口 RJ11 端口信號防雷器。

2.7 雷電預(yù)警系統(tǒng)

電場超過空氣擊穿強度后雷云對地面放電，通過雷電預(yù)警傳感器實時監(jiān)測，可監(jiān)測臺站周邊約20km的大氣電場，提前切換電源，斷開市電，防止儀器設(shè)備通過電源線遭受雷擊，保護數(shù)據(jù)安全。也防止雷雨天臺站總電源開關(guān)頻繁跳閘，減少維護工作量。通過一年的驗證能夠達到雷電來臨前及時采取線路隔離雷電的目的，杜絕了因雷電導(dǎo)致臺站監(jiān)測設(shè)備損壞的事故。

圖4 雷電預(yù)警系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of lightning warning system

圖5 鶴崗臺雷電預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)圖Fig.5 Lightning warning system trigger of Hegang station

3 防雷改造建議

3.1 防雷裝置檢查與維護

防雷裝置在整個使用期內(nèi)，應(yīng)完全保持其機械特性和電氣特性。防止因天氣損害、腐蝕、和用途改變造成防雷裝置的失效。每年進行1～2次檢查接地線、引下線連接、銹蝕、各類浪涌保護器運行情況、機械損失等情況；定期進行地電阻測試，確定接地體及連接處完好，做好雷擊事故響應(yīng)。

3.2 數(shù)據(jù)接口防雷

數(shù)據(jù)防雷器通常串聯(lián)在線路中，給予地震數(shù)據(jù)的精度和可靠性要求，必須以不影響數(shù)據(jù)傳輸為根本原則。而現(xiàn)有測震、形變、流體、電磁等地震監(jiān)測設(shè)備接口總類較多，傳輸速率各不相同，安裝過程中應(yīng)嚴格控制插入損耗，對于傳輸速率較高的設(shè)備，應(yīng)選擇極間電容漏電流小、響應(yīng)快的數(shù)據(jù)防雷器。同時還要注意儀器接口信號工作電壓，保證防雷設(shè)備動作電壓和限制電壓適合該儀器。

3.3 蓄電池充放電

UPS蓄電池絕大部分時間處于浮充狀態(tài)，保證電池的穩(wěn)定運行。如需放電，則每次放電到剩余30%就認為已放電結(jié)束，防止電池因“深度放電”造成使用壽命縮短。

當環(huán)境溫度在25℃時，溫度每升高6～10℃，蓄電池壽命縮短一半［6］。溫度升高蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。因此，使用中要注意防曬及空氣流通。

3.4 電池組共享

按照常規(guī)的電池配置方法，每臺UPS主機配帶各自的電池組。當UPS主機不能逆變時，盡管電池沒有故障，但所配的電池組也不能正常工作。共享電池組方案就是指多臺UPS主機同時利用一組電池的解決方案。市電正常時，各UPS同時給電池組充電，市電異?；蛘咧袛鄷r，各UPS又同時利用電池組的能量逆變成交流電供給負載。即節(jié)省購買電池的資金投資又保證電池的使用效率。

3.5 避雷針安裝

地震臺站構(gòu)筑物高度雖低，但地勢空曠，極易遭受各方向各種形式的雷擊。若采用避雷針，則提高了受雷擊的頻度和產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的機會。況且由于場地限制，避雷針與觀測設(shè)備較近、直擊雷較少，成為此次改造未采用避雷針的重要原因。

另外，此次改造將機房和山洞內(nèi)、外的電源線和其他傳輸電纜分槽架設(shè)，增大數(shù)據(jù)插座與電源插座距離，以減少電源發(fā)生短路產(chǎn)生感應(yīng)電壓的可能。

4 總結(jié)

地震臺是地震監(jiān)測預(yù)報、工程地震和地震科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施，雷電問題已經(jīng)成為影響地震監(jiān)測完整和數(shù)據(jù)干擾的重要因素之一。此次我省臺站對外部防雷帶、引下線和接地體等進行了改造，對臺站原有防雷帶等外部防雷設(shè)施進行檢修，減小電纜長度外光纖實施埋地和接地。對內(nèi)部防雷屏蔽系統(tǒng)、等電位連接、電涌保護器等進行改造，供電系統(tǒng)采取三級SPD 進行保護。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護按B類要求設(shè)計。機房實行聯(lián)合接地，解決地電位升高的影響。對進出機房的管、線、槽實行等電位連接。改善地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，縮短雷電流引起的高過電壓的保持時間，將雷電過電壓降低到設(shè)備能夠承受的水平。

［1］ 高宏巍，邱鳳萍，孟祥龍.依蘭地震臺雷害原因與防雷措施淺談［J］. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報，2015（3）:75-79

［2］劉發(fā)科，劉發(fā)新.黑龍江省正負閃電密度及強度分布特征分析［J］.黑龍江氣象， 2013（3）:33-34

［3］朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法［M］.北京:氣象出版社，1992:606—607

［4］鐘幼軍，曹鐵英，官延平.黑龍江省雷電活動氣候特征分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2007（5）:79-83

［5］王衍行，譚文春，呂軍.淺析雷雨天氣保護器跳閘的原因［J］.電氣技術(shù)，2009（6）:89-92

［6］GB50057－94，建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］.中國機械工業(yè)聯(lián)合會，2000

［7］劉慶生.溫度對蓄電池的影響［J］.湖北電力，2009（4）:45-46

ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF LIGHTNING PROTECTION OF SEISMIC STATIONS IN HEILONGJIANG PROVINCE

QIU Feng-ping，LIU Yan-bin，HU Bao-hui，ZHANG Hao，MENG Xiang-long
（1Yilan Seismic Station，Heilongjiang Harbin 150090， China；2 Hegang Seismic Station，Heilongjiang Harbin 150090，China）

Seismic stations in Heilongjiang province since the "tenth five plan" project， the observation environment and data quality are improved， but in recent years by frequent lightning disasters， resulting in the quality of data integrity and data serious decline. To ensure that the instrument is working properly， stable and reliable data， a number of measures the overall transformation of external and internal lightning protection lightning station Taiwan province， and add lightning warning system to cope with the transformation of the mine in Hegang， Suihua， Mudanjiang stations effective implementation， monitoring equipment to ensure the safe and stable operation.

analysis of lightning； lightning protection； lightning warning

P315.63；P315.78

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.015

1674-8565（2016）03-0082-05

2016-06-15

2016-07-15

邱鳳萍（1967-），女，2004年畢業(yè)于哈爾濱市委黨校，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事測震、形變觀測工作。E-mail: 312705414@qq.com