孫鴻博，陳海博，趙 楠

（安徽省地震局,合肥 230031）

0 引言

地震臺站大都是在野外空曠偏僻的地方，這些地方遭遇雷擊的概率極高，因此，一旦到了雷雨季節(jié)，臺站儀器遭受雷擊的幾率更大[1-2]。在中國地震局大力支持下，過去幾年臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)建設(shè)中采用了信號防雷技術(shù)與設(shè)備，使臺站儀器防御雷電災(zāi)害能力得到了極大提升，改善了臺站儀器因雷電受損情況，提高了臺站觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率[3-6]。但是，信號防雷設(shè)備在逐年使用過程因多次雷擊后性能會逐步衰減，最后導(dǎo)致失去了信號防雷設(shè)備的防護功能。因此，臺站信號防雷設(shè)備的運維十分重要。但由于這些防雷器信號是無源信號，無法了解信號防雷的運行狀況，也不能及時掌握信號防雷設(shè)備性能狀態(tài)，也就無法實時提供臺站信號防雷設(shè)備運維能力，給信號防雷設(shè)備的及時維護帶來困難。同時臺站地處偏僻路遠的地段，每次到臺站運維設(shè)備需要數(shù)小時。如果在臺站檢查中發(fā)現(xiàn)信號防雷設(shè)備已老化或損壞，還需帶防雷設(shè)備備件第二次到臺站更換維護，降低了運維效率[7-8]。

如果能夠通過在線方式監(jiān)控信號防雷設(shè)備的運行狀態(tài)，可及時掌握信號防雷設(shè)備的性能狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異?？蓭戏览讉浼脚_站進行維修更換，從而有效提高臺站信號防雷設(shè)備雷雨期的運行效率。為此，研發(fā)了一款智能型信號防雷器及信號防雷設(shè)備在線檢測平臺，通過平臺進行數(shù)據(jù)檢測分析，及時掌握臺站信號防雷設(shè)備在雷雨期前后運行及性能狀況，并應(yīng)用手機APP 對臺站智能型信號防雷設(shè)備的運行實時監(jiān)控檢查。

1 智能型信號防雷檢測原理

1.1 雷電信號識別原理

信號防雷器內(nèi)的無源傳感器將數(shù)據(jù)傳入JU-8CK，由JU-8CK 分析計算，一個JU-8CK 可同時監(jiān)控8 個信號防雷器。其工作原理如圖1，信號防雷器內(nèi)每個放電器件帶一個感應(yīng)線圈（特制，不干擾采集線信號），當(dāng)放電器件有雷電通過，經(jīng)過定向二極管輸出電壓到JU-8CK，JU-8CK 分析電壓后計數(shù)，并參照器件的設(shè)計沖擊次數(shù)（由器件生產(chǎn)廠家提供）計算器件的狀態(tài)（正常、老化、失效）。在實際應(yīng)用中，設(shè)計雷電流脈沖最小閾值為300 A，檢測最小靈敏度為100 A，記錄累計脈沖最大峰值為10 kA。

圖1 雷電識別原理

1.2 雷電脈沖檢測原理

臺站儀器觀測系統(tǒng)在傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間連接的信號防雷設(shè)備是為了在信號線上一旦有感應(yīng)雷電流經(jīng)過時能夠快速對放電器件放電、嵌壓、泄流，有效保護傳感器與采集器設(shè)備免遭雷擊傷害，從而保護臺站觀測儀器安全[9-10]。智能型信號防雷設(shè)備是在原來信號防雷設(shè)備基礎(chǔ)上，增加了在其放電器件部位上附貼一個感應(yīng)線圈（圖2）的設(shè)計。信號防雷器本身是無源的，當(dāng)線路上無雷電感應(yīng)電流時，感應(yīng)線圈不會影響到信號防雷設(shè)備工作性能。而當(dāng)信號線上出現(xiàn)感應(yīng)雷電流脈沖時，雷電流脈沖會快速通過放電器件對地泄流，此瞬時放電器件周圍就會產(chǎn)生一個交變的磁場，由楞次定律可知產(chǎn)生的交變磁場大小與感應(yīng)雷電流脈沖強度成正向關(guān)聯(lián)。

圖2 智能型信號防雷器雷電脈沖檢測原理

因此，測量出信號防雷器信號線上每次出現(xiàn)放電泄流脈沖產(chǎn)生交變磁場的強度，可初步判斷出信號線上每次出現(xiàn)感應(yīng)雷電流脈沖的強度。如果在一根信號線上放電器件所承受的最大雷電擊頻次數(shù)以及承受額定感應(yīng)雷電流脈沖強度值可通過額定設(shè)計數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果驗證，那么，當(dāng)記錄到數(shù)據(jù)超過額定設(shè)計規(guī)定的頻次數(shù)和脈沖強度最大值，就可以初步判斷該信號防雷器內(nèi)部放電器件開始老化、衰變，性能下降，需要進行維修更換。

一般情況下，一個信號防雷器可以有若干根輸入/輸出信號線與組合型放電器件組成。當(dāng)信號防雷器選定型號放電器件后，由資料可查找到該信號防雷器承受最大雷電流頻次數(shù)和承受額定電流脈沖強度值。根據(jù)有關(guān)雷電模擬實驗結(jié)果，一根信號線承載能力為額定值的0.8 倍余量進行設(shè)計。若一個信號防雷器有n根信號線，則放電器件的承載能力會增加n倍。當(dāng)n根信號線上均有雷電流脈沖流過時，感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的交變磁場會大大增加，使感應(yīng)線圈輸出端經(jīng)過定向二極管輸出得到二次感應(yīng)電壓脈沖信號幅度增加，此感應(yīng)信號通過采集線端口送入采集監(jiān)控放大單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字計數(shù)脈沖信號進行存儲；使用處理軟件進行數(shù)據(jù)計數(shù)與統(tǒng)計分析，再通過檢測平臺后臺數(shù)據(jù)庫進行比較，就可初步判定在線檢測信號防雷設(shè)備性能變化好壞，達到實時監(jiān)測臺站信號防雷運行狀態(tài)的目的[11]。

2 臺站智能信號防雷設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 臺站專業(yè)儀器信號防雷器原理

為滿足各臺站不同的雷電環(huán)境，臺站專業(yè)儀器信號防雷器設(shè)計為三級放電，架空布設(shè)的地電阻率信號防雷器為四級放電，放電電流為10 kA；器件采用分布電感器小、分布電容小的器件。第一級采用放電電流大的放電管，信號線上的雷電流主要從放電管流入大地；經(jīng)過退耦器件退耦以后，在第二級放電器件TVS 管放電，然后流入大地；在經(jīng)過第二組退耦器件退耦后，在第三級TVS 管放電，然后流入大地。此時雷電流已經(jīng)非常小，儀器已經(jīng)安全。

值得說明的是，由于臺站儀器的檢測精度要求很高，所以本系統(tǒng)采用的都是對地震儀器信號頻段衰減小、對雷電頻段信號衰減大的退耦器件。另外，TVS 分布電容和分布電感偏大，實際應(yīng)用中需要采用開關(guān)二極管等原件來降低防雷器的分布電感及分布電容。

2.2 臺站智能信號防雷設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)

臺站智能信號防雷設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)，由臺站觀測儀器、智能信號防雷器與JU-8CK 多路集線服務(wù)器以及臺站分析軟件組成。而臺站智能信號防雷器在原來信號防雷設(shè)備內(nèi)部放電器件上附貼一個感應(yīng)線圈及信號輸出端口，然后，以串口方式接入臺站信號防雷設(shè)備多路集線服務(wù)器。一個集線服務(wù)器有8 個串口接入端口，可連接臺站至少8 個智能信號防雷器，集線服務(wù)器為以太網(wǎng)輸出，稱多路集線服務(wù)器為串口接入/以太網(wǎng)輸出服務(wù)器，內(nèi)置IP 地址與臺站觀測儀器在一個網(wǎng)段內(nèi)，這樣可以在臺站計算機安裝分析軟件實現(xiàn)對臺站多測項信號防雷設(shè)備運行狀況的在線檢測和信號防雷設(shè)備的運維管理。圖3 為一個臺站多測項（測震、強震動、流體水位水溫及形變、電磁觀測）至少8 個測項信號防雷器的運行狀況監(jiān)控平臺設(shè)備連接構(gòu)成圖。

圖3 臺站多路信號防雷器監(jiān)測平臺

3 臺站系統(tǒng)試驗運行

在安徽地震監(jiān)測臺網(wǎng)的蚌埠臺、金寨臺進行了智能型信號防雷器運行監(jiān)控及檢測平臺實驗運行。蚌埠臺安裝了氣象三要素的氣溫、雨量筒、氣壓3 個測項智能型信號防雷器和一個JU-8UK 多路集線數(shù)據(jù)服務(wù)器，金寨臺安裝了氣象三要素的氣溫、雨量筒智能型信號防雷器與JU-8CK 多路集線數(shù)據(jù)服務(wù)器。按照臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)技術(shù)要求，智能型信號防雷設(shè)備固定安裝在臺站儀器機柜中觀測儀器的附近。

臺站智能型信號防雷器雷電流脈沖頻次數(shù)的檢測數(shù)據(jù)通過JU-8CK 集線數(shù)據(jù)服務(wù)器可獲得臺站智能型信號防雷器遭受雷電流脈沖沖擊的頻次數(shù)記錄。在APP 平臺上，監(jiān)控軟件界面上能夠?qū)崟r顯示臺站信號防雷器記錄雷電流脈沖計數(shù)情況（圖4）。

圖4 APP 界面

分析軟件基于GIS 技術(shù)的數(shù)據(jù)接收分析處理，展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果并進行相應(yīng)信息推送。在GIS 地圖上標注安裝智能型信號防雷器臺站位置，通過顯示臺站信號防雷設(shè)備狀態(tài)（紅、綠、黃）。當(dāng)該臺站監(jiān)測的信號防雷設(shè)備正常時，標注色為綠色；出現(xiàn)異常時，標注色變?yōu)榧t色，能夠讓運維人員直觀地看到臺站信號防雷器性能狀態(tài)并及時進行維護管理；當(dāng)標注色為黃色時，則意味著信號防雷器可能處于一個漸進老化狀態(tài)，需要運維人員給予關(guān)注和重視。

自2020年9月份運行至今，蚌埠臺、金寨臺2 個臺站安裝的智能型信號防雷器檢測平臺，其監(jiān)控系統(tǒng)平臺運行良好，試運行的5 個信號防雷設(shè)備沒有出現(xiàn)異常問題。

4 后序及不足

經(jīng)過數(shù)月試運行，實現(xiàn)了臺站信號防雷器的性能狀態(tài)遠程在線監(jiān)控分析，對臺站信號防雷設(shè)備的運維工作帶來了便利，對提升臺站綜合觀測技術(shù)保障系統(tǒng)效率有積極意義。

目前，試運行的僅僅是氣象三要素的智能型信號防雷設(shè)備，安裝運行對信號防雷器本身的防雷性能沒有影響，但對于電磁等測項觀測儀器智能型信號防雷器是否存在影響，還需要做更多測項智能型信號防雷器試驗[12]。其次，由于試驗在線檢測平臺運行時間不長，而5—8月高頻度、高強度雷雨季節(jié)已過，還有待下一年或再經(jīng)過1～2 個年度雷雨季節(jié)期的大考驗。

其次，智能型信號防雷器成本有了一定增加，經(jīng)初步估算約增加25%左右。由于該設(shè)備需求批量性不大，成本一定程度上難以降下來?；蛘呖梢詫⑴_站信號防雷設(shè)備運行監(jiān)控檢測平臺界面與數(shù)據(jù)庫嵌入臺站環(huán)境監(jiān)控平臺中，同樣也能達到降低相應(yīng)成本，增加臺站運維整體效率的目的。

最后，本設(shè)計有一定的危險性及不確定性，硬件設(shè)備存在變成一次性設(shè)備的可能性。由于目前數(shù)據(jù)量較少，所以很多結(jié)論暫時無法給出，還需要更多的實踐數(shù)據(jù)來驗證。