邱凤萍，刘彦斌，胡宝慧， 张 浩， 孟祥龙

（1 依兰地震台，黑龙江 依兰154800；2加格达奇地震台，黑龙江 加格达奇 165100；3鹤岗地震台，黑龙江 鹤岗154101）

黑龙江省地震台站防雷分析及改造

邱凤萍1，刘彦斌2，胡宝慧3， 张 浩3， 孟祥龙1

（1 依兰地震台，黑龙江 依兰154800；2加格达奇地震台，黑龙江 加格达奇 165100；3鹤岗地震台，黑龙江 鹤岗154101）

黑龙江省地震台站自“十五”项目改造，观测环境和数据质量都有所提高，但近年来频繁受到雷电灾害影响，导致数据完整性和数据质量严重下降。为保证仪器正常工作，数据稳定可靠，我省采取多项措施对台站外部避雷和内部避雷进行了整体改造，并在鹤岗、绥化、牡丹江等台站新增雷电预警系统以配合防雷改造的有效实施，确保监测仪器运行的安全稳定。

雷击分析；防雷改造；雷电预警

0 引言

黑龙江地处温带东亚季风气候区，夏半年太阳辐射强与频繁南下的冷空气配合，对流天气活动旺盛，强雷电事件频有发生。而地震台站又多建于山区和江河湖泊附近，山地迎风坡的抬升作用、迎风坡与背风坡气流影响作用使得极易发生强对流天气，近些年我省一些地区雷电密度＞2次/km2处于较高水平，闪电总数达到每年30多万次［1-4］。又因为雷击发生发展过程的随机性较大，位置影响因子、避雷设备老化、土壤电阻率等影响因子也较多，使台站成为雷电灾害的高发区。

1 问题分析

1.1 雷电流侵入

从雷电的频谱分析，雷电的频率为0-40MHz，能量最大点集中在25Hz、50Hz、 75Hz附近。我省鹤岗、依兰、德都和加格达奇等有人值守台站供电变压器均离台较远，传输线路＞100m，牡丹江等台站引入电源线路架空＞30m，使得雷电极易与工频50Hz回路耦合，通过电源线路进入仪器设备，造成仪器设备损坏。

1.2 断路器跳闸

台站电源电涌保护器（SPD）前端串联断路器全部为开路失效模式，即当过电流超过自身削荷陡度和高度极限，避雷器短时间无法将雷电流全部泄放入地时，串联在电源避雷器前端的保护设备会判断为过流或短路故障，从而频繁发生动作［4］。

另外，台站现有三相四线制配电系统高压侧断线或接地易造成三相负荷不平衡、负载中性点偏移产生低压侧跳闸。大风、导线覆冰等自然原因、带负荷拉闸等人为原因、小动物进入带电设备也能产生跳闸。

1.3 火花放电

雷电放电时，在附近导体上会产生静电感应、电磁感应以及高压脉冲现象，使仪器部件产生火花放电。我省鹤岗、宾县和牡丹江台站在遭雷击的仪器中曾经多次出现过此情况，认为感应雷产生的电磁场引起此仪器损坏的可能性较大。同时，仪器接地线、电源的虚连、接触不良也是故障点处产生火花的原因。

1.4 山洞潮湿

由于观测山洞常年潮湿，与外界电阻率变化明显。当遇雷雨天气，强雷电将山体土壤和岩石击穿，雷电流直接入侵到潮湿电缆外皮将高电压入侵线路，导致仪器的损坏，同时在相邻的导线感应出过电压，击坏其他低压电子设备。经台站人员分析：形变仪器前置盒、温度传感器及标定电源可能由此原因导致损坏，雷电流沿电缆传导还击坏山洞外的其他设备。

1.5 其他原因

（1）防雷设备的老化，地网严重腐蚀，规划不合理导致雷电的频繁侵袭。

（2）原有防雷设备启动电压过高，未考虑到地震仪器设备耐过压能力低的特点，频繁损坏。

（3）雷电以微秒计算，台站漏电保护器以毫秒计算，在跳闸前，雷电压可能已经进入漏电保护器后线路，导致仪器设备损坏。

（4）台站光纤内部钢线未接地，没有网线避雷器。

1.6 小结

经分析：我省地震台站雷击问题由较多因素共同形成，不能仅依靠几种防雷设备和防雷措施完全消除雷击过电压和感应过电压的影响。需从现有防雷装置入手，对沿屋脊、屋檐的防雷带进行全面检修；对接地体延伸、防腐处理和降阻处理等。对已损坏的防雷网、接地、屏蔽更换，重新布设并加装多级防雷装置。针对雷害入侵途径，分别从外部防雷和内部防雷入手，采用综合防治——接闪、均压、屏蔽、接地措施，将雷害减少到最低限度，为雷电流提供一条对地泄放的合理的阻抗路径，控制雷电能量的泄放与转换。

2 防雷改造方案

雷电可对地震台站监测设备产生直击雷和感应雷过电流和过电压，对电子设备的正常工作造成极大威胁。需从防直接雷和感应雷的角度对配电系统、地电阻率测量、等电位处理以及避雷预警系统重新设计及测量，进一步提高防雷可靠性。

2.1 低压配电系统改造

配电系统是室外到室内防雷的关键部位，承担着从LPZ0区到LPZ1区电源保护和等电位连接的作用。针对我省地震台站多为10kV农村低压电网TT接地系统存在断路器不易动作、安全性较差的特点，实施过程中对台站采用漏电保护器作接地故障保护，并在L和N线上共设置4个SPD（浪涌保护器）安装在RCD（剩余电流互感器）的负荷侧，以防止故障电流在RA带故障电压引起间接触电危险［5］。

图1 TT系统配电线路图Fig.1 Distribution circuit diagram of TT system

2.2 UPS供配电系统改造

此次防雷改造台站普遍采用UPS双机并联冗余供电方式，任意主机都具有承担100%负载的能力，使负载设备能够不间断连续进行。并机运行的每台UPS输出滤形，电压一致，无环流。同时，针对不同台站也考虑了UPS负载问题，在不过度规划的基础上，使UPS电源负载控制在额定有功功率的25～80%，防止因负载过轻造成UPS系统运行效率低下、电池长期小电流放电形成“深度放电”和负载太重对电源本身使用寿命、可靠性的影响。

图2 台站UPS供电结构图Fig.2 UPS power supply structure diagram

2.3 电源和SPD选择

IEC标准曲线表明70-90%雷电能量通过一级防雷电路进行泄放。因此，电源SPD一级防雷按照8/20us波形100ka进行设计，选择并联防雷器。二级防雷的设计按照8/20us波形40ka进行设计，选用开关型+限压型组合防雷器；信号防雷选择专用限压型SPD。

在二三级防雷保护中电源SPD安装在电磁环境有显著改变的界面上，同时处理SPD系统屏蔽、等电位连接；信号SPD安装在监测仪器信号输入端口，防止只装电源SPD出现地电位反击的现象。为了确保SPD之间的良好配合，进行如下分析：

（1）计算电涌电流在0和Imax1之间取任意值时，通过SPD耗散的能量小于或等于其最大能量耐受值（Emax2）。

（2）加装断路器，保证切断短路故障时不影响回路供电。并防止通过电涌保护器的电涌大于Imax，电涌保护器被击穿而造成回路的短路故障。

（3）考虑断路器热保护系统在电涌保护器达到最大可承受热量前动作断开电涌保护器，防止因雷击引起电涌保护器的老化。

（4）加装地震仪器专用SPD，提供信号防雷，防雷器接口、性能等与仪器对应，测试专用SPD的插入损耗，不干扰监测信号传输。

2.4 地电阻率的测定

接地是防雷系统中最基础的环节。良好的散流条件是防雷可靠性和雷电安全性对接地装置的基本要求。接地电阻越小，散流就越快，被雷击物体高电位保持时间就越短，危险性就越小。

与工作接地和安全接地中涉及工频电阻不同，防雷接地中更重视冲击电阻，冲击电阻不仅幅值较大而且等效频率也较高。我省台站在埋设接地体时充分考虑到散流的几何边界条件和自身的形状和尺寸。工频电阻测试采用30°夹角法移动电位探测针，使台站被测地网距电流极A和电压极V为2D和3D重复3次测量，实际测量结果均小于1Ω，达到＜4Ω的国家标准。

图3 接地电阻测试图Fig.3 Grounding resistance test chart

需要注意的是：

（1）大地电阻率一般＞100Ω·M，所以工频电流的接地电阻R的计算可近似用直流的接地电阻来计算。

（2）由于接地体的电感作用，冲击电压幅值出现在电流幅值之前，所以计算出来的电压幅值虽然比实际出现的电压幅值要大，但更安全。

2.5 等电位连接设计和地电位反击处理

彻底消除雷电引起的带有毁坏性的电位差，是设备防雷的重要技术措施，实现这一技术措施就是等电位连接。由于机房设备之间一些线路和电缆无屏蔽，因此，我省台站统一选用Ss型等电位连接，所有设施管线和电缆从唯一的ERP（接地基准点）处进入防雷地网，等电位联结干线形成环形网路，环形网路就近与等电位联结干线或局部等电位箱连接。

当台站建筑物遭受雷击时，雷电流将在台站内部空间产生暂态脉冲磁场，通过阻性耦合、感性耦合和容性耦合感应出过电压和过电流引入仪器设备。所产生的脉冲磁场会对地震监测设备造成严重的磁感应危害，因此我省对进入机房和山洞内部的电缆全部选用铠装电缆或用铁盒进行屏蔽，排除和抵消受外界干扰磁场产生的涡流磁场。

2.6 机房及信息系统保护

机房内采用均压环接地，将均压环干线连到台站建筑物钢筋屏蔽构件上。楼层间用铜线和屏蔽铁盒连接，保证了交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地共用一组接地装置。机房接地与静电地板相连。为更好的将电流传入地下，在机房外选用镀锌扁钢，设置每隔3m、垂直埋深1m的辐射式延伸接地体约30m，并对每个焊点做防腐蚀防锈处理。

交换机间采用100M 输入端口处安装单口RJ45 端口信号防雷器，以保护设备。避免因雷击感应或电磁场干扰沿双绞线窜入而毁坏设备。电话线接收设备上安装单口 RJ11 端口信号防雷器。

2.7 雷电预警系统

电场超过空气击穿强度后雷云对地面放电，通过雷电预警传感器实时监测，可监测台站周边约20km的大气电场，提前切换电源，断开市电，防止仪器设备通过电源线遭受雷击，保护数据安全。也防止雷雨天台站总电源开关频繁跳闸，减少维护工作量。通过一年的验证能够达到雷电来临前及时采取线路隔离雷电的目的，杜绝了因雷电导致台站监测设备损坏的事故。

图4 雷电预警系统示意图Fig.4 Schematic diagram of lightning warning system

图5 鹤岗台雷电预警系统触发图Fig.5 Lightning warning system trigger of Hegang station

3 防雷改造建议

3.1 防雷装置检查与维护

防雷装置在整个使用期内，应完全保持其机械特性和电气特性。防止因天气损害、腐蚀、和用途改变造成防雷装置的失效。每年进行1～2次检查接地线、引下线连接、锈蚀、各类浪涌保护器运行情况、机械损失等情况；定期进行地电阻测试，确定接地体及连接处完好，做好雷击事故响应。

3.2 数据接口防雷

数据防雷器通常串联在线路中，给予地震数据的精度和可靠性要求，必须以不影响数据传输为根本原则。而现有测震、形变、流体、电磁等地震监测设备接口总类较多，传输速率各不相同，安装过程中应严格控制插入损耗，对于传输速率较高的设备，应选择极间电容漏电流小、响应快的数据防雷器。同时还要注意仪器接口信号工作电压，保证防雷设备动作电压和限制电压适合该仪器。

3.3 蓄电池充放电

UPS蓄电池绝大部分时间处于浮充状态，保证电池的稳定运行。如需放电，则每次放电到剩余30%就认为已放电结束，防止电池因“深度放电”造成使用寿命缩短。

当环境温度在25℃时，温度每升高6～10℃，蓄电池寿命缩短一半［6］。温度升高蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。因此，使用中要注意防晒及空气流通。

3.4 电池组共享

按照常规的电池配置方法，每台UPS主机配带各自的电池组。当UPS主机不能逆变时，尽管电池没有故障，但所配的电池组也不能正常工作。共享电池组方案就是指多台UPS主机同时利用一组电池的解决方案。市电正常时，各UPS同时给电池组充电，市电异常或者中断时，各UPS又同时利用电池组的能量逆变成交流电供给负载。即节省购买电池的资金投资又保证电池的使用效率。

3.5 避雷针安装

地震台站构筑物高度虽低，但地势空旷，极易遭受各方向各种形式的雷击。若采用避雷针，则提高了受雷击的频度和产生感应过电压的机会。况且由于场地限制，避雷针与观测设备较近、直击雷较少，成为此次改造未采用避雷针的重要原因。

另外，此次改造将机房和山洞内、外的电源线和其他传输电缆分槽架设，增大数据插座与电源插座距离，以减少电源发生短路产生感应电压的可能。

4 总结

地震台是地震监测预报、工程地震和地震科学研究的重要基础设施，雷电问题已经成为影响地震监测完整和数据干扰的重要因素之一。此次我省台站对外部防雷带、引下线和接地体等进行了改造，对台站原有防雷带等外部防雷设施进行检修，减小电缆长度外光纤实施埋地和接地。对内部防雷屏蔽系统、等电位连接、电涌保护器等进行改造，供电系统采取三级SPD 进行保护。计算机网络系统雷击电磁脉冲防护按B类要求设计。机房实行联合接地，解决地电位升高的影响。对进出机房的管、线、槽实行等电位连接。改善地网结构，缩短雷电流引起的高过电压的保持时间，将雷电过电压降低到设备能够承受的水平。

［1］ 高宏巍，邱凤萍，孟祥龙.依兰地震台雷害原因与防雷措施浅谈［J］. 防灾减灾学报，2015（3）:75-79

［2］刘发科，刘发新.黑龙江省正负闪电密度及强度分布特征分析［J］.黑龙江气象， 2013（3）:33-34

［3］朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法［M］.北京:气象出版社，1992:606—607

［4］钟幼军，曹铁英，官延平.黑龙江省雷电活动气候特征分析［J］.自然灾害学报，2007（5）:79-83

［5］王衍行，谭文春，吕军.浅析雷雨天气保护器跳闸的原因［J］.电气技术，2009（6）:89-92

［6］GB50057－94，建筑物防雷设计规范［S］.中国机械工业联合会，2000

［7］刘庆生.温度对蓄电池的影响［J］.湖北电力，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

邱凤萍（1967-），女，2004年毕业于哈尔滨市委党校，本科，助理工程师，现主要从事测震、形变观测工作。E-mail: 312705414@qq.com