李光科 巩浩波 陈 敏 张 巡 张 锐 戴应洪

1) 重庆市地震局，重庆 401147

2) 中国科学技术大学地球与空间科学学院，合肥 230026

引言

地震监测是地震部门的核心任务之一，更是防震减灾事业发展的重要基础。而台站是开展地震观测的场所，是监测预报的基本单元[1]。保证地震台站长期正常运行，特别是破坏性地震发生前后能产出稳定可靠的数据至关重要，同时也是发挥台站地震灾害防御功能的坚实保证。由于雷电会危害观测技术系统，也会造成监测工作中断及监测数据缺损，所以防雷工作具有重要意义[2]。

自2008年起，中国地震局在重庆、山东等省级地震局开展了台站综合防雷改造试点，试点完成后逐年在全国其他省市先后推行。截止2019年底，已经在18个省局近300个台站进行了综合防雷改造。近几年来，重庆市地震局对台站分4批次进行了综合防雷改造，其中2008年改造2个台站，2012年改造8个台站，2014年改造2个台站，2015年改造11个台站。台站在改造后设备运行总体稳定良好，雷击事故降低了90%以上，取得了非常好的防雷效果。相关单位也就防雷工作开展了总结，山西大同中心地震台对防雷改造台站的21套专业设备进行了测试，结果表明防雷改造未对观测数据产生干扰，仪器的观测精度、相关性、超差个数等各项指标均正常，防雷改造取得初步成效[3]；江苏省地震局对前兆台站的防雷工作进行了针对性总结，他们认为综合防雷措施主要应包括4类，按照投入与产出效能比依次为: 地网建设≥综合布线≥配电避雷≥信号避雷，并且需要因地制宜、全面考虑相关因素制定适合当地台站的改造方案，方能较好地提升综合防雷效能；安徽省地震局采取定量化数值评分方法，对台站综合防雷保障系统各构成要素运行实效进行了评估，该评估方法能够客观的反映安徽台网防雷保障系统运行状态与改造实效，为台站防雷工作提供了可持续的技术保障与指导[4]。

随着时间的推移，防雷设施会逐渐老化，设备故障率也会升高，严重的甚至会导致台站防雷措施的失效，而如何能快速准确的评价台站防雷总体效果，正确指导防雷仪器维护、设备更新、设施巩固等工作，这需要一套全面完善的评估体系和标准。目前，地震行业虽有用于综合防雷建设与维护管理的行业标准《DB/T 68-2017：地震台站综合防雷》[5]，但还没有台站防雷相关的效能评估体系。所以，作者利用相关项目开发的《重庆市测震台网业务数据信息化管理软件》收集了大量数据，拟通过对数据的整理与分析，找到一套适用于地震台站的防雷效能评估标准，并希望依托该标准指导台站防雷的运行保障工作，达到节省仪器维护与更新成本，提升台站运行和数据质量，巩固防雷改造效益的目的。

1 资料收集与分析

通过台站综合防雷改造和运维工作的开展，以及相关业务软件的运行，可以收集到大量的防雷业务信息，其中主要分为台站信息、防雷基础信息、防雷台站巡检信息3类。台站信息主要包括：经纬度、专业设备信息、台基岩性、场地类型、地区雷害情况等数据；防雷基础信息主要包括：接闪带与引下线、交流配电防护、通讯线路雷电保护、信号雷电防护、接地网、综合布线、雷电预警系统、仪器设备静电屏蔽等数据；防雷台站巡检信息主要包括：观测系统运行状态、接地电阻、雷害故障、设备雷击记录等数据。通过业务软件对以上信息进行汇集和整理，可进一步总结出台站雷击的主要原因，分析控制防雷效果的关键环节与因素，为防雷效能评估标准设计提供数据支持。

2 标准组成与构建

由于雷电问题的复杂性，其能量巨大、破坏力极强、入侵危害途径不定，想从单一环节去解决防雷问题很困难[2]，所以应结合地震台站的实际情况，采用综合防雷的思路来设计效能评估方案。根据重庆市地震台站多年的防雷运维经验，并结合防雷改造内容及运行情况，对收集的数据进行分析后，确定防雷效能评估体系架构应由防雷基础能力、设施设备年限、雷害概率和台站巡检4项构成（图1）。

图1 台站防雷效能评估体系架构Fig. 1 Lightning protection effectiveness evaluation system of seismic station

2.1 防雷基础能力

防雷基础能力体现了一个地震台站抗击雷电灾害的综合性能。当一个台站建设完毕后，其建筑结构与地震设施设备耦合成为一个复合的防雷系统，它的防雷基础能力基本确定，故衡量其性能指标对评估防雷效能具有重要意义。根据地震行业标准《DB/T 68-2017：地震台站综合防雷》[5]以及运维经验，我们认为，防雷基础能力主要由台站的防雷设施设备、配电系统、布线和仪器特性等较为固有的因素决定。所以，我们根据上述因素制定了表1，以实现对台站防雷基础能力的量化评定，表中各项目分值则是根据历年来各台站雷击灾损数据而获得，主要是对雷 击泄流通道、受损部位、薄弱环节等方面进行综合考虑，依据防雷贡献程度进行分值配比，占比较重的4个项目为：台站布线、接地网、信号防雷和配电系统防护。

表1 台站防雷基础能力评分表Table 1 Rating sheet of lightning protection basic ability for seismic station

续表1

续表1

我们根据表1对防雷改造前各台站防雷基础能力进行了计算，并对各台计算分值进行了频数及分布验证分析（图2），其中图2a是台站防雷基础能力评分的频数直方图，可以看出其图像呈现钟形分布，而图2b则是验证评分正态分布特性的Q-Q图，可以看出数据点趋近落在y=x的直线附近，上述结果证明，该评分表在项目和分值上设置合理，既能较为准确的计算防雷基础性能，又具有较强的区分能力。

图2 台站防雷基础能力评分频数直方图和Q-Q图Fig. 2 Frequent histogram andQ-Q plot of lightning protection basic ability score for seismic station

2.2 设施设备年限

设施设备年限主要体现在台站内设施和设备投入使用和运行的时间上。因防雷设施设备使用的时间越长，其元器件越易老化，防雷能力就会变差，所以该项指标应纳入防雷效能评估体系中。根据台站建设、运行维护等资料，我们制作了每个台站设施设备的使用与更新台账。通过该台账不仅可以查询各台站设施设备的使用年限，还能提前定制设备更新、设施维护等计划，在一定程度上节省了运维成本。

2.3 雷害风险

我国年平均雷暴日25天，大部分地震台站受雷电危害影响较大，较为严重的占1/4—1/3[6]。重庆市也属多雷区，年平均雷暴日37.48天，一年中任何月份都可出现雷暴，以7—8月为最多[7]，所以地震台站的雷害风险是影响防雷效能的重要因素。

雷害风险是一个系统被雷电损害的风险概率，而地震台站与所处地区的气候条件、地质环境、电力线路等固有及可变因素组成了一个综合系统。本标准所指的地震台站雷害风险主要依据重庆市气象局防雷中心编制的《重庆市雷电灾害风险区划图集（2019年）》[8]评定及更新。雷电灾害风险区划主要选取地闪密度、地闪强度、海拔高度、地形起伏、土壤电导率等因子计算雷电灾害风险指数，并将全市雷电灾害风险划分为极高、高、一般风险等级。从图3中可以看出：重庆市雷电灾害风险极高区域主要分布在重庆主城区、渝西及渝东北部分地区。在重庆市地震台网的44个台站中，其中雷害极高风险占比39%，高风险占比41%，一般风险占比20%。而在防雷改造的21个台站中，雷害极高风险占比更是高达57%，这也反映出重庆市前4批次综合防雷改造目标选择合理，改造对象均是雷害风险高、仪器设备多、损失影响大的台站。

图3 重庆市雷电灾害风险区划图Fig. 3 Lightning hazard risk zoning map of Chongqing

另外，配备钻孔应变仪的台站在观测房附近有较深的钻孔，钻孔金属套管接地电阻一般都小于台站接地地网电阻，一旦地网上有强雷电，那么与钻孔井套管接触的探头就极有可能成为雷电的另一泄流通道，进而引起台站内观测系统被雷击损坏[9]。以巴南石龙台为例，虽然其位于一般雷害风险区域，但由于其钻孔应变仪的引雷特性，其年平均雷击故障次数在2次以上。据统计，2011—2019年配备钻孔应变仪的台站雷击故障比其他台站高62%。所以，在进行台站雷击风险评估时，应将仪器引雷特性考虑进去，并适当提高该台的雷害风险评级。

2.4 台站巡检

台站巡检是定期对各台站防雷技术系统进行的巡视检查，目的是查看台站防雷环境，掌握防雷设施设备、地震专业设备的实时运行状态，并对接地电阻、交流与配电等关键点进行测试和数据收集。巡检的内容主要依据台站防雷基础能力评分表（表1）中的评分项目，考虑到实地运维工作特点对表1中的子项进行了简化，并重点抽取了容易发生动态变化的项目来制作巡检专用的台站防雷运行状况调查表。调查表中主要包含了接闪器与引下线检测、接地网检测、交流配电线路检测、电源与信号防雷器检测、雷电预警器检测等附表，同时为了减轻巡检人员工作量和降低时间成本，将上述附表的评价方式设置为优、良、中、差4个定性等次的模式。台站的巡检数据不仅记录了防雷能力的动态变化，还可以帮助正确评价当前的整体防雷效能。所以，周期性的台站巡检非常必要，对发现的问题可以进行及时的维护与整改，这是防止雷害损失的有效手段。

3 评估标准设计

我们利用防雷效能评估体系的4个组成部分来构建评估模型，模型公式为：

式中，台站防雷效能评估得分由评估体系的4个组成部分共同决定，各部分的系数表征了其对评估得分的贡献和权重。其中基础信息得分由表1计算得到；设施设备年限得分是依据设施和设备的安装运行台账计算使用时限，最后做归一化处理得出综合评分；雷害概率得分则是根据雷电灾害风险，将重庆地区划分为极高、高、一般风险3个等级，各台站依据所处风险等级被赋予3个等次的分值；最新巡检得分主要是根据最近一次台站巡检记录的台站防雷运行状况调查表来评分，根据调查表中各评价项目的定性等次，分别赋予相应分值，最后计算得到台站的最新巡检得分。

而模型公式中系数的求解则属于线性反演问题，可以由台站历年积累的防雷业务数据求解。我们收集了2010—2015年防雷改造之前的雷害运维数据，对雷害次数和观测数据质量进行综合评判后得到实际的防雷效能得分，并将此得分作为系数反演的台站防雷效能评估得分初值。

利用以上数据，即可构造反演矩阵方程：

方程具体形式形如：

式（2）中，d代表台站防雷效能评估得分列向量，G矩阵为线性算子，由防雷评估体系的4个组成部分构成，模型参数m即为待求的系数列向量。式（3）是式（2）的具体展开形式，各符号的下标代表台站序号，stan代表第n个台站的防雷效能评估得分，J代表基础信息得分，S代表设施设备年限得分，L代表雷害概率得分，X代表台站最新巡检得分。

在反演计算中，最小二乘法的目标是求误差最小平方和，而考虑到模型的实际意义，误差最小平方和结果往往并不理想，故我们需要寻找最优化解决方法。我们共采用了3种方法进行参数反演：最小二乘法、非负最小二乘法和约束条件最小二乘法，图4为参数拟合情况。从拟合结果可看出：最小二乘法，虽然数据拟合度高，且拟合数据与实际数据残差小（残差二范数：144），但求得的系数带有负值，与实际情况不符，无实际意义；采用非负最小二乘法（残差二范数：260），虽然避免了参数为负的情况，但部分参数结果为0，亦无实际意义；而采用约束条件的最小二乘方法能得到更好的结果，因其利用约束条件和迭代过程优化了反演过程，在最优容差范围内求得了参数向量，并尽可能的拟合实际数据和降低残差（残差二范数：538），较为真实的还原了评估得分模型中各组成部分的系数。

图4 评估公式参数拟合Fig. 4 Parameter fitting of evaluation formula

从参数反演结果（表2）可看出：对防雷评估影响最大的是最新巡检得分，这也意味着控制台站防雷效能是当前防雷系统中各要素的综合防护状态。在获得台站防雷效能评估得分公式后，即可在每次台站巡检后对各台站的防雷效能做出较为准确的评价。

表2 评估公式的参数反演结果Table 2 The parameter inversion results of evaluation formula

4 标准应用

根据得到的防雷效能评估标准和公式，我们计算得到了2018—2019年的防雷效能评估结果（图5），图中偏红区县的台站防雷效能评估得分较低，偏绿则得分较高。我们可以通过台站实际雷击故障次数及观测质量影响对比验证，发现评估得分较高的台站均未遭受雷击，而评分较低的巫山、石柱等区县台站分别有2—3次雷击故障或仪器损坏，这说明防雷效能评估得分较为准确的反应了台站的防雷能力。下一步防雷工作的重点目标将针对效能评估得分较低的台站，根据台站巡检以及运维记录，对防雷技术系统的薄弱环节进行加强，对故障和失效的设施设备进行维修或更换。

图5 2018—2019年防雷效能评估结果Fig. 5 Lightning protection effectiveness evaluation results for 2018—2019

5 结论

本研究根据重庆市地震局综合防雷改造项目的实践经验，设计了适用于地震台站的防雷效能评估标准。本着综合防雷的思想构建评价体系，通过相关软件收集防雷工作的大量数据，采用约束条件最小二乘方法获得了评估公式。防雷效能评估标准在重庆地震台站的实践应用表明：该评估体系能较为全面的涵盖台站防雷的各项控制要素，不仅包含了防雷基础信息、雷害风险等台站固有信息，还包含了台站巡检、设施设备年限等动态数据，上述数据信息通过评估公式联合在一起，综合反映出一个地震台站的实际防雷效能。工作人员既可以利用效能评估从总体上了解各台站的综合防雷能力，确定未来的工作目标；又能从细节入手，利用评估模型找到台站防雷系统中的薄弱环节，通过维护维修等手段及时加强台站防雷能力。当然，本文提出的防雷效能评估标准，是根据近几年重庆地区防雷改造项目的数据而获得，标准的完备性和适用性还有待后续数据的补充和验证。而想要保持一套标准或体系的生命力，则需要定期对其进行复审和修订[10]，以不断保持标准的系统性、协调性和合理性。

防雷效能评估标准的建立实质上是防雷工作的体系化、信息化和标准化，评估标准的使用实现了对重庆市地震台站防雷工作的动态跟踪监视，提升了防雷日常管理与运维效率，巩固了防雷改造效益。希望本评估标准的使用能够推动地震行业防雷技术规范的应用与发展，进而为防震减灾事业提供有力保障。

致谢

衷心感谢中国地震局地壳应力研究所赵刚研究员对本研究的指导和帮助。