《淺談雷電對(duì)地震臺(tái)站的破壞與防護(hù)》_secret

1、淺談雷電對(duì)地震臺(tái)站的破壞與防護(hù)中國(guó)科學(xué)院 全宇辰 - PAGE 6 -淺談雷電對(duì)地震臺(tái)站的破壞與防護(hù)中國(guó)科學(xué)院 全宇辰近些年來(lái)由雷電引發(fā)的地震臺(tái)站設(shè)備損壞事故頻繁發(fā)生，并呈迅速上升的趨勢(shì)，由雷害所造成的嚴(yán)重破壞作用和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，引起了廣大地震工作者的憂慮和強(qiáng)烈關(guān)注。雖然從全國(guó)區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行的有關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明雷電現(xiàn)象發(fā)生的絕對(duì)值并沒(méi)有多大增加，但為什么雷電引起的臺(tái)站設(shè)備損壞頻度卻日趨增多，而且造成的破壞程度也日趨嚴(yán)重呢？近些年來(lái)由于高新技術(shù)的發(fā)展，尤其是地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展及人類(lèi)對(duì)地震災(zāi)害預(yù)警的強(qiáng)烈需求，推動(dòng)了地震臺(tái)站微電子設(shè)備的普及和應(yīng)用，其中借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)

2、化監(jiān)測(cè)工作。先進(jìn)的臺(tái)站檢測(cè)設(shè)備中，包括電子計(jì)算機(jī)、微電子監(jiān)測(cè)設(shè)備、信號(hào)數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備耐受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力相對(duì)較低，同時(shí)也缺乏必要的雷電防護(hù)技術(shù)措施，另外，在現(xiàn)代高新技術(shù)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中大量采用了大規(guī)模及超大規(guī)模的電子集成電路制造技術(shù)，且集成的程度越高，內(nèi)部的線間距離越小，則元器件的耐壓程度也就越低，受到過(guò)電壓后即損壞，更經(jīng)受不起雷電強(qiáng)烈沖擊的破壞，它們的供電系統(tǒng)及數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸線路較長(zhǎng)，地震臺(tái)站基本位于高山、丘陵和地質(zhì)狀況十分復(fù)雜的區(qū)域，其特點(diǎn)是沒(méi)有高樓大廈和高大建筑物區(qū)域，并且地下土壤電阻較高，基本處于雷電頻繁活動(dòng)區(qū)域。從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)處理，特別是暴露在

3、室外的長(zhǎng)距離輸送線，以及動(dòng)力電源輸送線路等，都有容易遭受雷擊，產(chǎn)生雷過(guò)電壓，并侵入設(shè)備，將設(shè)備擊毀。從筆者對(duì)遭雷擊損壞的臺(tái)站設(shè)備的損壞程度分析：電源輸入端遭遇的雷電能量大約在20000焦耳以上，雷電高電壓擊穿設(shè)備時(shí)的脈沖寬度在10/350S。數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端遭受的雷電能量大約在2000焦耳以上，雷電感應(yīng)電壓擊穿設(shè)備時(shí)的脈沖寬度在8/20S。電源線遭受直接雷電侵害，數(shù)據(jù)信號(hào)線遭受雷電電磁脈沖感應(yīng)過(guò)電壓侵害。但目前對(duì)于在地震臺(tái)站如此地理狀況下抵御雷害現(xiàn)象，保護(hù)臺(tái)站設(shè)備的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有出臺(tái)，所能夠提供有效防護(hù)的防雷技術(shù)研究和防雷技術(shù)產(chǎn)品卻相對(duì)發(fā)展滯后，特別是高品質(zhì)的防雷技術(shù)產(chǎn)品相對(duì)饋乏，未能對(duì)置身

4、于地震臺(tái)站復(fù)雜地理狀況下，研究開(kāi)發(fā)出有效抵御雷電的高新防雷產(chǎn)品，致使雷害事故日趨增多。遭雷擊燒毀的CPU和主板地震臺(tái)站的基本狀況：1地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站系統(tǒng)工作示意圖：雷電雷電雷電雷電襲擊遠(yuǎn)距離100米至2000米數(shù)據(jù)信號(hào)線串聯(lián)型間隙放電式兩級(jí)保護(hù)電源防雷箱UPS不間斷電源計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備高頻信號(hào)防雷器24位數(shù)據(jù)采集器 Inter net雷電襲擊戶外電源線12V/5A穩(wěn)壓電源UPS不間斷電源串聯(lián)型間隙放電式兩級(jí)保護(hù)電源防雷箱雷電數(shù)據(jù)線信號(hào)防雷器ADSL調(diào)制解調(diào)器等電位帶100MHz長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)線信號(hào)防雷器拾震器GPS天 線數(shù)據(jù)線信號(hào)防雷器100MHz長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)調(diào)制解調(diào)器雷電襲擊戶外電源線等電位

5、帶2地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介：通過(guò)24位數(shù)據(jù)采集器，采集拾震器地動(dòng)信號(hào)，將地動(dòng)脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使脈沖信號(hào)改變成數(shù)據(jù)信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)24位數(shù)據(jù)采集器通過(guò)GPS無(wú)線傳輸系統(tǒng)、Internet和100M有線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信號(hào)分層次和分界面的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和篩選處理，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)復(fù)雜的處理、判斷、將具備重要等級(jí)的地動(dòng)數(shù)據(jù)置換出來(lái)，提供給有關(guān)科技人員，用來(lái)決策地震災(zāi)害的預(yù)警等級(jí)工作。二、雷電地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站系統(tǒng)的入侵渠道：1雷電的形成：雷電是一種常見(jiàn)的氣象物理現(xiàn)象，太陽(yáng)對(duì)地球的輻射，引起地面水分子向上蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)，水分子在高速空中氣流運(yùn)動(dòng)影響下，分裂成帶負(fù)電荷的較大顆粒和帶正電

6、荷的較小顆粒，帶正電荷的較小顆粒被上升氣流帶上高空懸浮于云層上部，帶付電荷的較大顆粒沉淀于云層底部，由于高空橫向氣流從云層中部實(shí)施快速切割運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致云層改變?yōu)槎€(gè)獨(dú)立的帶電體：帶負(fù)電荷的顆粒分子團(tuán)和帶正電荷的顆粒分子團(tuán)。根據(jù)靜電感應(yīng)理論，電荷顆粒分子團(tuán)與大地產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，稱(chēng)之雷電現(xiàn)象。2雷電的入侵渠道：電源線引入：雷電直接擊中電源線路，雷電高壓沿電源線進(jìn)入臺(tái)站設(shè)備電源輸入端，當(dāng)雷電高電壓超過(guò)超過(guò)設(shè)備的承受時(shí)，設(shè)備就發(fā)生永久性損壞。在臺(tái)站機(jī)房首先擊穿UPS電源的火線與地線端、火線與零線端、零線與地線端。當(dāng)UPS電源擊毀后，短時(shí)間內(nèi)的第二次雷電高壓便直接進(jìn)入臺(tái)站后續(xù)終端設(shè)備，可以造成臺(tái)站機(jī)房?jī)?nèi)其

7、它設(shè)備損壞。信號(hào)線引入：當(dāng)直接雷擊放電過(guò)程中，強(qiáng)大的脈沖電流所產(chǎn)生的強(qiáng)力變化磁場(chǎng)將會(huì)對(duì)周?chē)膶?dǎo)線或金屬物體產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而引發(fā)過(guò)電壓，信號(hào)線攜帶過(guò)電壓進(jìn)入臺(tái)站，直接燒毀調(diào)制解調(diào)器和GPS系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)筆者大量觀察分析燒毀的調(diào)制解調(diào)器后，發(fā)現(xiàn)線與大地間絕緣系統(tǒng)損壞，線與線間的接口芯片燒毀。當(dāng)調(diào)制解調(diào)器損壞后，短時(shí)間內(nèi)的第二次雷電高壓便直接進(jìn)入臺(tái)站后續(xù)終端設(shè)備，可以造成臺(tái)站機(jī)房?jī)?nèi)其它設(shè)備損壞。3）雷電引起的地電位高壓反擊：當(dāng)雷電擊在避雷針或其它與大地有直接聯(lián)系金屬導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)有雷電從高電壓形式轉(zhuǎn)變成電流形式通過(guò)引下線釋放到大地，從而引起臺(tái)站地電位升高。即地線電位升高，至使臺(tái)站設(shè)備外殼呈現(xiàn)高電位，如果

8、外殼電位與設(shè)備電源電壓之差大于設(shè)備承受時(shí)，就會(huì)造成設(shè)備燒毀。4）雷電引起的人身安全：避雷針或其它與大地有直接聯(lián)系金屬導(dǎo)體是引雷器，把雷電高電壓轉(zhuǎn)變成電流形式泄放到大地。雷擊時(shí)強(qiáng)大的雷電流經(jīng)過(guò)避雷針、引下線和接地體泄入大地，由于土壤電阻率較大，在接地體附近放射型的電位分布，若有連接電子設(shè)備的其他接地體靠近時(shí)，即產(chǎn)生高壓地電位順地線反擊進(jìn)入臺(tái)站機(jī)房，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏以上。機(jī)房?jī)?nèi)，有計(jì)算機(jī)設(shè)備接地線、金屬門(mén)窗接地、暖氣管道、煤氣管道、自來(lái)水管道等金屬接地導(dǎo)體，雷電反擊發(fā)生，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)外殼、金屬門(mén)窗接地、暖氣管道、煤氣管道、自來(lái)水管道等金屬接地導(dǎo)體上均攜帶不同的高電壓，如果此時(shí)有一位操作人員身體的

9、一部分靠近一個(gè)金屬接地導(dǎo)體（如：機(jī)殼），而身體的另一部分靠近另一個(gè)金屬接地導(dǎo)體（如：暖氣），由于兩個(gè)接地導(dǎo)體的反擊電位不同，產(chǎn)生了電位差，這個(gè)電位差就會(huì)通過(guò)操作人員的身體形成回路，造成操作人員傷亡。三、地震臺(tái)站機(jī)房的雷電防護(hù)：電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)：為了抵御雷電襲擊電源線，導(dǎo)致電源線攜帶高電壓破壞臺(tái)站設(shè)備，就必須安裝串聯(lián)型二級(jí)保護(hù)的電源防雷系統(tǒng)。第一級(jí)為火花間隙放電保護(hù)，保護(hù)模式為火線對(duì)地線、零線對(duì)地線、火線對(duì)零線，共用3只火花間隙放電器。可以抵御50KA、10/350S雷電波形的直接雷電侵襲。第二級(jí)為半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器，保護(hù)模式為火線對(duì)地線、零線對(duì)地線、火線對(duì)零線，共用半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器?？梢缘?/p>

10、御50KA、8/20uS雷電波形的感應(yīng)雷電侵襲。在第一級(jí)火花間隙放電器與第二級(jí)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器之間，每一相中均串聯(lián)一只大功率解偶器，對(duì)第一級(jí)火花間隙放電器與第二級(jí)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器在保護(hù)時(shí)間上人為的插入過(guò)渡時(shí)間區(qū)，用來(lái)保證第一級(jí)火花間隙放電器充分吸收雷電能量后殘余的雷電能量再傳遞到第二級(jí)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器進(jìn)行進(jìn)一步的吸收?；鸹ㄩg隙放電器可以吸收90%的雷電能量，過(guò)電壓保護(hù)器將殘余雷電全部吸收。雷電襲擊戶外電源線臺(tái)站電子設(shè)備解偶器解偶器安裝在臺(tái)站機(jī)房的串聯(lián)型火花間隙放電式電源防雷柜和電源防雷箱2數(shù)據(jù)信號(hào)線的雷電防護(hù)：數(shù)據(jù)信號(hào)防雷器件，是一個(gè)串聯(lián)型二級(jí)保護(hù)的信號(hào)防雷器件。它采用惰性間隙放電作為保

11、護(hù)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)線對(duì)大地并聯(lián)惰性間隙放電系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)線之間也并聯(lián)惰性間隙放電系統(tǒng)，由三組惰性間隙放電系統(tǒng)構(gòu)成第一級(jí)保護(hù)。惰性間隙放電系統(tǒng)可以通過(guò)較大的雷電能量。通過(guò)高頻延遲解偶器，把第一級(jí)保護(hù)后的殘余部分傳遞給第二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)線對(duì)大地并聯(lián)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器件，在數(shù)據(jù)線之間也并聯(lián)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器件，由三組半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器件，構(gòu)成第二級(jí)保護(hù)系統(tǒng)。從而，有效的抵御雷電對(duì)信號(hào)通信設(shè)備的破壞。接至調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備雷電襲擊數(shù)據(jù)信號(hào)線，雷電高電壓沿信號(hào)線侵入設(shè)備高頻延遲解偶器 數(shù)據(jù)線1惰性間隙放電系統(tǒng)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器惰性間隙放電系統(tǒng)半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器半導(dǎo)體過(guò)電壓保護(hù)器惰性間隙放電系統(tǒng)數(shù)據(jù)

12、線2高頻延遲解偶器 安裝在臺(tái)站機(jī)房的數(shù)據(jù)信號(hào)防雷器和GPS高頻信號(hào)防雷器3均壓等電位防護(hù)：比如說(shuō)，一個(gè)人乘電梯，人與電梯是等電位，不論電梯運(yùn)行到哪個(gè)樓層，人與電梯都是相對(duì)等電位。如果說(shuō)，電梯是防雷器，則人是用電器，它們同時(shí)上、同時(shí)下，永遠(yuǎn)保持等電位的關(guān)系，這是原則問(wèn)題。什么是均壓等電位呢？為實(shí)現(xiàn)雷擊保護(hù)，電位均衡必須采用均壓等電位導(dǎo)體或過(guò)電壓保護(hù)器將處于被保護(hù)空間中的外部避雷裝置（如：避雷針）、建筑物的鋼筋架、安裝的設(shè)備、各種導(dǎo)電體、供電及通訊設(shè)備連接在一起。構(gòu)成一個(gè)電位基本相等的界面。實(shí)現(xiàn)全面的等電位，可以抵御雷電反擊，徹底消滅雷電引起的人身安全事故隱患。在機(jī)房?jī)?nèi)，除了安裝電源防雷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)

13、信號(hào)系統(tǒng)，還要在機(jī)房?jī)?nèi)鋪設(shè)均壓等電位地網(wǎng)，在沒(méi)有防靜電地板的情況下，應(yīng)該在機(jī)房?jī)?nèi)沿墻鋪設(shè)銅帶，把每一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備的保護(hù)地線就近與均壓等電位帶連接。實(shí)現(xiàn)全面等電位，消滅雷電反擊現(xiàn)象，保護(hù)操作人員的人身安全。四、正確的實(shí)施雷電防護(hù)近幾年來(lái)，雷電經(jīng)常侵襲內(nèi)蒙古地震局下屬的臺(tái)站機(jī)房，盡管也采取了一定的防雷措施，但效果不明顯。在地震局工程師認(rèn)真學(xué)習(xí)有關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)教專(zhuān)家，并針對(duì)全區(qū)臺(tái)站機(jī)房所處的地理?xiàng)l件和氣候條件進(jìn)行了全面調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了全區(qū)地震系統(tǒng)雷電災(zāi)害的分布情況。并因地制宜的制定了全區(qū)雷電防護(hù)方案。拋棄了以壓敏電阻為基礎(chǔ)防雷元件的陳舊防雷理念，認(rèn)真學(xué)習(xí)和貫徹執(zhí)行IEC國(guó)際電工委員會(huì)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，大膽在臺(tái)站機(jī)房使用以火花間隙放電原理為基礎(chǔ)的抵御直接雷擊為目的高新防雷產(chǎn)品，自1999年開(kāi)始，在典型雷擊地區(qū)：清水河子臺(tái)站機(jī)房、東勝子臺(tái)站機(jī)房、烏海子臺(tái)站機(jī)房、西山嘴子臺(tái)站機(jī)房、百靈廟子臺(tái)站機(jī)房、烏蘭花子臺(tái)站機(jī)房、寶昌子臺(tái)站機(jī)房等，安裝了抵御直接雷擊的串聯(lián)型火花間隙放電式電源防雷設(shè)備，2000年，海拉爾、二連浩特