淺談雷電對地震臺站的破壞與防護

《淺談雷電對地震臺站的破壞與防護》中國科學院全宇辰近些年來由雷電引發(fā)的地震臺站設(shè)備損壞事故頻繁發(fā)生，并呈迅速上升的趨勢，由雷害所造成的嚴重破壞作用和巨大的經(jīng)濟損失，引起了廣大地震工作者的憂慮和強烈關(guān)注。雖然從全國區(qū)域范圍內(nèi)進行的有關(guān)的統(tǒng)計結(jié)果表明雷電現(xiàn)象發(fā)生的絕對值并沒有多大增加，但為什么雷電引起的臺站設(shè)備損壞頻度卻日趨增多，而且造成的破壞程度也日趨嚴重呢？近些年來由于高新技術(shù)的發(fā)展，尤其是地震監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展及人類對地震災害預警的強烈需求，推動了地震臺站微電子設(shè)備的普及和應(yīng)用，其中借助計算機系統(tǒng)進行信息處理、數(shù)據(jù)處理、自動化監(jiān)測工作。先進的臺站檢測設(shè)備中，包括電子計算機、微電子監(jiān)測設(shè)備、信號數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備耐受過電壓、過電流的能力相對較低，同時也缺乏必要的雷電防護技術(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，受到過電壓后即損壞，更經(jīng)受不起雷電強烈沖擊的破壞，它們的供電系統(tǒng)及數(shù)據(jù)信號傳輸線路較長，地震臺站基本位于高山、丘陵和地質(zhì)狀況十分復雜的區(qū)域，其特點是沒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區(qū)域。從數(shù)據(jù)采集、信號處理、信號遠距離傳輸和數(shù)據(jù)計算機處理，特別是暴露在室外的長距離輸送線，以及動力電源輸送線路等，都有容易遭受雷擊，產(chǎn)生雷過電壓，并侵入設(shè)備，將設(shè)備擊毀。從筆者對遭雷擊損壞的臺站設(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)備時的脈沖寬度在10/350μS。數(shù)據(jù)信號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)備時的脈沖寬度在8/20μS。電源線遭受直接雷電侵害，數(shù)據(jù)信號線遭受雷電電磁脈沖感應(yīng)過電壓侵害。但目前對于在地震臺站如此地理狀況下抵御雷害現(xiàn)象，保護臺站設(shè)備的相關(guān)國家標準還沒有出臺，所能夠提供有效防護的防雷技術(shù)研究和防雷技術(shù)產(chǎn)品卻相對發(fā)展滯后，特別是高品質(zhì)的防雷技術(shù)產(chǎn)品相對饋乏，未能對置身于地震臺站復雜地理狀況下，研究開發(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和主板遭雷擊燒毀的CPU和主板地震臺站的基本狀況：1．地震監(jiān)測臺站系統(tǒng)工作示意圖：雷電雷電雷電雷電襲擊遠距離[100米至2000米]數(shù)據(jù)信號線串聯(lián)型間隙放電式兩級保護電源防雷箱UPS不間斷電源計算機及相關(guān)設(shè)備高頻信號防雷器24位數(shù)據(jù)采集器雷電雷電雷電雷電襲擊遠距離[100米至2000米]數(shù)據(jù)信號線串聯(lián)型間隙放電式兩級保護電源防雷箱UPS不間斷電源計算機及相關(guān)設(shè)備高頻信號防雷器24位數(shù)據(jù)采集器Internet雷電襲擊戶外電源線12V/5A穩(wěn)壓電源UPS不間Internet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)型間隙放電式兩級保護電源防雷箱雷電雷電數(shù)據(jù)線信號防雷器ADSL調(diào)制解調(diào)器等電位帶數(shù)據(jù)線信號防雷器ADSL調(diào)制解調(diào)器等電位帶100MHz長線驅(qū)動調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)線信號防雷器100MHz長線驅(qū)動調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)線信號防雷器拾震器拾震器GPS天線GPS天線數(shù)據(jù)線信號防雷器100MHz長線驅(qū)動調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)線信號防雷器100MHz長線驅(qū)動調(diào)制解調(diào)器雷電襲擊戶外電源線雷電襲擊戶外電源線等電位帶等電位帶2．地震監(jiān)測臺站系統(tǒng)工作原理簡介：通過24位數(shù)據(jù)采集器，采集拾震器地動信號，將地動脈沖信號進行數(shù)字化處理，使脈沖信號改變成數(shù)據(jù)信號。然后經(jīng)過24位數(shù)據(jù)采集器通過GPS無線傳輸系統(tǒng)、Internet和100M有線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信號分層次和分界面的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h距離的計算機機房進行數(shù)據(jù)匯總和篩選處理，經(jīng)過計算機復雜的處理、判斷、將具備重要等級的地動數(shù)據(jù)置換出來，提供給有關(guān)科技人員，用來決策地震災害的預警等級工作。二、雷電[地震監(jiān)測臺站系統(tǒng)]的入侵渠道：1．雷電的形成：雷電是一種常見的氣象物理現(xiàn)象，太陽對地球的輻射，引起地面水分子向上蒸發(fā)運動，水分子在高速空中氣流運動影響下，分裂成帶負電荷的較大顆粒和帶正電荷的較小顆粒，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施快速切割運動，導致云層改變?yōu)槎€獨立的帶電體：帶負電荷的顆粒分子團和帶正電荷的顆粒分子團。根據(jù)靜電感應(yīng)理論，電荷顆粒分子團與大地產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，稱之雷電現(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入臺站設(shè)備電源輸入端，當雷電高電壓超過超過設(shè)備的承受時，設(shè)備就發(fā)生永久性損壞。在臺站機房首先擊穿UPS電源的火線與地線端、火線與零線端、零線與地線端。當UPS電源擊毀后，短時間內(nèi)的第二次雷電高壓便直接進入臺站后續(xù)終端設(shè)備，可以造成臺站機房內(nèi)其它設(shè)備損壞。信號線引入：當直接雷擊放電過程中，強大的脈沖電流所產(chǎn)生的強力變化磁場將會對周圍的導線或金屬物體產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而引發(fā)過電壓，信號線攜帶過電壓進入臺站，直接燒毀調(diào)制解調(diào)器和GPS系統(tǒng)。經(jīng)過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。當調(diào)制解調(diào)器損壞后，短時間內(nèi)的第二次雷電高壓便直接進入臺站后續(xù)終端設(shè)備，可以造成臺站機房內(nèi)其它設(shè)備損壞。3）雷電引起的地電位高壓反擊：當雷電擊在避雷針[或其它與大地有直接聯(lián)系金屬導體]時，就會有雷電從高電壓形式轉(zhuǎn)變成電流形式通過引下線釋放到大地，從而引起臺站地電位升高。即地線電位升高，至使臺站設(shè)備外殼呈現(xiàn)高電位，如果外殼電位與設(shè)備電源電壓之差大于設(shè)備承受時，就會造成設(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。雷擊時強大的雷電流經(jīng)過避雷針、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，即產(chǎn)生高壓地電位順地線反擊進入臺站機房，入侵電壓可高達數(shù)萬伏以上。機房內(nèi)，有計算機設(shè)備接地線、金屬門窗接地、暖氣管道、煤氣管道、自來水管道等金屬接地導體，雷電反擊發(fā)生，導致計算機外殼、金屬門窗接地、暖氣管道、煤氣管道、自來水管道等金屬接地導體上均攜帶不同的高電壓，如果此時有一位操作人員身體的一部分靠近一個金屬接地導體（如：機殼），而身體的另一部分靠近另一個金屬接地導體（如：暖氣），由于兩個接地導體的反擊電位不同，產(chǎn)生了電位差，這個電位差就會通過操作人員的身體形成回路，造成操作人員傷亡。三、地震臺站機房的雷電防護：電源系統(tǒng)的雷電防護：為了抵御雷電襲擊電源線，導致電源線攜帶高電壓破壞臺站設(shè)備，就必須安裝串聯(lián)型二級保護的電源防雷系統(tǒng)。第一級為火花間隙放電保護，保護模式為火線對地線、零線對地線、火線對零線，共用3只火花間隙放電器?？梢缘钟?0KA、10/350μS雷電波形的直接雷電侵襲。第二級為半導體過電壓保護器，保護模式為火線對地線、零線對地線、火線對零線，共用半導體過電壓保護器?？梢缘钟?0KA、8/20uS雷電波形的感應(yīng)雷電侵襲。在第一級火花間隙放電器與第二級半導體過電壓保護器之間，每一相中均串聯(lián)一只大功率解偶器，對第一級火花間隙放電器與第二級半導體過電壓保護器在保護時間上人為的插入過渡時間區(qū)，用來保證第一級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半導體過電壓保護器進行進一步的吸收?；鸹ㄩg隙放電器可以吸收90%的雷電能量，過電壓保護器將殘余雷電全部吸收。雷電襲擊戶外電源線雷電襲擊戶外電源線臺站電子設(shè)備解偶器臺站電子設(shè)備解偶器解偶器解偶器安裝在臺站機房的串聯(lián)型火花間隙放電式電源防雷柜和電源防雷箱安裝在臺站機房的串聯(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)信號線的雷電防護：數(shù)據(jù)信號防雷器件，是一個串聯(lián)型二級保護的信號防雷器件。它采用惰性間隙放電作為保護系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)線對大地并聯(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)成第一級保護。惰性間隙放電系統(tǒng)可以通過較大的雷電能量。通過高頻延遲解偶器，把第一級保護后的殘余部分傳遞給第二級過電壓保護系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)線對大地并聯(lián)半導體過電壓保護器件，在數(shù)據(jù)線之間也并聯(lián)半導體過電壓保護器件，由三組半導體過電壓保護器件，構(gòu)成第二級保護系統(tǒng)。從而，有效的抵御雷電對信號通信設(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)信號線，雷電高電壓沿信號線侵入設(shè)備高頻延遲解偶器數(shù)據(jù)線1接至調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備雷電襲擊數(shù)據(jù)信號線，雷電高電壓沿信號線侵入設(shè)備高頻延遲解偶器數(shù)據(jù)線1惰性間隙放電系統(tǒng)半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統(tǒng)半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統(tǒng)半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統(tǒng)半導體過電壓保護器半導體過電壓保護器半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統(tǒng)惰性間隙放電系統(tǒng)數(shù)據(jù)線2高頻延遲解偶器數(shù)據(jù)線2高頻延遲解偶器安裝在臺站機房的數(shù)據(jù)信號防雷器和GPS高頻信號防雷器安裝在臺站機房的數(shù)據(jù)信號防雷器和GPS高頻信號防雷器3．均壓等電位防護：比如說，一個人乘電梯，人與電梯是等電位，不論電梯運行到哪個樓層，人與電梯都是相對等電位。如果說，電梯是防雷器，則人是用電器，它們同時上、同時下，永遠保持等電位的關(guān)系，這是原則問題。什么是均壓等電位呢？為實現(xiàn)雷擊保護，電位均衡必須采用均壓等電位導體或過電壓保護器將處于被保護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、各種導電體、供電及通訊設(shè)備連接在一起。構(gòu)成一個電位基本相等的界面。實現(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。在機房內(nèi)，除了安裝電源防雷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)，還要在機房內(nèi)鋪設(shè)均壓等電位地網(wǎng)，在沒有防靜電地板的情況下，應(yīng)該在機房內(nèi)沿墻鋪設(shè)銅帶，把每一臺計算機設(shè)備的保護地線就近與均壓等電位帶連接。實現(xiàn)全面等電位，消滅雷電反擊現(xiàn)象，保護操作人員的人身安全。四、正確的實施雷電防護近幾年來，雷電經(jīng)常侵襲內(nèi)蒙古地震局下屬的臺站機房，盡管也采取了一定的防雷措施，但效果不明顯。在地震局工程師認真學習有關(guān)防雷標準，請教專家，并針對全區(qū)臺站機房所處的地理條件和氣候條件進行了全面調(diào)研，統(tǒng)計了全區(qū)地震系統(tǒng)雷電災害的分布情況。并因地制宜的制定了全區(qū)雷電防護方案。拋棄了以壓敏電阻為基礎(chǔ)防雷元件的陳舊防雷理念，認真學習和貫徹執(zhí)行IEC國際電工委員會雷電防護標準，大膽在臺站機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年開始，在典型雷擊地區(qū)：清水河子臺站機房、東勝子臺站機房、烏海子臺站機房、西山嘴子臺站機房、百靈廟子臺站機房、烏蘭花子臺站機房、寶昌子臺站機房等，安裝了抵御直接雷擊的串聯(lián)型火花間隙放電式電源