浅谈雷电对地震台站的破坏与防护

《浅谈雷电对地震台站的破坏与防护》中国科学院全宇辰近些年来由雷电引发的地震台站设备损坏事故频繁发生，并呈迅速上升的趋势，由雷害所造成的严重破坏作用和巨大的经济损失，引起了广大地震工作者的忧虑和强烈关注。虽然从全国区域范围内进行的有关的统计结果表明雷电现象发生的绝对值并没有多大增加，但为什么雷电引起的台站设备损坏频度却日趋增多，而且造成的破坏程度也日趋严重呢？近些年来由于高新技术的发展，尤其是地震监测技术的飞速发展及人类对地震灾害预警的强烈需求，推动了地震台站微电子设备的普及和应用，其中借助计算机系统进行信息处理、数据处理、自动化监测工作。先进的台站检测设备中，包括电子计算机、微电子监测设备、信号数据采集和传输设备耐受过电压、过电流的能力相对较低，同时也缺乏必要的雷电防护技术措施，另外，在现代高新技术电子产品的生产中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术，且集成的程度越高，内部的线间距离越小，则元器件的耐压程度也就越低，受到过电压后即损坏，更经受不起雷电强烈冲击的破坏，它们的供电系统及数据信号传输线路较长，地震台站基本位于高山、丘陵和地质状况十分复杂的区域，其特点是没有高楼大厦和高大建筑物区域，并且地下土壤电阻较高，基本处于雷电频繁活动区域。从数据采集、信号处理、信号远距离传输和数据计算机处理，特别是暴露在室外的长距离输送线，以及动力电源输送线路等，都有容易遭受雷击，产生雷过电压，并侵入设备，将设备击毁。从笔者对遭雷击损坏的台站设备的损坏程度分析：电源输入端遭遇的雷电能量大约在20000焦耳以上，雷电高电压击穿设备时的脉冲宽度在10/350μS。数据信号输入端遭受的雷电能量大约在2000焦耳以上，雷电感应电压击穿设备时的脉冲宽度在8/20μS。电源线遭受直接雷电侵害，数据信号线遭受雷电电磁脉冲感应过电压侵害。但目前对于在地震台站如此地理状况下抵御雷害现象，保护台站设备的相关国家标准还没有出台，所能够提供有效防护的防雷技术研究和防雷技术产品却相对发展滞后，特别是高品质的防雷技术产品相对馈乏，未能对置身于地震台站复杂地理状况下，研究开发出有效抵御雷电的高新防雷产品，致使雷害事故日趋增多。遭雷击烧毁的CPU和主板遭雷击烧毁的CPU和主板地震台站的基本状况：1．地震监测台站系统工作示意图：雷电雷电雷电雷电袭击远距离[100米至2000米]数据信号线串联型间隙放电式两级保护电源防雷箱UPS不间断电源计算机及相关设备高频信号防雷器24位数据采集器雷电雷电雷电雷电袭击远距离[100米至2000米]数据信号线串联型间隙放电式两级保护电源防雷箱UPS不间断电源计算机及相关设备高频信号防雷器24位数据采集器Internet雷电袭击户外电源线12V/5A稳压电源UPS不间Internet雷电袭击户外电源线12V/5A稳压电源UPS不间断电源串联型间隙放电式两级保护电源防雷箱雷电雷电数据线信号防雷器ADSL调制解调器等电位带数据线信号防雷器ADSL调制解调器等电位带100MHz长线驱动调制解调器数据线信号防雷器100MHz长线驱动调制解调器数据线信号防雷器拾震器拾震器GPS天线GPS天线数据线信号防雷器100MHz长线驱动调制解调器数据线信号防雷器100MHz长线驱动调制解调器雷电袭击户外电源线雷电袭击户外电源线等电位带等电位带2．地震监测台站系统工作原理简介：通过24位数据采集器，采集拾震器地动信号，将地动脉冲信号进行数字化处理，使脉冲信号改变成数据信号。然后经过24位数据采集器通过GPS无线传输系统、Internet和100M有线传输系统将数据信号分层次和分界面的数据传输到远距离的计算机机房进行数据汇总和筛选处理，经过计算机复杂的处理、判断、将具备重要等级的地动数据置换出来，提供给有关科技人员，用来决策地震灾害的预警等级工作。二、雷电[地震监测台站系统]的入侵渠道：1．雷电的形成：雷电是一种常见的气象物理现象，太阳对地球的辐射，引起地面水分子向上蒸发运动，水分子在高速空中气流运动影响下，分裂成带负电荷的较大颗粒和带正电荷的较小颗粒，带正电荷的较小颗粒被上升气流带上高空悬浮于云层上部，带付电荷的较大颗粒沉淀于云层底部，由于高空横向气流从云层中部实施快速切割运动，导致云层改变为二个独立的带电体：带负电荷的颗粒分子团和带正电荷的颗粒分子团。根据静电感应理论，电荷颗粒分子团与大地产生的放电现象，称之雷电现象。2．雷电的入侵渠道：电源线引入：雷电直接击中电源线路，雷电高压沿电源线进入台站设备电源输入端，当雷电高电压超过超过设备的承受时，设备就发生永久性损坏。在台站机房首先击穿UPS电源的火线与地线端、火线与零线端、零线与地线端。当UPS电源击毁后，短时间内的第二次雷电高压便直接进入台站后续终端设备，可以造成台站机房内其它设备损坏。信号线引入：当直接雷击放电过程中，强大的脉冲电流所产生的强力变化磁场将会对周围的导线或金属物体产生电磁感应，从而引发过电压，信号线携带过电压进入台站，直接烧毁调制解调器和GPS系统。经过笔者大量观察分析烧毁的调制解调器后，发现线与大地间绝缘系统损坏，线与线间的接口芯片烧毁。当调制解调器损坏后，短时间内的第二次雷电高压便直接进入台站后续终端设备，可以造成台站机房内其它设备损坏。3）雷电引起的地电位高压反击：当雷电击在避雷针[或其它与大地有直接联系金属导体]时，就会有雷电从高电压形式转变成电流形式通过引下线释放到大地，从而引起台站地电位升高。即地线电位升高，至使台站设备外壳呈现高电位，如果外壳电位与设备电源电压之差大于设备承受时，就会造成设备烧毁。4）雷电引起的人身安全：避雷针[或其它与大地有直接联系金属导体]是引雷器，把雷电高电压转变成电流形式泄放到大地。雷击时强大的雷电流经过避雷针、引下线和接地体泄入大地，由于土壤电阻率较大，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位顺地线反击进入台站机房，入侵电压可高达数万伏以上。机房内，有计算机设备接地线、金属门窗接地、暖气管道、煤气管道、自来水管道等金属接地导体，雷电反击发生，导致计算机外壳、金属门窗接地、暖气管道、煤气管道、自来水管道等金属接地导体上均携带不同的高电压，如果此时有一位操作人员身体的一部分靠近一个金属接地导体（如：机壳），而身体的另一部分靠近另一个金属接地导体（如：暖气），由于两个接地导体的反击电位不同，产生了电位差，这个电位差就会通过操作人员的身体形成回路，造成操作人员伤亡。三、地震台站机房的雷电防护：电源系统的雷电防护：为了抵御雷电袭击电源线，导致电源线携带高电压破坏台站设备，就必须安装串联型二级保护的电源防雷系统。第一级为火花间隙放电保护，保护模式为火线对地线、零线对地线、火线对零线，共用3只火花间隙放电器。可以抵御50KA、10/350μS雷电波形的直接雷电侵袭。第二级为半导体过电压保护器，保护模式为火线对地线、零线对地线、火线对零线，共用半导体过电压保护器。可以抵御50KA、8/20uS雷电波形的感应雷电侵袭。在第一级火花间隙放电器与第二级半导体过电压保护器之间，每一相中均串联一只大功率解偶器，对第一级火花间隙放电器与第二级半导体过电压保护器在保护时间上人为的插入过渡时间区，用来保证第一级火花间隙放电器充分吸收雷电能量后残余的雷电能量再传递到第二级半导体过电压保护器进行进一步的吸收。火花间隙放电器可以吸收90%的雷电能量，过电压保护器将残余雷电全部吸收。雷电袭击户外电源线雷电袭击户外电源线台站电子设备解偶器台站电子设备解偶器解偶器解偶器安装在台站机房的串联型火花间隙放电式电源防雷柜和电源防雷箱安装在台站机房的串联型火花间隙放电式电源防雷柜和电源防雷箱2．数据信号线的雷电防护：数据信号防雷器件，是一个串联型二级保护的信号防雷器件。它采用惰性间隙放电作为保护系统，在数据线对大地并联惰性间隙放电系统，在数据线之间也并联惰性间隙放电系统，由三组惰性间隙放电系统构成第一级保护。惰性间隙放电系统可以通过较大的雷电能量。通过高频延迟解偶器，把第一级保护后的残余部分传递给第二级过电压保护系统。在数据线对大地并联半导体过电压保护器件，在数据线之间也并联半导体过电压保护器件，由三组半导体过电压保护器件，构成第二级保护系统。从而，有效的抵御雷电对信号通信设备的破坏。接至调制解调器等通信设备雷电袭击数据信号线，雷电高电压沿信号线侵入设备高频延迟解偶器数据线1接至调制解调器等通信设备雷电袭击数据信号线，雷电高电压沿信号线侵入设备高频延迟解偶器数据线1惰性间隙放电系统半导体过电压保护器惰性间隙放电系统半导体过电压保护器惰性间隙放电系统半导体过电压保护器惰性间隙放电系统半导体过电压保护器半导体过电压保护器半导体过电压保护器惰性间隙放电系统惰性间隙放电系统数据线2高频延迟解偶器数据线2高频延迟解偶器安装在台站机房的数据信号防雷器和GPS高频信号防雷器安装在台站机房的数据信号防雷器和GPS高频信号防雷器3．均压等电位防护：比如说，一个人乘电梯，人与电梯是等电位，不论电梯运行到哪个楼层，人与电梯都是相对等电位。如果说，电梯是防雷器，则人是用电器，它们同时上、同时下，永远保持等电位的关系，这是原则问题。什么是均压等电位呢？为实现雷击保护，电位均衡必须采用均压等电位导体或过电压保护器将处于被保护空间中的外部避雷装置（如：避雷针）、建筑物的钢筋架、安装的设备、各种导电体、供电及通讯设备连接在一起。构成一个电位基本相等的界面。实现全面的等电位，可以抵御雷电反击，彻底消灭雷电引起的人身安全事故隐患。在机房内，除了安装电源防雷系统和数据信号系统，还要在机房内铺设均压等电位地网，在没有防静电地板的情况下，应该在机房内沿墙铺设铜带，把每一台计算机设备的保护地线就近与均压等电位带连接。实现全面等电位，消灭雷电反击现象，保护操作人员的人身安全。四、正确的实施雷电防护近几年来，雷电经常侵袭内蒙古地震局下属的台站机房，尽管也采取了一定的防雷措施，但效果不明显。在地震局工程师认真学习有关防雷标准，请教专家，并针对全区台站机房所处的地理条件和气候条件进行了全面调研，统计了全区地震系统雷电灾害的分布情况。并因地制宜的制定了全区雷电防护方案。抛弃了以压敏电阻为基础防雷元件的陈旧防雷理念，认真学习和贯彻执行IEC国际电工委员会雷电防护标准，大胆在台站机房使用以火花间隙放电原理为基础的抵御直接雷击为目的高新防雷产品，自1999年开始，在典型雷击地区：清水河子台站机房、东胜子台站机房、乌海子台站机房、西山嘴子台站机房、百灵庙子台站机房、乌兰花子台站机房、宝昌子台站机房等，安装了抵御直接雷击的串联型火花间隙放电式电源