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浙江省地震观测台站综合防雷系统升级

浙江省地震观测台站综合防雷系统升级

张明1, 李慧峰2, 吕奥博2, 邱晓宇3    

1. 中国杭州 310013 浙江省地震局;
2. 中国浙江 315029 宁波地震台;
3. 中国浙江 323700 龙泉市科技局

本文收到日期:2016-05-12

基金项目:2016年全国测震台网青年骨干培养专项(项目编号:20160512)

作者简介:张明(1981-),男,黑龙江省牡丹江人,哈尔滨理工大学毕业,本科,工程师,主要从事地震观测台网的运维和信息系统运维工作.

摘要:以2014年浙江省地震局5个地震台站进行综合防雷系统升级改造为例,阐述浙江省数字观测台站雷击隐患,从配电系统、接地系统、通信系统和综合布线等方面出发,结合台站实际情况,对地质环境特殊的台站进行针对性防护,总结此次防雷系统改造的实际效果,分析不足之处,提出后续改造建议。

关键词综合防雷系统    雷击隐患    针对性防护    

Integrated lightning protection system upgrade in earthquake observation stations in Zhejiang Province

Zhang Ming1, Li Huifeng2, Lv Aobo2, Qiu Xiaoyu3    

1. Zhejiang Earthquake Agency, Hangzhou 310013, China;
2. Ningbo Seismic Station, Zhejiang Province 315029, China;
3. Longquan Municipal Science And Technology Bureau, Zhejiang Province 323700, China

Abstract: Taking integrated lightning protection system upgrade project of Zhejiang Earthquake Agency for fve stations in Ningbo in 2014 as an example, the lightning hazards at the digital observation stations in our province are expounded in this paper. From the aspects, such as power distribution system, grounding system, communication system and integrated wiring, etc, combing with the actual station situation and the targeted protection for the special geological environment of some stations, the actual effect of lightning protection system upgrade is summarized and the defciency is analyzed. Finally, the subsequent modifcation suggestions are put forward.

Key Words: integrated lightning protection system    lightning hazards    targeted protection    

0 引言

自然界每年有几百万次闪电,雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的严重的10种自然灾害之一。浙江省年平均雷暴日为47.2天,是中国雷电灾害较为严重的省份之一,每年6—9月是雷击事件发生的频繁时段。地震观测台站承担浙江省地震监测预报的数据产出任务,该省数字地震观测台网2007年建成运行至今,每年因雷击导致的设备故障已成为影响台站运行的主要因素,对台站观测数据的连续性和稳定性产生较大影响。因此,2014年浙江省地震局尝试对省内雷击严重的几个地震台站进行试点改造,以解决台站防雷系统方面存在的问题,提升地震台整体防雷水平。

1 浙江省地震台雷击隐患

2014年浙江省对部分地震观测台站进行综合防雷系统升级改造,目前该省尚有几十个地震台未进行防雷系统升级改造,其中很多地震台发生多次因雷击导致的地震仪器损坏事件。“九五”“十五”期间建成的地震台站已投入运行多年,台站的防雷设施不同程度地遭受雷击损坏或因年久而失效。另外,一些地震台站观测仪器的综合防雷工作不完善、台站观测公共环境整体设计考虑不足,台站防雷系统抗雷击能力较弱。雷击造成不但造成直接经济损失,而且严重影响地震台站观测仪器的正常运行和数据产出。地震台站运行经验表明,配电系统不完善和线路布设不规范等问题,在遭遇雷击时会导致雷电流无法及时泄入大地以及产生感应电流是使设备遭受雷击故障的重要原因。

2 综合防雷改造措施2.1 配电线路防护

多数雷击灾害来源于配电线路遭雷击或配电线路感应雷击脉冲,因此配电线路防雷是防雷技术系统主要部分。由于配电线路被直击雷雷击或感应雷雷击时会产生较大电性脉冲,容易损坏在线地震仪器设备。针对此类雷击灾害,在用电设备端并联多级放电通道,逐级降低电磁脉冲强度,即逐级降低放电残压与放电电流,使到达设备的电压与电流控制在用电设备能承受范围内,保障设备不被损坏或在雷击过程中设备能正常工作。

具体实施措施如下:台站供电线路采用铠装电缆下线埋地接入配电房,在总配电处(380 V/220 V)安装B级避雷器,观测室配电箱处安装C级避雷器,用电设备前安装D级防雷插座,避雷设备均采用就近接地方式(吴骁,2016),见图 1

图  1(Fig. 1)

图 1 台站配电线路B、C、D三级防护设计Fig.1 B, C, D level 3 protection design of station distribution circuit

2.2 通信线路、信号线路防护

对于地震台站通信线路和信号线路防护,具体操作流程见图 2,主要采取以下防雷措施。

图  2(Fig. 2)

图 2 台站通信线路、信号线路防护Fig.2 Data communication circuit and signal circuit protection

(1)将地震台内各观测室间、观测室与机房间、山洞与机房间、山洞与观测室间的标准信号线(RS232、以太网)改为光缆。室内铺设的传输线路长度超过10 m的改为光缆,室外光缆埋入地下时套上钢管或PVC管,光缆的金属接头、金属挡潮层、金属加强芯等在入室处直接接地。

(2)台站通信设备端加装网络信号防雷器。专用设备的仪器信号和接口安装相应的专业信号防雷器进行防护(如:GPS馈线在仪器侧安装专用信号防雷器,DDN等通信线安装信号防雷器,数据采集器与传感器间安装信号防雷器等)。同时,观测房内的观测仪器宜集中安装在标准机柜内,尽量缩短通信线路长度。

2.3 综合布线

仪器与传感器之间的直流供电线、信号测量线、标定线、仪器到数据采集器的通信线、数据采集器到通信设备的通信线等各种线路严格按照规范布设(包含室外铠装电缆埋地铺设、强弱电线路分开布设以及线路分组绑扎和标记等)。

2.4 接地与等电位防护

从尽快泄放雷电流、减少雷害出发,地震台站地网(接地体、地线)采用网格型地网防雷接地,水平接地体采用5×50 mm热镀锌扁钢及石墨接地模块,垂直接地体采用铸铜接地棒。接地体的连接均需搭接焊。扁钢与扁钢的塔接长度要求为扁钢宽度2倍以上,且需四面焊接;扁钢与圆钢的搭接长度为圆钢直径6倍以上,需两面焊接;圆钢与圆钢搭接长度为圆钢直径6倍以上,两面焊接(瞿旻等,2013)。焊接时应将扁钢拉直,焊好后做防腐处理。观测室设均压带,环形母排、引下线均使用焊接连接,引下线经过通道和人体可触及部分时加穿PVC管。地网设计见图 3

图  3(Fig. 3)

图 3 台站防雷地网设计Fig.3 Station lightning protection design

需要强调的是,在地震台防雷升级改造中首次使用石墨接地体降阻模块,取代传统的固体降阻剂,效果良好。石墨接地模块原理是,当土壤中有机物质过多时导电性和泻流能力减弱,石墨降阻接地模块易出现金属体外表被油墨包裹的现象,增大接地体本身的散流面积,具有强吸湿保湿能力,使其附近的土壤电阻率降低,介电常数增大,层间接触电阻减小,耐腐蚀性增强,因而可获得较小的接地电阻,并延长使用寿命(瞿旻等,2013龚若涵,2015)。

3 施工困难解决措施

在项目实施过程中,宁海地震台周边无充分的土层覆盖,无法进行防雷地网建设,经现场勘查和实地测量,发现该台观测室隔壁教学楼的工频接地电阻检测结果满足冲击接地电阻必须≤4 Ω的要求(在现场勘查时发现,台站隔壁教学楼建筑面积约为台站的4倍,教学楼钢筋与主钢筋进行整体焊接形成类法拉第笼结构)。咨询当地气象防雷所并查阅相关建筑物防雷规范,对台站防雷设计方案进行调整。在台站房屋顶面设置1圈4×40 mm热镀锌扁钢避雷带,并在避雷带上焊接Φ10 mm热镀锌圆钢避雷小针,小针高度15 cm;在台站屋面对角设引下线,2处引下线采用4×40 mm热镀锌扁钢沿墙敷设在观测室预留引入点,引下线预留点分别引入1根热镀锌扁钢,焊接铜钢转换头采用35 mm2铜芯导线引入室内与等电位排焊接;引下线引至地面0.3—0.8 m处设引下线断接卡,断接卡下焊接教学楼建筑物柱内主钢筋。设计方案见图 4

图  4(Fig. 4)

图 4 宁海地震台等电位设计方案(a)屋顶避雷带;(b)引下线;(c)观测室等电位排Fig.4 Equipotent design at Ninghai Seismic Station

4 防雷改造效果4.1 防雷改造前后对比

2014年对宁波、宁海、鄞县、临安、长兴地震台实施综合防雷改造,至今5个台站的观测设备均未遭受雷击损坏。5个地震台防雷改造前至2015年年底观测设备受雷害的影响统计见表 1。台站观测设备在安装信号防雷器前后数据波形对比见图 5,可见信号防雷器不会影响观测数据质量。

表 1(Tab. 1

       

表 1 地震台站改造前后雷击统计Tab. 1 Comparative statistics of station lightning between before and after the transformation          

台站观测手段改造前雷击改造后雷击宁波前兆SD-3自动测氡仪遭雷击损坏未遭受雷击测震EDAS-24IP数据采集器2007-05-16雷电流从供电线路通过采集器主板击穿宁海测震EDAS-24IP数据采集器2010-07-01雷电流从供电线路通过采集器导致所有指示灯全部熄灭未遭受雷击鄞县测震EDAS-24IP数据采集器2007-07-05雷电流从供电线路通过采集器主板击穿未遭受雷击测震EDAS-24IP数据采集器BBVS-60地震计2009-08-05采集器和传感器整套系统全部遭雷击损坏测震EDAS-24IP数据采集器2012-08-09采集器遭受雷击导致波形记录不正常临安测震EDAS-24IP数据采集器2010-06-01雷电流从供电线路通过采集器导致设备损坏未遭受雷击长兴12V稳压电源2008-07-12稳压电源遭雷击损坏未遭受雷击避雷器2013-07-10 C级避雷器遭雷击损坏

表 1  地震台站改造前后雷击统计  Tab.1 Comparative statistics of station lightning between before and after the transformation

图  5(Fig. 5)

图 5 观测设备信号防雷器安装前后数据波形对比(a) 宁波地震台垂直摆数据;(b) 鄞县地震台测震数据Fig.5 Observation device signal waveform comparison diagram between before and after the lightning protection device installation

4.2 不足之处

“九五”期间建设的地震台站,如宁波、鄞县等地震台,受限于当时的观测技术和工程技术等,台站建设和发展缺乏后续规划。经过20多年的运行,台站观测设备的布置、布线等无法进行大范围调整,在综合防雷实施过程中无法充分保证台站综合布线的规范化,个别地震前兆观测仪器无法安装信号防雷器,留下一定安全隐患。

5 结束语

由于各地震台建设时期不同、布局方式各异、观测手段不尽相同,因此受雷害影响并不相同(杨西周等,2014)。观测台站雷电防护需要以配电系统、接地系统、通信系统和综合布线4个方面为基础,并结合台站实际情况采取针对性的防护措施,才能达到理想的防雷效果。从实施防雷升级改造的5个地震台运行情况看,均经受住近年雷雨季节的考验。

经过此次5个地震台防雷升级改造,对后续地震台防雷工作提出以下建议:①在今后台站建设过程中,应遵循地震台站建设规范,因地制宜制定防雷设计方案;②应逐年逐批对浙江省“九五”“十五”项目期间建设的老地震台站进行防雷改造,以增强地震观测设备的抗雷击性;③对后续台站进行防雷设计时,需充分考虑未来观测手段的可扩展性,应采取增大总线线径或预留线路铺设空间等方式进行设计和施工。

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