《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的地震臺站設備損壞事故頻繁發生，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濟損失，引起了廣大地震工作者的憂慮和強烈關注。雖然從全國區域范圍內進行的有關的統計結果表明雷電現象發生的絕對值并沒有多大增加，但為什么雷電引起的臺站設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的發展，尤其是地震監測技術的飛速發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備的普及和應用，其中借助計算機系統進行信息處理、數據處理、自動化監測工作。先進的臺站檢測設備中，包括電子計算機、微電子監測設備、信號數據采集和傳輸設備耐受過電壓、過電流的能力相對較低，同時也缺乏必要的雷電防護技術措施，另外，在現代高新技術電子產品的生產中大量采用了大規模及超大規模的電子集成電路制造技術，且集成的程度越高，內部的線間距離越小，則元器件的耐壓程度也就越低，受到過電壓后即損壞，更經受不起雷電強烈沖擊的破壞，它們的供電系統及數據信號傳輸線路較長，地震臺站基本位于高山、丘陵和地質狀況十分復雜的區域，其特點是沒有高樓大廈和高大建筑物區域，并且地下土壤電阻較高，基本處于雷電頻繁活動區域。從數據采集、信號處理、信號遠距離傳輸和數據計算機處理，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，產生雷過電壓，并侵入設備，將設備擊毀。從筆者對遭雷擊損壞的臺站設備的損壞程度分析：電源輸入端遭遇的雷電能量大約在20000焦耳以上，雷電高電壓擊穿設備時的脈沖寬度在10/350μS。數據信號輸入端遭受的雷電能量大約在2000焦耳以上，雷電感應電壓擊穿設備時的脈沖寬度在8/20μS。電源線遭受直接雷電侵害，數據信號線遭受雷電電磁脈沖感應過電壓侵害。但目前對于在地震臺站如此地理狀況下抵御雷害現象，保護臺站設備的相關國家標準還沒有出臺，所能夠提供有效防護的防雷技術研究和防雷技術產品卻相對發展滯后，特別是高品質的防雷技術產品相對饋乏，未能對置身于地震臺站復雜地理狀況下，研究開發出有效抵御雷電的高新防雷產品，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．地震監測臺站系統工作示意圖：雷電雷電雷電雷電襲擊遠距離[100米至2000米]數據信號線串聯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設備高頻信號防雷器24位數據采集器雷電雷電雷電雷電襲擊遠距離[100米至2000米]數據信號線串聯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設備高頻信號防雷器24位數據采集器Internet雷電襲擊戶外電源線12V/5A穩壓電源UPS不間Internet雷電襲擊戶外電源線12V/5A穩壓電源UPS不間斷電源串聯型間隙放電式兩級保護電源防雷箱雷電雷電數據線信號防雷器ADSL調制解調器等電位帶數據線信號防雷器ADSL調制解調器等電位帶100MHz長線驅動調制解調器數據線信號防雷器100MHz長線驅動調制解調器數據線信號防雷器拾震器拾震器GPS天線GPS天線數據線信號防雷器100MHz長線驅動調制解調器數據線信號防雷器100MHz長線驅動調制解調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．地震監測臺站系統工作原理簡介：通過24位數據采集器，采集拾震器地動信號，將地動脈沖信號進行數字化處理，使脈沖信號改變成數據信號。然后經過24位數據采集器通過GPS無線傳輸系統、Internet和100M有線傳輸系統將數據信號分層次和分界面的數據傳輸到遠距離的計算機機房進行數據匯總和篩選處理，經過計算機復雜的處理、判斷、將具備重要等級的地動數據置換出來，提供給有關科技人員，用來決策地震災害的預警等級工作。二、雷電[地震監測臺站系統]的入侵渠道：1．雷電的形成：雷電是一種常見的氣象物理現象，太陽對地球的輻射，引起地面水分子向上蒸發運動，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，導致云層改變為二個獨立的帶電體：帶負電荷的顆粒分子團和帶正電荷的顆粒分子團。根據靜電感應理論，電荷顆粒分子團與大地產生的放電現象，稱之雷電現象。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備電源輸入端，當雷電高電壓超過超過設備的承受時，設備就發生永久性損壞。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，短時間內的第二次雷電高壓便直接進入臺站后續終端設備，可以造成臺站機房內其它設備損壞。信號線引入：當直接雷擊放電過程中，強大的脈沖電流所產生的強力變化磁場將會對周圍的導線或金屬物體產生電磁感應，從而引發過電壓，信號線攜帶過電壓進入臺站，直接燒毀調制解調器和GPS系統。經過筆者大量觀察分析燒毀的調制解調器后，發現線與大地間絕緣系統損壞，線與線間的接口芯片燒毀。當調制解調器損壞后，短時間內的第二次雷電高壓便直接進入臺站后續終端設備，可以造成臺站機房內其它設備損壞。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系金屬導體]時，就會有雷電從高電壓形式轉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，至使臺站設備外殼呈現高電位，如果外殼電位與設備電源電壓之差大于設備承受時，就會造成設備燒毀。4）雷電引起的人身安全：避雷針[或其它與大地有直接聯系金屬導體]是引雷器，把雷電高電壓轉變成電流形式泄放到大地。雷擊時強大的雷電流經過避雷針、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，若有連接電子設備的其他接地體靠近時，即產生高壓地電位順地線反擊進入臺站機房，入侵電壓可高達數萬伏以上。機房內，有計算機設備接地線、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備，就必須安裝串聯型二級保護的電源防雷系統。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。可以抵御50KA、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。可以抵御50KA、8/20uS雷電波形的感應雷電侵襲。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，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。火花間隙放電器可以吸收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備解偶器臺站電子設備解偶器解偶器解偶器安裝在臺站機房的串聯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型火花間隙放電式電源防雷柜和電源防雷箱2．數據信號線的雷電防護：數據信號防雷器件，是一個串聯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，在數據線對大地并聯惰性間隙放電系統，在數據線之間也并聯惰性間隙放電系統，由三組惰性間隙放電系統構成第一級保護。惰性間隙放電系統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。在數據線對大地并聯半導體過電壓保護器件，在數據線之間也并聯半導體過電壓保護器件，由三組半導體過電壓保護器件，構成第二級保護系統。從而，有效的抵御雷電對信號通信設備的破壞。接至調制解調器等通信設備雷電襲擊數據信號線，雷電高電壓沿信號線侵入設備高頻延遲解偶器數據線1接至調制解調器等通信設備雷電襲擊數據信號線，雷電高電壓沿信號線侵入設備高頻延遲解偶器數據線1惰性間隙放電系統半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統半導體過電壓保護器惰性間隙放電系統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惰性間隙放電系統數據線2高頻延遲解偶器數據線2高頻延遲解偶器安裝在臺站機房的數據信號防雷器和GPS高頻信號防雷器安裝在臺站機房的數據信號防雷器和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系，這是原則問題。什么是均壓等電位呢？為實現雷擊保護，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、安裝的設備、各種導電體、供電及通訊設備連接在一起。構成一個電位基本相等的界面。實現全面的等電位，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，除了安裝電源防雷系統和數據信號系統，還要在機房內鋪設均壓等電位地網，在沒有防靜電地板的情況下，應該在機房內沿墻鋪設銅帶，把每一臺計算機設備的保護地線就近與均壓等電位帶連接。實現全面等電位，消滅雷電反擊現象，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，雷電經常侵襲內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防雷標準，請教專家，并針對全區臺站機房所處的地理條件和氣候條件進行了全面調研，統計了全區地震系統雷電災害的分布情況。并因地制宜的制定了全區雷電防護方案。拋棄了以壓敏電阻為基礎防雷元件的陳舊防雷理念，認真學習和貫徹執行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的抵御直接雷擊為目的高新防雷產品，自1999年開始，在典型雷擊地區：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型火花間隙放電式電源