等效离子防雷技术在地震台站上的应用试验_孙宇轩.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期159文章编号：2095-6835（2023）13-0159-03等效离子防雷技术在地震台站上的应用试验孙宇轩1，薛 兵2，3，陈全胜2，吴承东1，朱小毅2，3（1.防灾科技学院，河北 廊坊 065201；2.北京港震科技股份有限公司，北京 102628；3.中国地震局地震预测研究所，北京 100036）摘要：中国地震台站频繁遭到雷击，为了减轻雷电对地震台站的危害，在传统防雷技术的基础上，提出了等效离子防雷技术，并在地震台站进行了等效离子防雷技术的试验。在试验中使用到了雷电传感器、雷电计数器及等效离子阻雷装置自带的“物联网无线远程监控系统”，可实时将阻雷过程中的相关数据进行无线远程传输，让工作人员清晰明了地观测到阻雷过程中的累计次数、持续时间、残留电压等关键数据。等效离子防雷技术摒弃了引雷入地的方式，避免了反击电压、接触电压和跨步电压的出现，同时也避免了引雷入地的瞬间大电流形成的强电场对电子、通信系统造成的严重危害。而且其工作范围更大，能够大范围保护人员、设备的安全。关键词：等效离子防雷；避雷针；地震台站；阻雷装置中图分类号：P315文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.048随着现代科学技术的飞速发展，中国的地震观测系统已经迈入了数字时代，其中的地震仪器也变得越来越精确，但是由于半导体集成电路易遭受电压、电磁干扰及雷电等外部因素的干扰，这些不利条件会影响集成电路的正常工作。近年来雷击灾害造成地震观测设备的损失日益突出，许多台站时常出现雷电损坏仪器事故，连续多年屡遭雷击，一些省市地震局也花费相当的资金和时间解决台站防雷系统存在的问题，但结果收效甚微1。通常，地震观测设备发生雷击是指云层摩擦放电，形成的雷电击中供电电力线，进而产生高电压、大电流，并沿着供电线路输送地震观测设备，由于此高电压的瞬间尖峰冲击电压可高达几千万伏，会产生强大的瞬时放电电流，从而造成电子线路元器件损毁或者性能下降2。以贵州省为例，贵州省的地震台站大多数位于雷暴活跃的地区，每年的雷暴天气最多可达到 120 d，最少也有 90 d（20162017 年）。自 2006 年以来，贵州地震台站平均每年至少遭受 23 次雷击，有的个别台站高达四五次以上。其中，2016 年 8 月威宁台站遭受雷击，造成路由器损坏；2017 年 8 月，贞丰台站遇到雷暴，数采、GPS 模块因雷击被损坏；2017 年 9 月，安顺台站受到雷击，数采被损坏3。1现有台站的综合防雷技术雷雨天气时，云层剧烈摩擦产生的这种直击雷会产生高电压、大电流，发生雷击时会击中地震观测仪器与通信设备，对地震台站造成损失。为了避免直击雷损坏地震观测设备，必须采取相关措施对直击雷加以防范。使用广泛而且有效的技术手段是利用接闪器，即避雷针防雷，这种装置能够吸引雷电产生的电流，并且通过接地装置将大电流输入到大地中，可以有效保护台站建筑物及观测仪器，避免雷击损坏。避雷针及其派生的提前放电式避雷针和放射源电离或电极蓄能释放等方式的提前接闪器（ESE），均通过金属尖端接闪雷电并以接地体将雷电流泄放至被保护物体周围的地网。这种“引雷入地”的方式必须铺设复杂的地网来泄放雷电流。雷电流泄放时所产生的强电磁脉冲辐射和感应过电压都极易对电子设备造成损坏，对强电设备和人身安全也容易造成危害。另外，这种“引雷入地”的避雷方式很容易产生火花，极易引燃、引爆易燃易爆物品4。传统避雷针防雷技术存在以下弊端：大电流入地，对接闪器、引下线、接地装置、大地电阻值有严格要求；当强雷电流泄放时可造成反击，入地时形成瞬间跨步电压；接闪瞬间产生的强电磁场、静电场强会在很大范围内产生感应电击；保护范围有限，设计保护半径一般仅为高度的 1.21.5 倍，一些防雷重要区域安装受限。2等效离子防雷技术的特点在雷暴天气时，等效离子防雷技术利用雷雨与大地之间的电场强度，在装置周围产生高质量浓度的空气等离子体，中和上下雷电先导电荷，阻断雷电先导的形成和发展。通过局部改变雷云电场电势，在相对基金项目国家重点研发计划资助课题（编号：2022YFC2204301）科技与创新Science and Technology&Innovation1602023 年 第 13 期较大的范围内阻止云地放电，有效抑制雷击对保护目标周围的危害5，可以在保护角度 172的范围内阻止直击雷发生，实现保护半径为 1014 倍安装高度的范围内无直击雷发生。等效离子防雷技术与避雷针防雷技术比较如表 1所示。表 1等效离子防雷技术与避雷针防雷技术比较序号比较项目避雷针防雷技术等效离子防雷技术1防雷机理引雷入地不引雷入地（只有微安级电流入地）2引雷入地电流/工作电流数万至数十万安培电流入地微安级电流入地3保护角度小（45）大（86）4保护范围小，保护半径 R=H大，保护半径 R=14H5接闪器安装位置保护目标附近的制高点保护目标附近的制高点6对接地电阻的要求高（R10）基本无要求（可以上千欧姆)7对电子、通信、控制设备的电磁干扰和破坏反击电压和瞬时大电场影响或破坏电子、通信及控制系统无反击电压，无大电场影响，电磁兼容，通信系统在雷雨天可不间断安全运行8需要的接地线截面积大小9瞬时大电流的其他破坏和危害遇超大电流时，导线发热或接触不良打火放电易引起火灾，在引雷入地点附近地面对人、畜有跨步电压危害无破坏，无危害10引雷入地对周边的影响周边地闪增多周边无地闪，保护周边11防雷效果检测自带数据系统，可实时将阻雷装置及其阻雷过程的相关数据进行无线远程传输通过表 1 可以发现，等效离子防雷技术能够防止直击雷的发生，能有效避免二次电磁伤害。等效离子防雷技术保护范围更大，等效离子防雷装置不仅对周边无影响，而且同时还会避免周边人员、设备遭受雷击。这套装置对接地电阻不敏感，解决了山区等大地阻值高的地区的大难题。而且等效离子防雷技术无跨步电压危害，对人员活动较多的村落又是一大福音。3等效离子防雷技术在地震观测台站上的试验方案3.1等效离子阻雷装置及外设避雷针安装位置2022 年 6 月，在位于四川省西昌市的中国地震科学试验场深井综合观测拖乌地震台开展等效离子防雷技术防雷试验。等效离子阻雷装置及外设避雷针安装位置如图 1 所示，在地震台所在区域根据地形确认周边最高点，或者自立杆体，在最高点上安装一套等效离子阻雷装置（PEICA-100 型），使地震台站所处区域 皆 置 于 保 护 范 围 之 内。等 效 离 子 阻 雷 装 置（PEICA-100 型）设立杆体高度为 10 m，则其保护半径为 10H14H，大概为 100140 m，在 90 m 和150 m 处分别设立 4 根避雷针（共计 8 根），与等效离子阻雷装置同样的高度，每根避雷针正常接地，同时连接雷电传感器或者大电流磁感线圈。现场组装后含数据终端设备总高 350 mm，组装后接闪杆展开最大直径为 300 mm，含数据终端总质量3 kg，保护角度为，大于等于 86，保护半径 R 至少在 10H14H（保护角范围内），根据安装高度，在保护角范围内最大保护半径为 100140 m，最大保护范围在保护角范围内至少达到 31 400 m2。图 1等效离子阻雷装置及外设避雷针安装位置3.2实验中用到的主要设备与工具雷电传感器如图 2 所示，它的监测范围为 30 km以内，误报率小于 1%，探测效率在 96%以上（在 15 km半径内)，功耗最高为 4 W，工作温度为4055，工作电源为 DC1016 V，通信接口为 RS-232。该设备可以实现对雷暴现象的自动观测和记录，观测记录当地雷电活动的频次、方位和性质。观测数据可就地显示也可上传。雷击计数器如图 3所示，它的型号为LKD-M/JS，机械式、无源雷击计数器，启动电流为 10 kA，计数范围为 09 999，工作温度为4085，外形尺寸 117 mm90 mm55 mm。自动记录避雷针接闪的次数，可验证等效离子阻雷装置的工作效果和保护范围。传统避雷传统避雷传统避雷传统避雷17290 m保护范围：R=100140 m90 m150 m150 m等效离子阻雷装置Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期161图 2雷电传感器实物图图 3雷电计数器实物图阻雷设备物联网无线远程监控系统，等效离子阻雷装置自带的“物联网无线远程监控系统”，可将等效离子阻雷装置的阻雷过程、阻雷次数、阻雷效果等数据即时发送，可在手机、电脑等终端即时查询阻雷效果，还可以即时查看“物联网无线远程监控系统”的工作状态、电源电压、环境温度等数据。在雷雨天气，“物联网无线远程监控系统”将阻雷效果连续即时发送，平日的非雷雨天气，“物联网无线远程监控系统”每 4 h 发送一次系统状况信号。安装自带“物联网无线远程监控系统”的等效离子阻雷装置后，可不用安装雷击计数器、雷电预警器等附属设备。4台站试验与数据分析等效离子阻雷物联网无线远程监控系统数据显示图如图 4 所示。图 4等效离子阻雷物联网无线远程监控系统数据显示图在2022年6月至2022年10月开展防雷试验期间，等离子防雷系统记录到阻雷次数 82 243 次，雷击残留最大电压值为 10 V，雷击残留平均电压值为 4.2 V。图4 反映了 2022-08-04 近 5 次的雷击记录，并以表格形式显示数据上传时间、阻雷累计次数、阻雷起始时间、阻雷持续时间、雷击残留电压峰值、设备温度、设备信号强度。阻雷残留电压峰值曲线图以曲线形式显示阻雷残留电压峰值，横坐标为时间轴，纵坐标为峰值电压。坐标点表示当前设备所在的位置信息，描述设备的基本信息包括设备名称、设备地址、备注、信息、设备完整的序列号、设备的硬件版本、设备的软件版本、设备最后登录平台的时间、设备定位的方式。等效离子阻雷装置自带数据系统，可实时将阻雷过程中的相关数据无线远程传输，让工作人员清晰明了地观测到阻雷过程中的累计次数、持续时间、残留电压等关键数据，对防雷技术进一步优化改进。相比（下转第 164 页）设备位置信息阻雷残留电压峰值曲线图雷击次数变化刷新雷击次数变化刷新设备数据变化刷新设备数据变化刷新近近5 次的雷击记录次的雷击记录科技与创新Science and Technology&Innovation1642023 年 第 13 期出的数据，并按照标准格式进行解析和存储，为数据显示和报文编发提供数据支持服务。4.2观测数据显示模块用于实时显示便携式气象站的数据，并用于验证数据采集模块运行正常。同时与气象数据库系统的AWOS 数据进行对比显示，实现温度、气压等要素的对比显示。4.3报文编辑、质量控制模块依托串口数据采集模块，解析获取便携式气象站的实时观测的温度、气压、风等数据，并结合观测人员输入的云、能见度、天气现象，生成观测报文；同时按照行业标准和观测规范，对编辑生成的报文进行质量控制，确保报文编写的准确无误。4.4报文发送模块结合报文编辑模块生成的报文，本模块通过 FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）方式，将观测生成的报文发送至民航气象数据库系统中，而后通过控制数据参与全国气象情报交换，为用户单位提供准确的气象报文服务产品。5结束语本平 台结 合气象 中心观 测室 投入的 业务化AOPS100 便携自动气象站，配置串口设备，实时获取便携自动站数据显示终端输出的探测数据，结合数据输出格式进行解析，并为观测应急发报终端提供准确、实时的数据支持，构建应急发报界面，气象观测人员可以直接使用观测终端的器采数据，只需要录入云、主导能见度、天气现象后，即可生成报文并进行发送。基于便携式自动气象站的观测应急发报平台可与气象数据库系统的 AWOS 数据进行对比显示，实现温度、气压等要素的对比显示；按照行业标准和观测规范，对编辑生成的报文进行质量控制，确保报文编写的准确无误；最终将观测生成的报文发送至民航气象数据库系统中，通过控制气象数据