氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)傳輸線纜通用避雷器設(shè)計(jì)＊

廖必軍 劉少武

(1.麗水市氣象局,浙江麗水323000;2.青田縣氣象局,浙江青田323900)

0 引 言

自動(dòng)氣象觀測(cè)站及其值班機(jī)房是弱電設(shè)備集中場(chǎng)所,抵抗雷擊電磁脈沖的能力極為脆弱,近年來(lái),各地相繼出現(xiàn)較多起由于雷擊而使業(yè)務(wù)工作受影響的事件。因此,對(duì)于提高自動(dòng)氣象站運(yùn)行可靠性而言,預(yù)防雷電侵害是其極為重要的部分。自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)采集的信息由觀測(cè)場(chǎng)傳輸?shù)街蛋嗍?采用的傳輸方式是多條線纜的有線傳輸,同條線纜內(nèi)包含了信號(hào)線、控制線和電源線,并使用專門(mén)的航空接插頭連接設(shè)備,在進(jìn)行雷擊過(guò)電壓的防護(hù)時(shí),線纜無(wú)法斷開(kāi)安裝SPD,造成設(shè)備過(guò)電壓防護(hù)存在漏洞而使全方位雷電防護(hù)難以實(shí)施,在對(duì)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的不斷探索和長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中,我們對(duì)室內(nèi)外傳輸線合成功能的通用避雷器進(jìn)行了研究,并完成了設(shè)計(jì)和制作。

1 設(shè)計(jì)制作的總體要求

針對(duì)工程實(shí)踐中所遇到的困難,設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)通用避雷器應(yīng)達(dá)到如下功能：一是配套的輸入輸出端口,以使安裝得以實(shí)現(xiàn);二是通用避雷器需對(duì)每條線纜內(nèi)的每一根線加以保護(hù),不同的線路(電源線、信號(hào)線、控制線)具有不同的保護(hù)要求,其對(duì)過(guò)電壓的限制和過(guò)電流的分流方法亦不同;三是避雷器可實(shí)現(xiàn)安裝并具有防護(hù)功能后,不能對(duì)原有的傳輸質(zhì)量造成影響,即避雷器在信號(hào)傳輸線中的插入損耗要足夠小;最后是每個(gè)避雷器的體積不能太大,外形美觀且便于安置。

2 通用避雷器防護(hù)能力的設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 氣象觀測(cè)站雷電波侵入室內(nèi)的可能強(qiáng)度分析

雷電脈沖波侵入氣象自動(dòng)觀測(cè)站各通道的過(guò)電壓、過(guò)電流的可能幅值,是決定防雷裝置本身沖擊過(guò)電壓耐量及通流容量的重要依據(jù)。根據(jù)普遍認(rèn)可的研究標(biāo)準(zhǔn),雷擊脈沖侵入氣象自動(dòng)觀測(cè)站室內(nèi)各通道的強(qiáng)度為：電源通道引入的過(guò)電壓在6 kV以內(nèi),過(guò)電流在10 kA以內(nèi);通訊信號(hào)線引入的過(guò)電壓約0.5 kV,過(guò)電流為5 kA以內(nèi)(一般為百安級(jí));傳感器引入的過(guò)電壓0.5 kV以下,過(guò)電流為5 kA以內(nèi)。

2.2 站內(nèi)各弱電設(shè)備的峰值電壓耐量分析

自動(dòng)站所用部件及元器件的峰值沖擊電壓耐量,決定了防雷裝置允許的輸出殘壓值。國(guó)際電器電子工程師協(xié)會(huì)IEEE組織曾指出一般元器件可以經(jīng)受兩倍以上其額定電壓值,我國(guó)通信部門(mén)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一般元器件的要求是：在交流220 V系統(tǒng)中元器件或部件的瞬間脈沖耐壓值應(yīng)達(dá)1.5 kV;在直流48V系統(tǒng)中則為330 V,電信交換與用戶終端為1 kV。

2.3 自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸速率分析

對(duì)于自動(dòng)觀測(cè)站傳感器到處理器的信號(hào)傳輸而言,是模擬量或完成模/數(shù)轉(zhuǎn)化后的單向傳輸,風(fēng)向風(fēng)速、雨量、干濕球溫度、地表溫度、淺層地溫和深層地溫的通信類型均為RS232,RS232通信類型的速率在2 M以內(nèi)。

2.4 觀測(cè)站室內(nèi)外傳輸線纜和連接端口的組成

觀測(cè)場(chǎng)布置的各種傳感器反映各氣象要素的狀況,每一要素的傳感器都通過(guò)各自的纜線,并配以不同形狀的航空接口對(duì)應(yīng)連接室內(nèi)氣象要素處理儀的不同輸入端口。對(duì)于一個(gè)觀測(cè)站的自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),具有風(fēng)向風(fēng)速、雨量、干濕球溫度、地表溫度、淺層地溫及深層地溫6大觀測(cè)項(xiàng)目,每個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一條傳輸纜線,加上直流電源供電纜線,一個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站共有7條連接室內(nèi)外的傳輸纜線,連接氣象要素處理儀7個(gè)不同的輸入端口。

3 通用避雷器各主要參數(shù)的確定

3.1 電壓等級(jí)選擇

防雷器最高持續(xù)工作電壓的選擇,是依據(jù)設(shè)備線纜的工作電壓來(lái)確定的。其最高持續(xù)工作電壓必須達(dá)到設(shè)備工作電壓的1.5倍,標(biāo)稱放電電流大于5 kA(8/20μs)。

風(fēng)向風(fēng)速、雨量、干濕球溫度、地表溫度、淺層地溫和深層地溫的通信類型均為RS 232,額定工作電壓為12 V;直流供電電源的額定工作電壓也為12 V。故選用避雷器最高工作電壓為18 V,標(biāo)稱放電電流大于5 kA(8/20μs)。

3.2 傳輸速率的配套

傳輸信號(hào)避雷器安裝在信號(hào)線上時(shí),其支持的傳輸速率應(yīng)不小于通信系統(tǒng)本身的傳輸速率,不然會(huì)導(dǎo)致中斷或誤碼,影響系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)2.3的分析,自動(dòng)觀測(cè)站傳感器到處理器的信號(hào)傳輸速率在2 M以內(nèi),所以設(shè)計(jì)的避雷器傳輸速率為2 M。

3.3 接口的類型和材料

要素傳感器到處理器的纜線接插頭均為專用的航空接插頭,所以接口必須完全與原有接插頭匹配。為減小連接電阻,接插件采用紫銅制作,外形完全復(fù)制原接口。

3.4 保護(hù)方法的選擇和插入損耗

自動(dòng)站室內(nèi)外信息傳送屬于小電流信號(hào)傳輸,采用一般避雷器的做法,合成功能避雷器選擇雙向快速箝位二極管的保護(hù)方法。

通用避雷器因?yàn)椴捎门涮捉涌诓灏闻c纜線串聯(lián)安裝,所以除最大持續(xù)工作電壓、標(biāo)稱放電電流、傳輸速率、接口的配置等滿足上述要求外,還應(yīng)保證其疊加的插入損耗不大于0.5 dB,方能符合系統(tǒng)要求。

4 通用避雷器的整體設(shè)計(jì)

4.1 整體參數(shù)表

根據(jù)以上分析,結(jié)合單一信號(hào)避雷器的要求,合成功能避雷器的整體參數(shù)如表1。

表1 通用避雷器整體參數(shù)表

其中對(duì)應(yīng)芯數(shù)：風(fēng)向風(fēng)速傳輸線的保護(hù)芯數(shù)為12芯,雨量為3芯,直流電源為5芯,干濕球溫度、地表溫度、淺層地溫、深層地溫的保護(hù)芯數(shù)均為19芯。

4.2 通用避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

通用避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖,如圖1。

4.3 避雷器的成品組裝和安裝

按照保護(hù)芯數(shù),引出線頭與匹配的航空接插頭焊接,套裝好外殼,避雷器外引30 cm接地線。安裝時(shí)采用16 mm2多股塑包銅線引出機(jī)房接地端,連接到數(shù)據(jù)采集處理器的短接地銅條。將7個(gè)避雷器的預(yù)留接地線用銅接頭就近壓接在短銅條上;插拔各傳輸纜線的接口,將避雷器串聯(lián)安裝于數(shù)據(jù)采集處理器的輸入端。設(shè)計(jì)制作的通用避雷器成品樣圖如圖2。

圖1 通用避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 設(shè)計(jì)制作的通用避雷器成品樣圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通用避雷器較好地解決了自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)傳輸線纜的雷電防護(hù)問(wèn)題,能有效堵截過(guò)電壓沿傳輸線纜對(duì)室內(nèi)重要設(shè)備的侵襲,且功能完善,安裝簡(jiǎn)便。通用避雷器的安裝和使用,進(jìn)一步完善了氣象觀測(cè)站的防雷保護(hù)功能。但是,對(duì)于氣象觀測(cè)站而言,防雷保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程,決定系統(tǒng)防雷能力的基礎(chǔ)是接閃器布置是否合理,接地系統(tǒng)是否優(yōu)良、線路和場(chǎng)所的屏蔽措施是否完整、等電位連接是否全面等等,而通用避雷器的安裝只是過(guò)電壓保護(hù)的一小部分,要使觀測(cè)站完整的防雷保護(hù)得以實(shí)施,仍然需要完善接地系統(tǒng)、屏蔽、等電位連接等措施。

Recommedation k.41

[2] 虞 昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ).北京∶氣象出版社,1995：10-41.

[3] 中國(guó)氣象局.氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范.2000-11-20.