廣州白云國際機(jī)場自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)防雷改進(jìn)

文/陳政才

1 引言

廣州白云國際機(jī)場地處華南雷區(qū)，近十年平均雷暴日數(shù)高達(dá)72.5天，對機(jī)場航空器運(yùn)行及設(shè)備運(yùn)行保障是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

作為保障機(jī)場運(yùn)行的空管設(shè)備，AWOS系統(tǒng)的主要功能是將分布在機(jī)場跑道一側(cè)的各傳感器所采集的氣象要素傳輸至中央數(shù)據(jù)單進(jìn)行計(jì)算處理，通過網(wǎng)絡(luò)把實(shí)時(shí)氣象資料傳送給各類用戶（如管制塔臺、預(yù)報(bào)、觀測、機(jī)場指揮中心、航空公司運(yùn)行控制中心等）。白云機(jī)場AWOS（AVIMET）系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，設(shè)備遭雷擊損壞現(xiàn)象頻發(fā)，一來造成經(jīng)濟(jì)損失，二來影響用戶對數(shù)據(jù)的使用。為了減少損失，我們經(jīng)過大量的分析和實(shí)踐，對AVIMET系統(tǒng)從信號通道、電源通道、地網(wǎng)三個(gè)方面的防雷措施進(jìn)行了改進(jìn)。

2 信號通道的防雷改進(jìn)

2.1 第三跑道的信號通道改進(jìn)

2.1.1 情況分析（傳輸模式及可能存在問題）

2015年2月份廣州白云機(jī)場第三跑道啟用后，5-8月份迎來了第一個(gè)雷雨季節(jié)的考驗(yàn)。AWOS系統(tǒng)第三跑道的數(shù)據(jù)因?yàn)槔讚魩缀跞恐袛?。設(shè)備傳輸?shù)穆酚蔀椋簜鞲衅?-配線架--串口服務(wù)器--接入交換機(jī)。經(jīng)排查，是因多個(gè)串口服務(wù)器MOXA NPORT5150受雷擊故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷。我們進(jìn)一步拆解MOXA模塊發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部電路受雷擊導(dǎo)致了485通信IC芯片燒壞。因此，基本可以斷定是雷電流迅速變化在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場，使通信線路上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢造成芯片被擊穿。

因此，我們從通信線路著手，分析出可能的雷擊風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：

（1）線纜的屏蔽和接地。屏蔽是減少電磁干擾的基本措施；接地，則是泄流并減少雷電流或雷電流效應(yīng)的根本手段；等電位連接，可減少需要防雷的空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差。若屏蔽層僅一端做等電位連接，則僅能防止靜電感應(yīng)，無法防止磁場強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。

（2）傳輸線路兩端設(shè)備的信號避雷器。信號避雷器的作用主要是通過漏電二極管放電，將過高的雷電電壓在本級電路中引入地端，將輸出電壓鉗定在規(guī)定的電平范圍內(nèi)。

若無信號避雷器，則感應(yīng)雷串入電路中無處釋放，并繼續(xù)沿傳輸電路傳輸擊穿兩端設(shè)備。

由于近年多次雷擊引起的設(shè)備故障集中在傳輸設(shè)備端，而非傳感器端，因此，需要從傳輸設(shè)備端的防雷SPD查找問題。

2.1.2 改進(jìn)實(shí)施

（1）做好線纜的屏蔽及接地。為保證電子信號的穩(wěn)定通暢，減少電磁干擾的威脅，由AWOS傳感器進(jìn)入機(jī)房配線架的傳輸線路采用屏蔽電纜并穿金屬管埋地敷設(shè)，電纜屏蔽層應(yīng)至少在兩端做等電位連接，若線纜長度較長（超過30米），則應(yīng)適當(dāng)增加接地點(diǎn)。

經(jīng)檢查，航向臺的兩個(gè)CL31云高儀機(jī)箱未接地，兩個(gè)FS11前向散射儀設(shè)備接地匯流排未可靠接地，兩個(gè)下滑臺機(jī)房內(nèi)的室外進(jìn)線在線架上未接地。

針對上述不足，采用4mm2的接地銅線就近對設(shè)備及線纜屏蔽層進(jìn)行可靠接地。接地地線力求短、粗、直，以減小分布電感對雷電泄放的影響；同時(shí)，避免地線與信號線纜交叉布放，防止泄放電流對信號造成二次干擾。

（2）加裝防雷SPD。經(jīng)檢查，第三跑道的傳感器中，大部分在線架上安裝了線架式SPD；且雷擊過后系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障時(shí)，拆下SPD檢查其擊穿情況，發(fā)現(xiàn)SPD仍然處于良好狀態(tài)。這說明SPD的選型可能出現(xiàn)了問題。

一般情況下，通過SPD進(jìn)入下一級信號通道的電平，不應(yīng)大于后級電路中電子元件所能承受的最大電壓。通常AWOS信號通道上板件的電子元器件的工作電壓在24VDC以下?？紤]以上原因，選用漏電壓為24VDC的SPD，電容小、殘壓低、通流大、響應(yīng)快、時(shí)間常數(shù)較短的SPD將會(huì)對目前狀況有所改善。

綜合考慮，我們決定在防雷區(qū)交界處（信號進(jìn)入機(jī)房的配線箱）和NPORT5150前端設(shè)置兩級SPD，通過兩級防雷來降低殘壓。兩級SPD的型號分別選用：菲尼克斯PT 3-HF-12DC-ST - 2858043、DT-UFB-485/BS-2920612。

2.2 第一、二跑道的防雷改進(jìn)

2.2.1 情況分析

第一、二跑道的傳輸架構(gòu)與第三跑道的類似，不同點(diǎn)在于：

（1）傳輸信號的協(xié)議不同：第三跑道采用的是RS485協(xié)議，信號為數(shù)字信號；第一、二跑道采用的是V.22協(xié)議，信號為FSK調(diào)制后的模擬信號；

（2）傳輸模塊的不同：第三跑道采用的是標(biāo)準(zhǔn)的串口服務(wù)器；第一、二跑道采用的是光端機(jī)。

經(jīng)過實(shí)踐，采用第三跑道的模式對第一、二跑道的防雷進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)不到預(yù)期效果。主要問題在于：模擬信號經(jīng)過多級SPD后信號衰減較嚴(yán)重，導(dǎo)致誤碼率增大，甚至信號中斷；SPD后級的光端機(jī)由于設(shè)計(jì)原因，受雷擊影響后雖沒有損壞，但是會(huì)造成業(yè)務(wù)中斷。

因此，我們決定對第一、二跑道的傳輸進(jìn)行光纖化改造。

2.2.2 改造實(shí)施（光纖化）

眾所周知，光纖是具有不導(dǎo)電性的，可以免受沖擊電流，光纜也具有良好的防護(hù)性能，光纜中的金屬構(gòu)件對地絕緣值較高，雷電流不易進(jìn)入光纜。本次改造與傳感器設(shè)備、傳輸設(shè)備的更新同步進(jìn)行。更新后的設(shè)備架構(gòu)為：傳感器--串口轉(zhuǎn)光纖模塊--SDH光環(huán)網(wǎng)設(shè)備。

在原有的傳輸模式中，傳感器信號直接由室外進(jìn)入距離較遠(yuǎn)的室內(nèi)配線架，由于距離長，大大增加了感應(yīng)雷電的機(jī)率。改造后，傳感器信號就近轉(zhuǎn)化為光信號，極大地降低了雷電入侵的機(jī)會(huì)。

3 電源通道的改進(jìn)

2016年，經(jīng)過光纖化線路改造的某傳感器由于雷擊造成信號中斷。故障定位是RS485轉(zhuǎn)光纖模塊MOXA TCF-142-S被雷電擊穿。

經(jīng)拆機(jī)檢驗(yàn)，故障元件為該模塊的電源部分穩(wěn)壓芯片燒壞。我們因此著手排查機(jī)房內(nèi)設(shè)備電源防雷的薄弱環(huán)節(jié)。

下滑臺機(jī)房內(nèi)的配電經(jīng)過入戶防浪涌器、市電ATS柜防雷、UPS配電箱防雷三級防雷，防雷等級較高。但是電源線從UPS配電柜到機(jī)柜距離較長，且中間有和信號線纜交叉布放的地方。

針對該情況，我們采取了幾點(diǎn)措施：

（1）規(guī)范機(jī)房布線，將強(qiáng)電和弱電線纜分開布放；

（2）UPS輸出到機(jī)柜的排插改為防雷PDU，型號為菲尼克斯PLT-SEC-T3-24-FM - 2905223；

（3）將常受雷擊的模塊電源適配器改為防雷增強(qiáng)型適配器，型號為LPV-35-24。

4 地網(wǎng)的改進(jìn)

為提高廣州白云機(jī)場天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，我們在主要天氣系統(tǒng)來向的導(dǎo)航臺站設(shè)置了自動(dòng)氣象站，作為本場自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)的外延。2015-2016年，清遠(yuǎn)源潭導(dǎo)航臺的自動(dòng)氣象站、UPS電源、傳輸設(shè)備均遭受到了嚴(yán)重的雷擊損壞。

經(jīng)過多方面排查，最終將問題鎖定在該站點(diǎn)的地網(wǎng)上；經(jīng)有資質(zhì)的防雷機(jī)構(gòu)測試，該站點(diǎn)的接地電阻高達(dá)10幾歐姆，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的4歐姆。而造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是某次臺站施工挖斷了風(fēng)塔與DVOR反射體之間的地網(wǎng)連接。

通過改造，在風(fēng)塔周邊增加接地樁，并將風(fēng)塔的地網(wǎng)與臺站主要建筑的地網(wǎng)進(jìn)行連接，擴(kuò)大接地輻射體。

由此，我們總結(jié)：

（1）應(yīng)當(dāng)定期對設(shè)備地網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測；

（2）監(jiān)測的方法應(yīng)當(dāng)規(guī)范。例如，使用地阻測量儀時(shí)，應(yīng)將兩個(gè)接地探針沿接地體輻射方向分別插入距接地體20m、40m的地下，插入深度為400mm。隨意更改測量的距離或方向均會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

5 結(jié)論

我們統(tǒng)計(jì)了改造前后各2年因雷擊造成的故障板卡數(shù)，可以看出改進(jìn)取得了較好的效果，設(shè)備因遭受雷擊損壞的板卡數(shù)量，由2015年的12塊，2016年的14塊，到2017年和2018年的零板卡損壞。通過上述改造，廣州白云機(jī)場自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)自2017年以來未發(fā)生因雷擊而損壞設(shè)備板卡的情況，對同類設(shè)備的維護(hù)有一定的參考意義。