氣象自動觀測系統(tǒng)傳輸線纜通用避雷器設計＊

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

自動氣象觀測站及其值班機房是弱電設備集中場所,抵抗雷擊電磁脈沖的能力極為脆弱,近年來,各地相繼出現(xiàn)較多起由于雷擊而使業(yè)務工作受影響的事件。因此,對于提高自動氣象站運行可靠性而言,預防雷電侵害是其極為重要的部分。自動觀測系統(tǒng)采集的信息由觀測場傳輸?shù)街蛋嗍?采用的傳輸方式是多條線纜的有線傳輸,同條線纜內包含了信號線、控制線和電源線,并使用專門的航空接插頭連接設備,在進行雷擊過電壓的防護時,線纜無法斷開安裝SPD,造成設備過電壓防護存在漏洞而使全方位雷電防護難以實施,在對自動氣象觀測系統(tǒng)過電壓保護的不斷探索和長期的工程實踐中,我們對室內外傳輸線合成功能的通用避雷器進行了研究,并完成了設計和制作。

1 設計制作的總體要求

針對工程實踐中所遇到的困難,設計制作的自動觀測系統(tǒng)通用避雷器應達到如下功能：一是配套的輸入輸出端口,以使安裝得以實現(xiàn);二是通用避雷器需對每條線纜內的每一根線加以保護,不同的線路(電源線、信號線、控制線)具有不同的保護要求,其對過電壓的限制和過電流的分流方法亦不同;三是避雷器可實現(xiàn)安裝并具有防護功能后,不能對原有的傳輸質量造成影響,即避雷器在信號傳輸線中的插入損耗要足夠小;最后是每個避雷器的體積不能太大,外形美觀且便于安置。

2 通用避雷器防護能力的設計依據(jù)

2.1 氣象觀測站雷電波侵入室內的可能強度分析

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

2.2 站內各弱電設備的峰值電壓耐量分析

自動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。國際電器電子工程師協(xié)會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,我國通信部門的有關標準對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達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 自動觀測數(shù)據(jù)信號的傳輸速率分析

對于自動觀測站傳感器到處理器的信號傳輸而言,是模擬量或完成模/數(shù)轉化后的單向傳輸,風向風速、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。

2.4 觀測站室內外傳輸線纜和連接端口的組成

觀測場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各自的纜線,并配以不同形狀的航空接口對應連接室內氣象要素處理儀的不同輸入端口。對于一個觀測站的自動觀測系統(tǒng),具有風向風速、雨量、干濕球溫度、地表溫度、淺層地溫及深層地溫6大觀測項目,每個觀測項目對應一條傳輸纜線,加上直流電源供電纜線,一個自動觀測站共有7條連接室內外的傳輸纜線,連接氣象要素處理儀7個不同的輸入端口。

3 通用避雷器各主要參數(shù)的確定

3.1 電壓等級選擇

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

風向風速、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,標稱放電電流大于5 kA(8/20μs)。

3.2 傳輸速率的配套

傳輸信號避雷器安裝在信號線上時,其支持的傳輸速率應不小于通信系統(tǒng)本身的傳輸速率,不然會導致中斷或誤碼,影響系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)2.3的分析,自動觀測站傳感器到處理器的信號傳輸速率在2 M以內,所以設計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,外形完全復制原接口。

3.4 保護方法的選擇和插入損耗

自動站室內外信息傳送屬于小電流信號傳輸,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方法。

通用避雷器因為采用配套接口插拔與纜線串聯(lián)安裝,所以除最大持續(xù)工作電壓、標稱放電電流、傳輸速率、接口的配置等滿足上述要求外,還應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計

4.1 整體參數(shù)表

根據(jù)以上分析,結合單一信號避雷器的要求,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

其中對應芯數(shù)：風向風速傳輸線的保護芯數(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、深層地溫的保護芯數(shù)均為19芯。

4.2 通用避雷器內部結構原理圖

通用避雷器內部結構原理圖,如圖1。

4.3 避雷器的成品組裝和安裝

按照保護芯數(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。安裝時采用16 mm2多股塑包銅線引出機房接地端,連接到數(shù)據(jù)采集處理器的短接地銅條。將7個避雷器的預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。設計制作的通用避雷器成品樣圖如圖2。

圖1 通用避雷器內部結構原理圖

圖2 設計制作的通用避雷器成品樣圖

5 結 語

通用避雷器較好地解決了自動氣象觀測系統(tǒng)傳輸線纜的雷電防護問題,能有效堵截過電壓沿傳輸線纜對室內重要設備的侵襲,且功能完善,安裝簡便。通用避雷器的安裝和使用,進一步完善了氣象觀測站的防雷保護功能。但是,對于氣象觀測站而言,防雷保護是一個系統(tǒng)工程,決定系統(tǒng)防雷能力的基礎是接閃器布置是否合理,接地系統(tǒng)是否優(yōu)良、線路和場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電壓保護的一小部分,要使觀測站完整的防雷保護得以實施,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)代防雷技術基礎.北京∶氣象出版社,1995：10-41.

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