一種YRY鉆孔應變儀的防雷隔離電源設計

湯長江，池順良，字承柱，方 偉，李 璘

（1.永勝地震臺，云南 麗江 674200；2.鶴壁市地震局，河南 鶴壁 458000；3.洱源地震臺，云南 大理 671200；4.云南省地震局，云南 昆明 650224）

0 引 言

YRY型鉆孔應變儀是中國地震臺網(wǎng)“十五”期間在全國安裝的全天候（分數(shù)據(jù)采集）不間斷監(jiān)測地殼應變的主要儀器設備。該設備性能處于世界領(lǐng)先水平，全套儀器運行功率為15 W，主要由防雷隔離電源、數(shù)采儀器、井下（50～100 m）傳感器及網(wǎng)絡通信光纖轉(zhuǎn)接器組成。由于YRY-4鉆孔應變儀的井下傳感器探頭是用水泥與周圍巖石耦合的，為一次性儀器[1]，因此傳感器經(jīng)不起過電壓和大電流的沖擊，被雷擊或發(fā)生故障損壞后將無法更換維修，只能報廢。因此，供電防雷方式和電路控制系統(tǒng)直接影響儀器的安全和監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。本文改制的自發(fā)電型防雷隔離電源具備供電完全物理隔離、防雷效果優(yōu)秀、抗市電擾動強、功能完善、可靠性高及安全性較好的特點，有效保證了監(jiān)測儀器的安全、連續(xù)運行。

1 防雷隔離電源的原理構(gòu)成

220 V市電經(jīng)溫度控制器（設定0～60 ℃）供交流無刷滾軸電動機經(jīng)PU絕緣傳動帶帶動16 V發(fā)電機自發(fā)電，經(jīng)LM338K穩(wěn)壓輸出，再經(jīng)YYF-2電壓模塊進行控制。如果發(fā)電輸出符合設定電壓（14.2～15.0 V），雙刀雙擲繼電器J1吸合，J1-1常開端接通，給電瓶、儀器設備供電，同時J1-2接通，給手機遠程報警控制器提供開關(guān)量信號；否則，電瓶輸出給儀器設備供電。當電瓶應急供電時，XH-607模塊監(jiān)控電瓶電壓。電壓為11 V時，J2吸合，J2-1接通，給手機遠程報警控制器提供開關(guān)量信號。手機遠程報警控制器接收到開關(guān)信號后，撥打注冊管理人員手機，并發(fā)送預設報警信息。

自發(fā)電防雷隔離電源主要由自發(fā)電系統(tǒng)和電路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 防雷隔離電源的原理構(gòu)成圖

1.1 自發(fā)電構(gòu)成

（1）交流電動機。采用E級無刷滾軸電機（220 V/60 W），把電能轉(zhuǎn)換為動能。

（2）XH-W3002電腦自動溫控器。該溫控器的輸入電壓為交流200～240 V，輸出能力為負載電流10 A，延時方式為0～10 min。將電腦溫控器的溫度探頭固定在電機外殼上（涂導熱脂），當無刷滾軸電機外殼的檢測溫度在設定的溫度0～60 ℃時，交流電機得電運行[2]。此時，延時設定為5 min，防止市電頻繁切換的干擾。

（3）發(fā)電機。采用日本MINEBEA外轉(zhuǎn)子大功率無刷靜音三相交流發(fā)電機（16 V/3 A）為監(jiān)測儀器供電，同時給后備電瓶充電。

（4）PU絕緣傳動帶。該傳動帶具有極高的抗張力和拉力強度、耐磨耗、耐沖擊、使用溫度范圍廣、不易伸長、易熔接、易安裝及壽命長等特點。

1.2 電路構(gòu)成

（1）整流線性穩(wěn)壓電路。該電路由6只MBR5200肖特基二極管組成橋式整流，由LM338K組成三端線性穩(wěn)壓電路[3]，輸出調(diào)整為14.8 V，LM7805穩(wěn)壓輸出為5.0 V，供儀器、光纖轉(zhuǎn)接器使用。

（2）不間斷直流輸出控制。采用YYF-2型電壓檢測模塊，設定延時時間為60 s，防止輸出震蕩損傷整個電路。設定區(qū)間內(nèi)吸合，如果測量電壓為14.2～15.0 V，雙刀雙擲繼電器吸合；否則，繼電器斷開，控制電瓶與發(fā)電機的輸出切換，同時給手機遠程報警控制器提供開關(guān)量信號。

（3）電瓶恒流、恒壓充電模塊。該模塊（型號MK 130）具有恒壓、恒流及可調(diào)功能，使用中調(diào)整為13.7 V/700 MA，以防電瓶充電時發(fā)生發(fā)電系統(tǒng)過流、電壓波動。

電瓶電量監(jiān)控。采用XH-607電瓶控制模塊，具有電瓶電量監(jiān)測保護功能，使用中與電瓶并接，當電瓶在設定電壓11.0 V時，繼電器吸合，給手機遠程報警控制器提供開關(guān)量信號。

（5）松下免維護蓄電池。該蓄電池可為監(jiān)測儀器提供應急供電，通過電壓控制器控制切換，發(fā)電機供電正常情況下處于浮充備用狀態(tài)，應急狀態(tài)下給全部儀器供電，規(guī)格為12 V/10 A。

（6）手機遠程報警控制器。該控制器型號為STK24S（GSM/GPRS），GSM頻段為900 MHz/1 800 MHz或者850 MHz/1 900 MHz，內(nèi)置鋰電池，停電待機約12 h。該控制器具備開關(guān)量檢測功能，可實現(xiàn)有線的高低電平檢測報警或線斷報警，并撥打注冊管理人員手機（注：需移動手機卡一張）[4]。

2 整機設計及搭建

（1）機箱。機箱采用塑封防火板制作，積木式搭建，上蓋板采用2 cm厚透明塑料板，以便觀察內(nèi)部運行情況和日常維護。

（2）自發(fā)電系統(tǒng)。用VV型橡膠減震器將交流電機和發(fā)電機固定在底板，調(diào)節(jié)使傳動輪PU絕緣傳動帶在水平位置，皮帶垂直松緊度在1 cm左右。

（3）電路及制作。通過模塊組合，得到整個電路的工作原理圖，如圖2所示。

圖2 防雷隔離電源的電路原理圖

（4）電路實物的完整實現(xiàn)。線路采用3 mm厚的單面板，各模塊和線路板連接采用KF2EDGRK-3.81接線座，選用的各元器件和模塊的參數(shù)型號如圖2所示。制板時，在覆銅板上手工繪制線路圖（注意散熱器安放位置），放入腐蝕液30 min后拿出，清洗打磨，并涂上酒精松香液。通過對應方法檢測所有元器件，排除器件誤差過大對電路的影響。將檢測好的元器件焊接到相應位置，KF2EDGRK-3.81接線座焊接牢固，各模塊用3 mm塑料螺釘固定。當不插入任何模塊時，啟動發(fā)電系統(tǒng)，萬用表接C6兩端，調(diào)整R2，接入12 V/25 W的托車燈泡，使輸出電壓為14.8 V左右。運行1 h正常后，再接通所有電路、電瓶進行細調(diào)。

發(fā)電系統(tǒng)測試使用的測試儀表為2 000 W可控硅交流調(diào)壓器、五位數(shù)字電壓表及可調(diào)放電器，測試表如表1和表2所示。

表1 電壓波動防雷隔離電源測試表

表2 負載不同防雷隔離電源測試表

由表1和表2可知，當交流電動機的電網(wǎng)電壓波動較大（210～250 V）和直流發(fā)電機的負載不同（0.5～2 A）時，防雷隔離電源輸出穩(wěn)定，平均電壓為14.861 V，符合監(jiān)測儀器工作要求（儀器內(nèi)部還有2次精密穩(wěn)壓）。

3 應用實例

防雷隔離電源從2018年1月-2018年12月在永勝地震臺連續(xù)運行中共發(fā)生供電故障3次，如表3所示。

由表3可知，故障發(fā)生后，自電系統(tǒng)和后備電瓶供電切換正常。7月12日由市電竄入的感應雷擊壞220 V交流電機。由于供電完全物理隔離，電瓶電量充足，監(jiān)測儀器未受雷電影響，報警系統(tǒng)運行正常。此外，管理人員手機都收到了供電故障、電瓶電量報警，保障了故障的及時修復。全年監(jiān)測儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)僅缺記1 h，運行率優(yōu)秀，如表4所示。

表3 永勝臺2018年鉆孔應變儀防雷隔離電源故障統(tǒng)計表

表4 永勝臺2018年監(jiān)測儀器運行率統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

經(jīng)過1年的連續(xù)運行考驗發(fā)現(xiàn)，電動發(fā)電型防雷隔離電源具有供電完全物理隔離、防雷效果好、自動控制220 V交流電機在安全溫度下可靠運行、自動切換發(fā)電機、電瓶不間斷直流供電、LED數(shù)字顯示、供電運行狀態(tài)實現(xiàn)24 h手機監(jiān)控、供電故障和電瓶電量情況自動撥打管理人員（5人）手機報警、供電穩(wěn)定連續(xù)及維護方便等特點，應用效果明顯，達到了設計要求。