廣州白云國際機場自動氣象觀測系統防雷改進

文/陳政才

1 引言

廣州白云國際機場地處華南雷區，近十年平均雷暴日數高達72.5天，對機場航空器運行及設備運行保障是一個極大的挑戰。

作為保障機場運行的空管設備，AWOS系統的主要功能是將分布在機場跑道一側的各傳感器所采集的氣象要素傳輸至中央數據單進行計算處理，通過網絡把實時氣象資料傳送給各類用戶（如管制塔臺、預報、觀測、機場指揮中心、航空公司運行控制中心等）。白云機場AWOS（AVIMET）系統自投產以來，設備遭雷擊損壞現象頻發，一來造成經濟損失，二來影響用戶對數據的使用。為了減少損失，我們經過大量的分析和實踐，對AVIMET系統從信號通道、電源通道、地網三個方面的防雷措施進行了改進。

2 信號通道的防雷改進

2.1 第三跑道的信號通道改進

2.1.1 情況分析（傳輸模式及可能存在問題）

2015年2月份廣州白云機場第三跑道啟用后，5-8月份迎來了第一個雷雨季節的考驗。AWOS系統第三跑道的數據因為雷擊幾乎全部中斷。設備傳輸的路由為：傳感器--配線架--串口服務器--接入交換機。經排查，是因多個串口服務器MOXA NPORT5150受雷擊故障導致數據中斷。我們進一步拆解MOXA模塊發現，內部電路受雷擊導致了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生瞬變的強電磁場，使通信線路上感應出很高的電動勢造成芯片被擊穿。

因此，我們從通信線路著手，分析出可能的雷擊風險點：

（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的根本手段；等電位連接，可減少需要防雷的空間內各金屬部件和各系統之間的電位差。若屏蔽層僅一端做等電位連接，則僅能防止靜電感應，無法防止磁場強度變化所產生的感應電壓。

（2）傳輸線路兩端設備的信號避雷器。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定的電平范圍內。

若無信號避雷器，則感應雷串入電路中無處釋放，并繼續沿傳輸電路傳輸擊穿兩端設備。

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

2.1.2 改進實施

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

經檢查，航向臺的兩個CL31云高儀機箱未接地，兩個FS11前向散射儀設備接地匯流排未可靠接地，兩個下滑臺機房內的室外進線在線架上未接地。

針對上述不足，采用4mm2的接地銅線就近對設備及線纜屏蔽層進行可靠接地。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，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；且雷擊過后系統工作出現故障時，拆下SPD檢查其擊穿情況，發現SPD仍然處于良好狀態。這說明SPD的選型可能出現了問題。

一般情況下，通過SPD進入下一級信號通道的電平，不應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。考慮以上原因，選用漏電壓為24VDC的SPD，電容小、殘壓低、通流大、響應快、時間常數較短的SPD將會對目前狀況有所改善。

綜合考慮，我們決定在防雷區交界處（信號進入機房的配線箱）和NPORT5150前端設置兩級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

2.2.1 情況分析

第一、二跑道的傳輸架構與第三跑道的類似，不同點在于：

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

（2）傳輸模塊的不同：第三跑道采用的是標準的串口服務器；第一、二跑道采用的是光端機。

經過實踐，采用第三跑道的模式對第一、二跑道的防雷進行改進，達不到預期效果。主要問題在于：模擬信號經過多級SPD后信號衰減較嚴重，導致誤碼率增大，甚至信號中斷；SPD后級的光端機由于設計原因，受雷擊影響后雖沒有損壞，但是會造成業務中斷。

因此，我們決定對第一、二跑道的傳輸進行光纖化改造。

2.2.2 改造實施（光纖化）

眾所周知，光纖是具有不導電性的，可以免受沖擊電流，光纜也具有良好的防護性能，光纜中的金屬構件對地絕緣值較高，雷電流不易進入光纜。本次改造與傳感器設備、傳輸設備的更新同步進行。更新后的設備架構為：傳感器--串口轉光纖模塊--SDH光環網設備。

在原有的傳輸模式中，傳感器信號直接由室外進入距離較遠的室內配線架，由于距離長，大大增加了感應雷電的機率。改造后，傳感器信號就近轉化為光信號，極大地降低了雷電入侵的機會。

3 電源通道的改進

2016年，經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轉光纖模塊MOXA TCF-142-S被雷電擊穿。

經拆機檢驗，故障元件為該模塊的電源部分穩壓芯片燒壞。我們因此著手排查機房內設備電源防雷的薄弱環節。

下滑臺機房內的配電經過入戶防浪涌器、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，我們采取了幾點措施：

（1）規范機房布線，將強電和弱電線纜分開布放；

（2）UPS輸出到機柜的排插改為防雷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型適配器，型號為LPV-35-24。

4 地網的改進

為提高廣州白云機場天氣預報的準確率，我們在主要天氣系統來向的導航臺站設置了自動氣象站，作為本場自動氣象觀測系統的外延。2015-2016年，清遠源潭導航臺的自動氣象站、UPS電源、傳輸設備均遭受到了嚴重的雷擊損壞。

經過多方面排查，最終將問題鎖定在該站點的地網上；經有資質的防雷機構測試，該站點的接地電阻高達10幾歐姆，遠大于規范要求的4歐姆。而造成這個現象的原因是某次臺站施工挖斷了風塔與DVOR反射體之間的地網連接。

通過改造，在風塔周邊增加接地樁，并將風塔的地網與臺站主要建筑的地網進行連接，擴大接地輻射體。

由此，我們總結：

（1）應當定期對設備地網進行監測；

（2）監測的方法應當規范。例如，使用地阻測量儀時，應將兩個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導致測量結果失真。

5 結論

我們統計了改造前后各2年因雷擊造成的故障板卡數，可以看出改進取得了較好的效果，設備因遭受雷擊損壞的板卡數量，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，廣州白云機場自動氣象觀測系統自2017年以來未發生因雷擊而損壞設備板卡的情況，對同類設備的維護有一定的參考意義。