測震臺站智能隔離防雷系統(tǒng)的設計與實現①

E-mail：s6800@163.com。

孫宏志， 李秀麗， 雷晨， 盧山， 趙龍梅， 孫愷微， 高業(yè)欣

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

摘要：介紹一種測震臺站智能隔離防雷系統(tǒng)的設計實現。其電源部分設計為步進電機控制雙電瓶交換充電、放電，保證設備與交流市電完全隔離；信號傳輸部分設計為通過無線局域網(WLAN)將測震信號傳輸到網關，再通過有線網絡進行數據傳輸。此設計的優(yōu)點是使測震核心設備與市電和外線完全物理隔離以達到最好的防雷效果。同時制作先進的NEMS傳感器用于檢測空間電磁場的變化，根據相應算法判斷當地是否發(fā)生雷電，在附近有雷電發(fā)生時可控制斷開信號線、市電等達到保護相關儀器的目的。

關鍵詞：測震臺站； 隔離防雷； 納米機電系統(tǒng)； 無線局域網

收稿日期：①2014-09-24

基金項目：遼寧省地震局科研專項(LZ-K201502)

作者簡介：孫宏志(1973-)，男(漢族)，遼寧省沈陽人，碩士，高級工程師,從事地震儀器研制與電磁傳感器研究工作。

中圖分類號:P315.78； TU895文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0878

Design and Implementation of an Intelligent Isolated Lightning

Protection System for Seismic Stations

SUN Hong-zhi, LI Xiu-li, LEI Chen, LU Shan, ZHAO Long-mei, SUN Kai-wei, GAO Ye-xin

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Liaoning110034,Shenyang，China)

Abstract：To develop a system to protect the instruments of seismic stations from being damaged by lightning, we used a single-chip microcontroller as the core of the system to control the other chips and hardware. We used an industrial GPRS module to translate information from remote seismic stations to the seismic net monitoring center, and a WIFI module to transfer data between our system and a local wireless router. We used a magnetoelectric nano-electromechanical system (NEMS) sensor probe to detect the electromagnetic field (thunder). The connection status of the seismic signal line and the power line was controlled by the stepping motor of the single-chip microcontroller. In addition, we designed a system with a double internal 12 V DC switching power supply and a double inverter 220 V AC power supply for controlling the charging and discharging of the double storage batteries. When one storage battery is providing power to our system, the other is connected to the DC power for charging. This design ensures the complete isolation of our equipment from AC power. Furthermore, the system is able to transfer seismic data to the gateway using the wireless local area network, and simultaneously monitor changes in the electromagnetic space field with the NEMS sensor. The system can receive or control information from the monitoring center at any time, and can also control the connection status of the AC power and signal lines with the stepper motor. The double internal DC and AC power supply reduces the signal breakdown faults caused by power failure. This device can effectively protect seismic station instruments from damage by lightning, and improve the continuous operation ratio of seismic data.

Key words： seismic station; isolated lightning protection; nano-electromechanical system; wireless local area network

0引言

雷暴天氣帶來的強降水、大風、強光、強電場、強電流、強聲波、電磁脈沖輻射、無線電噪聲等，對人類社會產生巨大的危害。全球每年因雷擊造成損失達數百億美元。雷電災害也是傳統(tǒng)測震臺站的主要災害之一[1]，由于雷電危害損壞觀測技術系統(tǒng),造成工作中斷、監(jiān)測資料缺損。我國年平均雷電日25天，高的可達100多天，大部分測震臺站都受雷電干擾，嚴重的和比較嚴重的約占1/3至1/4[2]。因此做好防雷工作，保證觀測技術系統(tǒng)正常運行，產出連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的數據，減少損失是有重要意義的[3]。

雷電波入侵臺站的形式有兩種：(1)直擊雷，即雷電直接擊中觀測系統(tǒng)造成系統(tǒng)設備損壞；(2)感應雷，即雷電通過電力線、信號線、傳輸線、天線等與臺站各種供電設備、弱電設備相連的引入線纜遭受直擊雷或感應雷電流沿線侵入，感應出很高的電壓進入觀測系統(tǒng)造成設備損壞。據估測，雷電對地震觀測技術系統(tǒng)的危害絕大部分是由感應雷引起的，直擊雷造成的損失僅占百分之幾。而感應雷害約有70%是由電源進線引入的，其次是從傳輸線、信號線進入，還有一部分是因為地線未接好而出現的感應高壓反擊造成[4]。

現有防雷技術主要分為外部防雷和內部防雷[4]。外部防雷主要指建筑物的防雷，是防雷技術的重要組成部分，其技術措施可分接閃器(避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器)、引下線和接地體。內部防雷系統(tǒng)主要是對建筑物內易受過電壓破壞的設備，如：計算機等電子設備加裝過壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設備免受損壞。內部防雷又可分為電源防雷和信號防雷，即在電源線入口處安裝電源避雷器和在信號線上安裝信號避雷器。多數采用的避雷方法也均局限于此，如趙海翔、王曉蓉論述的風電機組的雷擊機理與防雷技術[5]和林三忠論述的有線電視網絡防雷技術發(fā)展及演變等[6]。在對測震臺站的防雷技術進行一些探討和總結[7-8]時發(fā)現一種最有效、最經濟的防雷方法——躲避方法，即在雷雨來臨之前緊閉門窗，關機、斷電、拔信號電纜頭等[4]。如廣東地震臺站前兆觀測系統(tǒng)在電源防護中引用此方法[9]。目前國內地震系統(tǒng)對于躲避避雷法的使用還僅局限于電源避雷(由于大多使用繼電器控制隔離，存在間隙過小的問題，防雷效果有限)[9]和非實時傳輸的數據信號避雷(非工作時段斷電隔離)[10]。

1防雷系統(tǒng)的工作原理及設計

1.1防雷系統(tǒng)的工作原理

針對臺站地震儀器易遭受雷擊等實際問題，需研制一種專用可靠的智能防雷設備。電源部分設計為可以通過步進電機控制管理兩路獨立的電瓶組，工作模式為兩組電瓶循環(huán)通過儀器對后端設備供電，一組電瓶供電時另一組電瓶充電；信號傳輸部分設計為通過WLAN(無線局域網)將測震信號傳輸到網關，而后再通過有線網絡進行數據傳輸。同時通過NEMS傳感器實時監(jiān)測空間電磁場的變化，在檢測到附近有雷電發(fā)生時可以將監(jiān)測狀況信息發(fā)送到監(jiān)測中心，并可隨時接收監(jiān)測中心傳來的控制信息，通過步進電機控制交流電源和信號線的導通和斷開。此設計的優(yōu)點是使測震核心設備與市電和外線完全物理隔離以達到最好的防雷效果(實現真正實時有效的躲避避雷)。同時通過雷電監(jiān)測電路可實時監(jiān)測附近是否有雷電發(fā)生，雷電發(fā)生時可遠程控制220 V市電和信號線的物理斷開，達到與市電和外部信號線完全物理隔離。同時內部直流部分設計為12 V開關電源和12 V電源模塊互為備份，交流輸出設計為雙路逆變220 V輸出相互備份，以減少由于電源故障引起的信號斷記。此設備一旦研制成功，可很好地解決臺站易斷電、直流12 V電源易損壞、有線傳輸方式偶爾出現故障和雷擊等實際問題。

1.2防雷系統(tǒng)的設計

技術線路：硬件方面以單片機為硬件核心，用工業(yè)GPRS模塊作為通信橋梁進行信息交互[11]，WIFI模塊作為數據傳輸通道，磁電納米機電系統(tǒng)傳感器為電磁場(雷電)檢測探頭。系統(tǒng)用非易失數據存儲器件存儲設置參數：通過步進電機控制信號線的通斷和電源的切換，以太網網絡模塊用于接收數據采集器發(fā)出的測震數據，WIFI無線模塊用于將測震信號發(fā)送給無線路由，再通過有線線路將測震數據傳送回監(jiān)測中心。監(jiān)測中心人員也可通過GPRS模塊對臺站設備進行遠程操作。設備主要硬件框圖如圖1所示。

圖1　儀器硬件框圖 Fig.1　The instrument’s hardwire block diagram

1.3防雷系統(tǒng)使用、連接方式

測震臺站智能防雷設備使用、連接框圖如圖2所示。

圖2　儀器使用、連接框圖 Fig.2　The instrument’s applying and connecting 　　　 block diagram

儀器硬件上使用工業(yè)級單片機、芯片和電子器件，集成化設計提高設備穩(wěn)定性。軟件上使用匯編語言編寫模數轉換和非易失存儲底層驅動程序提高程序運行速度，用C51語言編寫主程序和其他功能模塊程序，聯(lián)合編譯實現程序運行穩(wěn)定性。

2NEMS雷電檢測傳感器的設計

目前，強電磁耦合在磁致伸縮和壓電電磁異質結構中已經得到證明[12-16]。在此基礎上研制出了一些新的電磁設備，包括電磁傳感器[17-20]、新器件[21-24]和電壓調節(jié)微波電磁設備[25-27]等。通過納米機電技術設計了NEMS傳感器[28]，其結構如圖3所示。

圖3　NEMS傳感器機械結構 Fig.3　NEMS sensor's mechanical structure

傳感器最下層為50 nm厚的有n個嵌入的指狀Pt電極，其長度為L，總寬度為W，指狀電極寬度為W0；傳感器中間層為250 nm厚的氮化鋁(AIN)；上層為250 nm厚的10層(FeGaB/Al2O3)磁電異質結構層(其中每層FeGaB厚度為20 nm，Al2O3厚度為5 nm。)

磁電納米機電系統(tǒng)傳感器的共振頻率可表示為：

圖4　NEMS傳感器等效電路 Fig.4　NEMS sensor' s equivalent circuit

NEMS傳感器制作過程如下：使用5層掩膜的微細加工的過程中，高電阻率硅晶作為基質(大于10 000 Ω·cm)，物理蒸汽濺射沉積法將50 nm的鉑薄膜蒸汽沉積在基底Si上，移去掩膜層；相同方法制作250 nm厚的氮化鋁(AIN)層；再制作250 nm的多層(FeGaB/Al2O3)磁電異質結構層；然后通過蒸發(fā)及剝離掩膜形成50 nm厚的金(Au)膜頂電極。最后在AlN膜進行蝕刻，電感耦合等離子體(ICP )刻蝕諧振納米板的形狀。過程如圖5所示。

圖5　NEMS傳感器制作過程 Fig.5　NEMS sensor’s manufacture

3系統(tǒng)軟件設計

圖6　程序流程圖 Fig.6　Program flow chart

主程序流程圖如圖6所示，通過本系統(tǒng)的軟件設計，使其能自動檢測空中電場的變化判斷附近是否有雷閃，將雷閃信息傳送到監(jiān)測中心。同時可以接收中心發(fā)送的控制信息，對交流電和傳輸線路進行斷開或連接操作。短信軟件設計主要包括以下部分：控制終端上電后，首先讀取本機的地址號(臺站號)，然后對通訊模塊wavecom24plus進行初始化，如設置短信模式為text模式等；其次單片機巡回檢測wavecom24plus是否收到新短信，當有新短信傳來時讀取指令短信，并判斷地址號是否與本機相同，密碼是否正確；如相符則執(zhí)行相應的操作指令如斷開交流電源和傳輸線路等操作；然后通過NEMS傳感器實時檢測高場強度判斷附近是否有雷閃，將雷閃信息傳送到監(jiān)測中心。

4結論

本系統(tǒng)電源部分設計為步進電機控制雙電瓶交換充電、放電，保證設備與交流市電完全隔離，且間距大于10 cm以達到有效的防雷效果；信號傳輸部分設計為通過WLAN(無線局域網)將測震信號傳輸到網關，再通過有線網絡進行數據傳輸。此設計的優(yōu)點是使測震核心設備與市電和外線完全物理隔離以達到最好的防雷效果。同時制作先進的NEMS傳感器用于檢測空間電磁場的變化[29-30]，根據電磁場的變化和相應算法判斷當地是否發(fā)生雷電[31-32]，控制部分將雷電信息通過GPRS無線模塊傳送到監(jiān)控中心，中心人員判斷信息并對遠端設備進行相應操控(切斷外部交流電源，切斷有線傳輸線，如子臺具有無線備用信道可啟用無線進行數據傳輸，或直接關閉所有地震設備電源)。此方式為物理斷開方式保護設備，具有其他方式不可比擬的防雷效果，在電源輸入和信號輸出方面采用步進電機進行控制，以克服繼電器控制帶來的間隙過小所導致的空氣擊穿問題。使測震核心設備與市電和外線完全物理隔離，實現真正實時有效的躲避避雷，并在附近有雷電發(fā)生時控制斷開信號線、市電等達到保護相關儀器的目的。

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