隔离电源系统在上海多个测震、地球物理台站得到了应用，不仅为台站仪器提供了稳定的电力资源，而且可以成功避雷，保护台站设备的安全 。
摘要
上海测震、地球物理台站运行中，因电源系统和雷电而导致的故障占了较大比例。为提升台站运行质量而研发的隔离电源系统，可有效地将市电与台站设备间进行物理隔离，杜绝了雷击通过交流电供电途径的串入。该系统研制成功后，在上海测震台站试运行，其间发现了系统的一些缺陷，技术人员进行多次改进，提升了系统的整体性能。该系统已在多个测震、地球物理台站应用，取得了显著的防雷、防浪涌效果。
关键词
台站；隔离电源；雷击；运行质量
0引言
上海测震台站和地球物理台站经常发生因雷击而导致信号传输中断的故障。根据统计，因电源因素而导致的故障率约为 40% 。雷击不仅降低了台站的运行率，也增加了维护成本 。虽然安装了菲尼克斯等多级交流避雷器、直流避雷器，并采用自动充放电的UPS 供电电源，但防雷效果有限，台站仍多次遭雷击和电网浪涌，而出现设备损坏的情况 。基于以上原因，研发了隔离电源系统 。通过一段时间的试运行后，对该系统进行了改进，使其性能更加稳定 。
1工作原理
隔离电源系统中的“隔离”意为利用隔离电源控制器将市电和台站的设备电路进行物理隔离，该方式可切断供电的串雷途径。
利用蓄电池供电，将市电和设备进行了物理隔离，实现了不间断供电 。设计使用 2节蓄电池为 1 组，共 2 组（ A 组和 B 组），通过控制器在 24 h 内循环对 A 组或 B 组分时段经 220 V 市电转换充电 。当 A 组蓄电池在充电时，B 组为设备供电 。当 A 组蓄电池的电量充满时，切换为 A 组为设备供电，B 组处于充电状态 。对台站设备的实际功耗进行了跟踪测试，考虑到隔离电源系统控制器自身功耗及蓄电池的充电效率，将蓄电池切换间隔设为1 — 6 h可调 。通过工业级的 KG316T 微电脑时控开关（又称为微电脑时钟控制器）（图 1，图 2），编程设置开关在多个时间点的启闭，从而驱动功率继电器切换电路控制蓄电池组的轮流充电和放电（输出），实现隔离不间断供电功能 。
KG316T 微电脑时控开关和外围功能电路板组成的隔离电源控制器，仅将充电功率模块与市电电网相连接，这样即使发生雷击，可由前端的抗雷性能强的高耐压、大功率充电电路来承受，而后端的其他设备均处于蓄电池供电模式 。该系统可以通过高耐压、大功率器件的充电电路来强化其抗雷击性能，提高工作的稳定性 。KG316T 电脑时控开关的控制板电路和键控控制、LED 指示板电路如图 2 所示 。
由图2 可见，市电经变压器隔离、降压后，经D1 —D4 桥式整流、C2 滤波，一方面为控制电路提供直流工作电压（时控开关开启时为 12 V，关闭时为 15 V），并使 LED1 发光，指示时控开关已经接入市电；另一方面经 R2 限流、R3 分压、VDl 稳压，在 C4 两端形成 3.6 V 的稳定电压，再经 D5 降压、R4 限流，为电脑电路和液晶显示电路提供 3 V 工作电源 。内附电池 E 保证在停电时已设定的数据不丢失和电脑计时的不间断，可长期供液晶显示时钟和微电脑电路运行 。电路中 D5 在时控开关不接入电源或停电时起隔离作用，以防内附电池经 R3 耗电 。
微电脑时控开关电路参考简图及阐述部分略。
2系统改进（略）
隔离电源系统在多个台站运行期间，我们发现了一些缺陷，针对这些问题，进行了改进和升级 。
（1）智能三段式充电功能替代了普通充电方式 。
（2）全物理隔离市电网功能 。
（3）多路、不同规格、不间断直流输出功能。
（4）增加了无线电压监控装置 。
3运行情况
隔离电源系统在上海多个测震、地球物理台站得到了应用，不仅为台站仪器提供了稳定的电力资源，而且可以成功避雷，保护台站设备的安全。
我们在佘山台、金泽台、天平山台、上戏台、天马山台、小昆山台、竹园台、大洋山台等测震台站和查山台、长兴岛台等地球物理台站安装了隔离供电系统 。经过 2010 —2019 年的运行，这些台站的故障率大大降低 。经过对历年的台站运维情况进行对比发现，未安装该系统前的 2005 — 2008 年，每年台站因雷电和电网的问题而进行维护的平均次数为 60 次 。在隔离电源系统被广泛应用后，每年维护次数下降到平均 20 次 。未安装隔离电源系统时，每年的维修经费中有很大一部分要支付由雷击引起的各类设备的维修，甚至需要重新购买备件；而 2010 — 2013 年相比 2006 — 2009 年平均每年至少节省经费近 2 万元。
随着隔离电源系统的普遍应用，台站的避雷等级也相应升级 。从近几年的运行情况来看，维护任务明显减少，台站因雷击所导致的昂贵设备受到损坏的情况有明显改善 。2010 年至 2019 年 2 月，较容易遭受雷击的天马山台、大洋山台，小昆山台、佘山台，天平山台等均未出现由雷击所导致的严重设备故障，如 2011 年 10 月 9 日天马山台市电浪涌导致电力故障，隔离电源系统保全了后端昂贵的地震专业设备；2012 年 6 月 21 日上戏台遭受雷击，隔离电源与电网连接的充电电路损坏，但隔离电源系统保全了后端的多个重要设备，台站故障很快被修复；2013 年 7 月 18 日佘山台设备在隔离电源的保护下，未遭雷击；2014 年 9 月 21 日、2016 年 7 月 12 日大洋山台遭受雷击，当维护人员到达现场时发现，只有隔离电源与电网连接的充电电路遭雷击损坏，但保全了后续的多个重要设备，台站故障很快被修复；2014 年 7 月 22 日天平山台在隔离电源的保护下，台站其他设备免受雷击；2014 年 8 月 15 日金泽台因为安装了隔离电源设备，避免了昂贵的井下地震计和数采遭受严重雷击；2018 年 1 月 13 日查山台市电中断，台站的隔离电源系统提供了长时间的续航，保证了数据的连续；2019 年 2 月长兴岛台多次发生市电中断，台站的隔离电源系统为后端的地震仪器提供了长时间的续航，保证了数据连续率 。
4结束语
隔离电源系统经改进已处于稳定的工作状态，近几年，将其应用在上海测震台网和地球物理台网的多个台站，取得了显著的防雷效果 。但前端的充电功率模块因与市电电网未隔离，因此其抗雷性能和高耐压性能至关重要，对此还有可提高的空间，待性能加强后可应用于预警台站、强震台站等 。
作者 | 林航毅 裴晓 王鹏 刘菲（上海市地震局）
基金项目：
中国地震局地震科技星火计划（项目编号：XH14021Y）；
上海市地震局科技专项（项目编号：2013 专 10）
来源 | 全文发表在《地震地磁观测与研究》2019年第5期
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