一种YRY钻孔应变仪的防雷隔离电源设计

汤长江，池顺良，字承柱，方 伟，李 璘

（1.永胜地震台，云南 丽江 674200；2.鹤壁市地震局，河南 鹤壁 458000；3.洱源地震台，云南 大理 671200；4.云南省地震局，云南 昆明 650224）

0 引 言

YRY型钻孔应变仪是中国地震台网“十五”期间在全国安装的全天候（分数据采集）不间断监测地壳应变的主要仪器设备。该设备性能处于世界领先水平，全套仪器运行功率为15 W，主要由防雷隔离电源、数采仪器、井下（50～100 m）传感器及网络通信光纤转接器组成。由于YRY-4钻孔应变仪的井下传感器探头是用水泥与周围岩石耦合的，为一次性仪器[1]，因此传感器经不起过电压和大电流的冲击，被雷击或发生故障损坏后将无法更换维修，只能报废。因此，供电防雷方式和电路控制系统直接影响仪器的安全和监测数据的连续性。本文改制的自发电型防雷隔离电源具备供电完全物理隔离、防雷效果优秀、抗市电扰动强、功能完善、可靠性高及安全性较好的特点，有效保证了监测仪器的安全、连续运行。

1 防雷隔离电源的原理构成

220 V市电经温度控制器（设定0～60 ℃）供交流无刷滚轴电动机经PU绝缘传动带带动16 V发电机自发电，经LM338K稳压输出，再经YYF-2电压模块进行控制。如果发电输出符合设定电压（14.2～15.0 V），双刀双掷继电器J1吸合，J1-1常开端接通，给电瓶、仪器设备供电，同时J1-2接通，给手机远程报警控制器提供开关量信号；否则，电瓶输出给仪器设备供电。当电瓶应急供电时，XH-607模块监控电瓶电压。电压为11 V时，J2吸合，J2-1接通，给手机远程报警控制器提供开关量信号。手机远程报警控制器接收到开关信号后，拨打注册管理人员手机，并发送预设报警信息。

自发电防雷隔离电源主要由自发电系统和电路构成，如图1所示。

图1 防雷隔离电源的原理构成图

1.1 自发电构成

（1）交流电动机。采用E级无刷滚轴电机（220 V/60 W），把电能转换为动能。

（2）XH-W3002电脑自动温控器。该温控器的输入电压为交流200～240 V，输出能力为负载电流10 A，延时方式为0～10 min。将电脑温控器的温度探头固定在电机外壳上（涂导热脂），当无刷滚轴电机外壳的检测温度在设定的温度0～60 ℃时，交流电机得电运行[2]。此时，延时设定为5 min，防止市电频繁切换的干扰。

（3）发电机。采用日本MINEBEA外转子大功率无刷静音三相交流发电机（16 V/3 A）为监测仪器供电，同时给后备电瓶充电。

（4）PU绝缘传动带。该传动带具有极高的抗张力和拉力强度、耐磨耗、耐冲击、使用温度范围广、不易伸长、易熔接、易安装及寿命长等特点。

1.2 电路构成

（1）整流线性稳压电路。该电路由6只MBR5200肖特基二极管组成桥式整流，由LM338K组成三端线性稳压电路[3]，输出调整为14.8 V，LM7805稳压输出为5.0 V，供仪器、光纤转接器使用。

（2）不间断直流输出控制。采用YYF-2型电压检测模块，设定延时时间为60 s，防止输出震荡损伤整个电路。设定区间内吸合，如果测量电压为14.2～15.0 V，双刀双掷继电器吸合；否则，继电器断开，控制电瓶与发电机的输出切换，同时给手机远程报警控制器提供开关量信号。

（3）电瓶恒流、恒压充电模块。该模块（型号MK 130）具有恒压、恒流及可调功能，使用中调整为13.7 V/700 MA，以防电瓶充电时发生发电系统过流、电压波动。

电瓶电量监控。采用XH-607电瓶控制模块，具有电瓶电量监测保护功能，使用中与电瓶并接，当电瓶在设定电压11.0 V时，继电器吸合，给手机远程报警控制器提供开关量信号。

（5）松下免维护蓄电池。该蓄电池可为监测仪器提供应急供电，通过电压控制器控制切换，发电机供电正常情况下处于浮充备用状态，应急状态下给全部仪器供电，规格为12 V/10 A。

（6）手机远程报警控制器。该控制器型号为STK24S（GSM/GPRS），GSM频段为900 MHz/1 800 MHz或者850 MHz/1 900 MHz，内置锂电池，停电待机约12 h。该控制器具备开关量检测功能，可实现有线的高低电平检测报警或线断报警，并拨打注册管理人员手机（注：需移动手机卡一张）[4]。

2 整机设计及搭建

（1）机箱。机箱采用塑封防火板制作，积木式搭建，上盖板采用2 cm厚透明塑料板，以便观察内部运行情况和日常维护。

（2）自发电系统。用VV型橡胶减震器将交流电机和发电机固定在底板，调节使传动轮PU绝缘传动带在水平位置，皮带垂直松紧度在1 cm左右。

（3）电路及制作。通过模块组合，得到整个电路的工作原理图，如图2所示。

图2 防雷隔离电源的电路原理图

（4）电路实物的完整实现。线路采用3 mm厚的单面板，各模块和线路板连接采用KF2EDGRK-3.81接线座，选用的各元器件和模块的参数型号如图2所示。制板时，在覆铜板上手工绘制线路图（注意散热器安放位置），放入腐蚀液30 min后拿出，清洗打磨，并涂上酒精松香液。通过对应方法检测所有元器件，排除器件误差过大对电路的影响。将检测好的元器件焊接到相应位置，KF2EDGRK-3.81接线座焊接牢固，各模块用3 mm塑料螺钉固定。当不插入任何模块时，启动发电系统，万用表接C6两端，调整R2，接入12 V/25 W的托车灯泡，使输出电压为14.8 V左右。运行1 h正常后，再接通所有电路、电瓶进行细调。

发电系统测试使用的测试仪表为2 000 W可控硅交流调压器、五位数字电压表及可调放电器，测试表如表1和表2所示。

表1 电压波动防雷隔离电源测试表

表2 负载不同防雷隔离电源测试表

由表1和表2可知，当交流电动机的电网电压波动较大（210～250 V）和直流发电机的负载不同（0.5～2 A）时，防雷隔离电源输出稳定，平均电压为14.861 V，符合监测仪器工作要求（仪器内部还有2次精密稳压）。

3 应用实例

防雷隔离电源从2018年1月-2018年12月在永胜地震台连续运行中共发生供电故障3次，如表3所示。

由表3可知，故障发生后，自电系统和后备电瓶供电切换正常。7月12日由市电窜入的感应雷击坏220 V交流电机。由于供电完全物理隔离，电瓶电量充足，监测仪器未受雷电影响，报警系统运行正常。此外，管理人员手机都收到了供电故障、电瓶电量报警，保障了故障的及时修复。全年监测仪器产出数据仅缺记1 h，运行率优秀，如表4所示。

表3 永胜台2018年钻孔应变仪防雷隔离电源故障统计表

表4 永胜台2018年监测仪器运行率统计表

4 结 论

经过1年的连续运行考验发现，电动发电型防雷隔离电源具有供电完全物理隔离、防雷效果好、自动控制220 V交流电机在安全温度下可靠运行、自动切换发电机、电瓶不间断直流供电、LED数字显示、供电运行状态实现24 h手机监控、供电故障和电瓶电量情况自动拨打管理人员（5人）手机报警、供电稳定连续及维护方便等特点，应用效果明显，达到了设计要求。