广州白云国际机场自动气象观测系统防雷改进

文/陈政才

1 引言

广州白云国际机场地处华南雷区，近十年平均雷暴日数高达72.5天，对机场航空器运行及设备运行保障是一个极大的挑战。

作为保障机场运行的空管设备，AWOS系统的主要功能是将分布在机场跑道一侧的各传感器所采集的气象要素传输至中央数据单进行计算处理，通过网络把实时气象资料传送给各类用户（如管制塔台、预报、观测、机场指挥中心、航空公司运行控制中心等）。白云机场AWOS（AVIMET）系统自投产以来，设备遭雷击损坏现象频发，一来造成经济损失，二来影响用户对数据的使用。为了减少损失，我们经过大量的分析和实践，对AVIMET系统从信号通道、电源通道、地网三个方面的防雷措施进行了改进。

2 信号通道的防雷改进

2.1 第三跑道的信号通道改进

2.1.1 情况分析（传输模式及可能存在问题）

2015年2月份广州白云机场第三跑道启用后，5-8月份迎来了第一个雷雨季节的考验。AWOS系统第三跑道的数据因为雷击几乎全部中断。设备传输的路由为：传感器--配线架--串口服务器--接入交换机。经排查，是因多个串口服务器MOXA NPORT5150受雷击故障导致数据中断。我们进一步拆解MOXA模块发现，内部电路受雷击导致了485通信IC芯片烧坏。因此，基本可以断定是雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使通信线路上感应出很高的电动势造成芯片被击穿。

因此，我们从通信线路着手，分析出可能的雷击风险点：

（1）线缆的屏蔽和接地。屏蔽是减少电磁干扰的基本措施；接地，则是泄流并减少雷电流或雷电流效应的根本手段；等电位连接，可减少需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。若屏蔽层仅一端做等电位连接，则仅能防止静电感应，无法防止磁场强度变化所产生的感应电压。

（2）传输线路两端设备的信号避雷器。信号避雷器的作用主要是通过漏电二极管放电，将过高的雷电电压在本级电路中引入地端，将输出电压钳定在规定的电平范围内。

若无信号避雷器，则感应雷串入电路中无处释放，并继续沿传输电路传输击穿两端设备。

由于近年多次雷击引起的设备故障集中在传输设备端，而非传感器端，因此，需要从传输设备端的防雷SPD查找问题。

2.1.2 改进实施

（1）做好线缆的屏蔽及接地。为保证电子信号的稳定通畅，减少电磁干扰的威胁，由AWOS传感器进入机房配线架的传输线路采用屏蔽电缆并穿金属管埋地敷设，电缆屏蔽层应至少在两端做等电位连接，若线缆长度较长（超过30米），则应适当增加接地点。

经检查，航向台的两个CL31云高仪机箱未接地，两个FS11前向散射仪设备接地汇流排未可靠接地，两个下滑台机房内的室外进线在线架上未接地。

针对上述不足，采用4mm2的接地铜线就近对设备及线缆屏蔽层进行可靠接地。接地地线力求短、粗、直，以减小分布电感对雷电泄放的影响；同时，避免地线与信号线缆交叉布放，防止泄放电流对信号造成二次干扰。

（2）加装防雷SPD。经检查，第三跑道的传感器中，大部分在线架上安装了线架式SPD；且雷击过后系统工作出现故障时，拆下SPD检查其击穿情况，发现SPD仍然处于良好状态。这说明SPD的选型可能出现了问题。

一般情况下，通过SPD进入下一级信号通道的电平，不应大于后级电路中电子元件所能承受的最大电压。通常AWOS信号通道上板件的电子元器件的工作电压在24VDC以下。考虑以上原因，选用漏电压为24VDC的SPD，电容小、残压低、通流大、响应快、时间常数较短的SPD将会对目前状况有所改善。

综合考虑，我们决定在防雷区交界处（信号进入机房的配线箱）和NPORT5150前端设置两级SPD，通过两级防雷来降低残压。两级SPD的型号分别选用：菲尼克斯PT 3-HF-12DC-ST - 2858043、DT-UFB-485/BS-2920612。

2.2 第一、二跑道的防雷改进

2.2.1 情况分析

第一、二跑道的传输架构与第三跑道的类似，不同点在于：

（1）传输信号的协议不同：第三跑道采用的是RS485协议，信号为数字信号；第一、二跑道采用的是V.22协议，信号为FSK调制后的模拟信号；

（2）传输模块的不同：第三跑道采用的是标准的串口服务器；第一、二跑道采用的是光端机。

经过实践，采用第三跑道的模式对第一、二跑道的防雷进行改进，达不到预期效果。主要问题在于：模拟信号经过多级SPD后信号衰减较严重，导致误码率增大，甚至信号中断；SPD后级的光端机由于设计原因，受雷击影响后虽没有损坏，但是会造成业务中断。

因此，我们决定对第一、二跑道的传输进行光纤化改造。

2.2.2 改造实施（光纤化）

众所周知，光纤是具有不导电性的，可以免受冲击电流，光缆也具有良好的防护性能，光缆中的金属构件对地绝缘值较高，雷电流不易进入光缆。本次改造与传感器设备、传输设备的更新同步进行。更新后的设备架构为：传感器--串口转光纤模块--SDH光环网设备。

在原有的传输模式中，传感器信号直接由室外进入距离较远的室内配线架，由于距离长，大大增加了感应雷电的机率。改造后，传感器信号就近转化为光信号，极大地降低了雷电入侵的机会。

3 电源通道的改进

2016年，经过光纤化线路改造的某传感器由于雷击造成信号中断。故障定位是RS485转光纤模块MOXA TCF-142-S被雷电击穿。

经拆机检验，故障元件为该模块的电源部分稳压芯片烧坏。我们因此着手排查机房内设备电源防雷的薄弱环节。

下滑台机房内的配电经过入户防浪涌器、市电ATS柜防雷、UPS配电箱防雷三级防雷，防雷等级较高。但是电源线从UPS配电柜到机柜距离较长，且中间有和信号线缆交叉布放的地方。

针对该情况，我们采取了几点措施：

（1）规范机房布线，将强电和弱电线缆分开布放；

（2）UPS输出到机柜的排插改为防雷PDU，型号为菲尼克斯PLT-SEC-T3-24-FM - 2905223；

（3）将常受雷击的模块电源适配器改为防雷增强型适配器，型号为LPV-35-24。

4 地网的改进

为提高广州白云机场天气预报的准确率，我们在主要天气系统来向的导航台站设置了自动气象站，作为本场自动气象观测系统的外延。2015-2016年，清远源潭导航台的自动气象站、UPS电源、传输设备均遭受到了严重的雷击损坏。

经过多方面排查，最终将问题锁定在该站点的地网上；经有资质的防雷机构测试，该站点的接地电阻高达10几欧姆，远大于规范要求的4欧姆。而造成这个现象的原因是某次台站施工挖断了风塔与DVOR反射体之间的地网连接。

通过改造，在风塔周边增加接地桩，并将风塔的地网与台站主要建筑的地网进行连接，扩大接地辐射体。

由此，我们总结：

（1）应当定期对设备地网进行监测；

（2）监测的方法应当规范。例如，使用地阻测量仪时，应将两个接地探针沿接地体辐射方向分别插入距接地体20m、40m的地下，插入深度为400mm。随意更改测量的距离或方向均会导致测量结果失真。

5 结论

我们统计了改造前后各2年因雷击造成的故障板卡数，可以看出改进取得了较好的效果，设备因遭受雷击损坏的板卡数量，由2015年的12块，2016年的14块，到2017年和2018年的零板卡损坏。通过上述改造，广州白云机场自动气象观测系统自2017年以来未发生因雷击而损坏设备板卡的情况，对同类设备的维护有一定的参考意义。