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（孙坚等，2014）。

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。

当时控开关设定为“自动状态”、电脑计时到达设定的某组“开”的时间时，电脑控制输出端（XGDZ-B板排线端子⑧）输出接近3 V的高电平送往XGDZ-2板端子④，经R5驱动Ql饱和，继电器线圈中流过电流，常开触点吸合，时控开关处于“开”态。同时，继电器线圈两端的压降使LED2点亮，指示目前处于工作“开”态。当电脑计时到达设定的某组“关”的时间时，微电脑控制输出端变为0 V低电平，Q1、Q2截止，继电器释放，时控开关转为“关”态，同时，由于Ql、Q2截止，继电器线圈两端变为等电位，LED2熄灭，指示目前时控开关处于“关”状态。当选择手动操作将时控开关设定为“开”或“关”的状态时，电脑控制输出端子分别输出高电平或低电平，控制、指示电路工作过程与设置为自动时相同。利用低成本的工业级微电脑时控开关精确控制蓄电池的充放电，并根据负载功率和蓄电池的容量可以科学合理地调整供电和充电程序，还可以自动完成深充、深放的蓄电池维护。隔离电源系统摒弃了轮流监测蓄电池电量进行充电模式监控的复杂方式，而是采用冗余充电方式，以保证设备持续供电的可靠性，即采用定时切换的方式给每节蓄电池足够的充电时间和电流，以使充入的电量可满足运行设备1个循环周期用电需求。KG316T微电脑时控开关设置如下。

（1）打开或锁定键盘。按住时钟”键同时按住“取消/恢复”键几秒，锁定显示标志“锁”，再次重复上述操作可打开锁定。

（2）按住“时钟”键，同时再按“校星期”键、“校时”键、“校分”键，调整北京时间。

（3）设定开关时间：①按“手动”键，使显示器的三角形在自动位置；②按“定时”键，进入定时开设定（显示1开）；③按“校星期”键，设定每天相同，每天不同，星期一至星期五相同，或星期六至星期日相同；④按“校时”键、“校分”键，设定开的时间；⑤按“定时”键，进入定时关设定（显示1关）；⑥按“校时”键、“校分”键，设定关的时间；⑦重复步骤②—⑥，设定第2—12次开关的时间；⑧按“时钟”键，结束时间设定。

如果不需要设定全部12个开关定时，可在第n个开关时间（n≤12)设定后按“时钟”键返回KG316T显示时钟。如果设定错误或取消设定按“取消”键，再按一次即可恢复原设定。无设定时显示“－－－－”。

（4）检查：按“设定”键检查所有设定的时间是否正确。

（5）修改：在所设定的开关时间处按“取消”键，所设定的开关时间会显示“－－－－”，然后可以重新设定该定时开关时间及星期。

（6）结束检查：按“时钟”键结束检查及设定，显示时钟。

（7）手动控制：按“手动”键，即可实现随意的开和关或自动运行。

2 系统改进

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。采用三段式智能充电器代替早期的普通充电器，三段式充电依次为恒流充电、恒压充电、浮充电。这种充电方法能够有效提高蓄电池的充电效率，并有效保障充电安全，延长电池的使用寿命。三段式充电在充电起始阶段（第1阶段）采用限流充电，也称为恒流充电；在充电中期（第2阶段），改为定压充电；而在充电后期（第3阶段），也是定压充电，但定压值比中期降低了一些，称为涓流充电，也称为浮充，在这一阶段用一百到几百毫安的小电流慢慢充，主要是为了保证电池充分充电。

（2）全物理隔离市电网功能。早期的隔离模块电路出于简化设计、控制成本的目的，采用了2枚SONGLE松乐生产、型号为SRU-12VDC-SL-C的继电器（图 3）。由于2枚继电器均为单路切换蓄电池的正极电路，所以最初隔离电源控制器输出端的负极电路与主蓄电池、智能充电模块的负极电路是相连的，类似于“公共接地”的概念。尽管这样的设计对控制器的正常工作没有影响，但会影响防雷的效果。因此，希望切断任何一条可能将浪涌电压引入设备的途径，摒弃“公共接地”的设计，以使隔离电源控制器的输出完全与市电网断开。为了实现这一升级，将隔离模块中原有的2枚继电器更换为OMRON欧姆龙生产、型号为G2R-2的双路开闭继电器（图 4），利用单个继电器完成输出端正负极电路双路同时切换，接线图如图 5所示。

具体说明如下：接线柱A+经过放电保护电路接蓄电池A组的正极，接线柱A–接A组的负极；接线柱B+接B组的正极，接线柱B–接B组的负极。当到达设定的时间后，时钟控制器控制继电器吸合。当继电器J1和J2都吸合的时，6脚和4脚接通，蓄电池A组的正极通过继电器J1的6脚和4脚经过放电保护电路连接充电器的正极，蓄电池A组负极通过继电器J2的6脚和4脚，经过放电保护电路与充电器的负极相通，实现蓄电池A组的充电。同时，蓄电池B组的正极由于继电器J1与J2都吸合的时候3脚和5脚相通，蓄电池B组的正极经过放电保护电路通过继电器J1的3脚和5脚，与负载正极相通，蓄电池B组的负极通过继电器J2的3脚和5脚经过放电保护电路与负载负极相通，实现蓄电池的隔离供电。当设定的时间到达后，时钟控制器控制继电器释放，继电器J1与J2的6脚和4脚断开，同时，3脚和5脚断开，2脚和4脚相通，1脚和3脚相通，蓄电池B组通过继电器J1和J2的1脚和3脚的相通经过放电保护电路与充电器连接实现蓄电池B组的充电。蓄电池A组通过继电器J1和J2的2脚和4脚相通经过放电保护电路与负载连接。如此循环往复，实现蓄电池交替充电和双隔离输出供电。

（3）多路、不同规格、不间断直流输出功能（杜少武等，2004；郑宪龙等，2007）。在设计隔离电源控制器的直流输出功能时，根据地震观测系统实际用电需求，设置2组+12 V和1组+5 V的直流输出电源，其中，+5 V输出是由+12 V直流电经过L7805三端正电源稳压集成电路转换获得的，可用于5 V GPS外置接收机等设备的供电需求，其参数特性见表 1。为了保护蓄电池，在隔离电源控制器的输出端除了加装过载限流保护，还在蓄电池端加装了过放电保护电路。当检测到输出电压低于安全阈值时，控制电路阻止蓄电池继续放电，这有效地避免了蓄电池因过度放电而出现的永久性损坏。

（4）增加了无线电压监控装置。为了提高系统的远程可监控能力，增加了无线电压监控装置，可实时测量电压、仪器温度等参数（通过手机发送“测量”命令即可收到回复数据）（熊素琴等，2012）。当电压异常时可进行短信告警等，并且必要时可远程启动备用应急电源，以保证供电的连续性。该模块实现了一旦发生故障，可及时发现、及时响应处理的功能。手机远程操作界面见图 6。L1、L2为2个选定的监控点温度；U1、U2为蓄电池A、B组的电压，U3、U4为输出电压和应急电源电压。

隔离电源控制器经过以上的升级，变得更加安全可靠。“双端隔离”设计能更好地阻断外界电网扰动侵入设备，硬件开关和电压侦测模块也能很好地帮助技术人员检测主蓄电池组的状态，改进后的电路和散热方式使得隔离电源控制器内部的温度明显下降，提高了控制器自身的安全运行能力，隔离电源系统示意见图 7。由图 7可见，隔离电源系统由微电脑时钟控制器、隔离控制电路及开关、无线电压监控装置、智能三段式充电器、放电保护电路、蓄电池A和蓄电池B等组成。微电脑时钟控制器通过隔离控制电路及开关、放电保护电路和智能三段式充电器对蓄电池A、B进行可控的充放电，并实现双隔离输出供电为地震监测系统用电电路提供电力，无线电压监控装置可实现实时测量电压、仪器温度等参数，并且当电压异常时可进行短信告警等，同时在必要时可远程启动备用应急电源，以保证供电的连续性。其中，图 5中智能充电器即为图 7的智能三段式充电器，微电脑时钟控制器即为图 7的微电脑时钟控制器。

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。