光隔防雷型RS485中继器在林家坞水电站的应用

徐国君，何胜荣

（1.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州思绿能源科技有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

随着通讯技术和计算机技术的快速发展和广泛应用，水电站计算机监控系统的通信也在向开放、高速的网络化方向发展，水电站计算机监控技术已日趋成熟。同时，由于水电站多位于偏僻的山区，交通不便，招工难问题日益突出，所以水电站正朝着无人或少人值班、集约化控制和物业化管理的方向发展。由于RS485总线仅需一对双绞线即可构成分布式系统，实现多设备组网，成本低、接线简单方便；因此RS485总线通信方式在水电站计算机监控系统中仍得到广泛的应用。

多数水电站地处偏僻山区，雷电多发，雷击引起的电磁感应会通过通信双绞线损坏自动化设备的RS485通信口，从而造成水电站计算机监控系统数据丢失，影响水电站的安全运行。另一方面，损坏的自动化设备需要维修或更换，增加水电站的直接成本和间接的时间成本，影响水电站的经济效益。因此，需要对综合自动化设备的RS485通信总线提供有效的防护。

1 概述

林家坞水电站位于浙江省淳安县，其计算机监控系统结构如图配置（见图1）。按系统结构可划分为站控层和现地层，站控层包括2台现地监控主机（兼通讯工作站），通过以太网实现与现地层的数据交换，完成水电站的数据采集、数据管理和计算机控制；并通过电信的VPN网络分别将数据上送至枫树岭电站通信主机和水电公司的管控中心，再由枫树岭电站通信主机通过音频信号将枫树岭、林家坞、铜山一级、二级电站的数据上传调度中心，实现数据交换。站控层通过100 M/10 M以太网与现地层连接，实现数据高速交换；站内以太网也是实现林家坞水电站计算机监控系统数据通讯功能的基础。现地层由可编程控制器PLC通过RS485通信接口实现与站内设备的通讯，并经PLC将这些设备的数据通过以太网完成与站控层的数据交换。

图1 林家坞水电站计算机监控系统结构图

作为标准通信接口的RS485总线，在林家坞水电站计算机监控系统中也应用普遍。可编程控制器PLC通过RS485通信口实现与站内的微机保护装置、微机励磁系统、调速器、温度表、温度巡检仪和直流系统的通讯。虽然这些设备的通信规约和通信协议不尽相同，但都可通过协议转换、编制通信程序完成与这些设备的数据交换。

2 RS485通信口损坏原因

RS485通信口收发器采用差分接收和平衡发送的方式。在接收端，接收器将差分信号转换成TTL电平信号；在发送端，发送器将TTL电平信号转换成差分信号输出；因此能较强地抑制共模干扰，广泛应用于设备多、通讯速度要求不是很高的分时通讯系统中。

理论上，RS485总线上最多能连接32个收发器，最长传输距离可达1 200 m；但在实际工程应用中传输的距离会因电缆的特性、电缆周围的电磁强度和设备特性而变化，所能传输的最大电缆长度与信号传输的速率成反比。

RS485总线采用双绞线的电缆作为传输线，使得多处于偏僻山区的水电站在雷雨季节更易发生因雷击而引起的感应过电压，而1条RS485总线连接着多个设备；因此，雷电引发的瞬变过电压可损坏总线上的多个RS485设备。

水电站地处强电磁环境，较高的共模电压会存在于1条总线上的设备之间。采用差分传输方式的RS485接口虽然具有较强的抗共模干扰能力，但当共模电压大于+12 V或小于-7 V时，就超过了RS485接收器的接收电压范围，接收器就会停止工作，电压过高时会烧毁RS485接口芯片，甚至毁坏总线上所连接的设备。

林家坞水电站计算机监控系统自2020年12月改造投运后，在6个月时间内出现过2次与温度表、温度巡检仪连接的RS485通信接口损坏；但与微机保护装置、微机励磁系统连接的通信接口工作正常，接口损坏的当天也并没有雷电现象，据此可判断是由于温度表的共模电压过高所致。

另外，静电放电、电源系统开关干扰也会使接收器芯片受损。

3 RS485通信光隔防雷方案

通过RS485通信口损坏的原因分析和林家坞水电站出现的现象，设计了如图所示的光隔防雷RS485中继器（见图2）；并在PLC、微机保护、微机励磁、调速器、温度表等设备的端口加装了光隔防雷RS485中继器，以消除由于瞬变过压、静电放电、共模电压等带来的影响，从而达到保护设备的目的。

图2 光隔防雷RS485中继器电路图

3.1 RS485总线防雷保护电路

为防止因雷电引发的瞬变过电压、浪涌冲击、电源线与RS485线短路、静电放电等潜在危害，在RS485总线的线路端采取了防雷击保护措施。

图2中D4为气体放电管，用来抑制雷击浪涌。在A1、B1上各串接1个4～10 Ω的PTC电阻F1、F2，并在A1、B1各自对地端和两者之间接6.8 V的TVS管D1、D2、D3；当TVS管两端经受瞬态能量冲击时，能快速地降低其两端的阻抗，并通过对地泄能和其本身的能量吸收，将其两端间的电压钳制在TVS管的标称值上，起到保护电路后端元件的作用。气体放电管作为第一级防护，F1、F2两个PTC用来退耦。当有雷击发生时，F1和F2熔断，较强的能量通过气体放电管泄放到大地上。由于F1、F2可以自恢复，所以剩余的较小能量通过F1、F2到达TVS管进行泄放。

气体放电管需要根据实际的应用场景以及防护的等级选型。PTC需要考虑限流和耐压的问题，熔断电流要大于RS485正常工作时总线流过的电流，但是需要小于后级电路所能承受的最大电流。耐压值要大于气体放电管的击穿电压，TVS的钳位电压不能小于RS485正常工作的电压；但是要小于芯片可以承受的最大电压，同时需要根据防护等级造型。

当RS485总线的A-B线电压大于+200 mV时，总线状态表示为“1”；当A-B线小于-200 mV时，总线状态表示为“0”；当A-B线在-200 mV和+200 mV之间时，则总线状态为“不确定”。所以在A线上设1个上拉偏置电阻R21，在B线上设1个下拉偏置电阻R22，以尽量避免这种不确定状态。为了保证RS485整个通讯系统的传输稳定性，在A、B线中间设1个匹配电阻R23。

3.2 RS485总线隔离保护电路

为消除水电站强电磁环境下各个设备之间存在的共模电压，使用光耦、带隔离的DC-DC电源、RS485芯片构成总线隔离电路。图2中T1、T2为高速光耦2631，U1、U2为MAX485芯片，使用隔离型DC-DC电源实现Vcc、Vdd两组电源的隔离，且与总线上的设备电源隔离；而信号的隔离传输则通过光耦来实现。从总线A1、B1处接收差分信号，经过MAX485芯片U2转换成TTL信号。由于U2芯片与总线系统不共地，可有效抑制高共模电压的产生，再经过高速光耦T2将TTL信号传输至U1，由U1将TTL信号转换成差分信号，实现RS485信号的隔离中继传输；反之，从设备侧1A、1B传输到总线侧A1、B1，则依次经过U1、T1、U2，实现中继传输。

4 RS485通信网络需注意的几个问题

RS485使用的是半双工通信方式，从发送数据到数据接收是需要时间间隔的，如果收发时序配合不好，就会出现误码现象；所以当出现收发不正常或误码现象时，则应适当增加收发的间隔时间。

为防止干扰信号误触发数据传输的握手信号，设置上拉和下拉的偏置电阻。

采用1条双绞线电缆作总线，尽量缩短从总线到每个节点的引线长度，以减少引线的反射信号对总线信号的影响，提高信号传输质量。

总线的各个节点之间应采用同一规格的电缆，设备尽可能做到均匀分布，这样可提高总线特性阻抗的连续性，减少信号的反射。

可靠的接地是抗雷击浪涌获得防护效果的基础，应使接地电阻小于10 Ω；良好的电路板设计和元件布置也可提高防护效果。对防护等级要求更高的地方，可以选择性能更好的防护器件。

5 结语

防雷保护和光隔离保护是防感应雷、工频过电压、操作过电压、静电放电以及抑制共模电压的有效措施；如图2所示，即使遇到最恶劣的雷击情况，由于采取了光电隔离保护电路，也只会损坏光隔防雷型RS485中继器，而不会造成连接到RS485总线上的微机保护、微机励磁、温度表等设备的损坏。水电站内的智能设备来自不同的生产厂家，维修或更换这些设备不仅会造成直接的经济损失，还会造成时间成本，进而影响水电站的发电效益；而更换RS485中继器操作简单，型号单一，可大大缩短系统恢复的时间，减少经济损失。

光隔防雷型RS485中继器自2021年7月在林家坞水电站加装投运至今，1年多来运行稳定，取得了良好的效果。