測(cè)控系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)*

張一帆

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

測(cè)控系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)*

張一帆

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

文中主要介紹測(cè)控系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)方法。針對(duì)當(dāng)前新建測(cè)控站不設(shè)置避雷塔的情況，首先介紹了測(cè)控系統(tǒng)的防雷原理和防雷系統(tǒng)構(gòu)架，接著從外部防雷、內(nèi)部防雷兩方面介紹了固定、機(jī)動(dòng)測(cè)控站采取的一系列具體的防雷措施。通過理論分析和實(shí)際工程應(yīng)用，證明所介紹的防雷設(shè)計(jì)方法行之有效，能夠較好地解決測(cè)控系統(tǒng)在雷雨天正常工作的問題。對(duì)以后的測(cè)控系統(tǒng)項(xiàng)目的防雷設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

雷電侵入；接閃器；引下線；避雷器；測(cè)控系統(tǒng)

引 言

在傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)地面固定、機(jī)動(dòng)站中，有單獨(dú)的避雷塔對(duì)設(shè)備機(jī)房及天線等實(shí)施防雷保護(hù)。隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展和用戶提出新的要求，新建的固定、機(jī)動(dòng)測(cè)控站基本都不再設(shè)置單獨(dú)的避雷塔。一般測(cè)控站通常按二類防雷建筑物考慮防雷，部分站址又處于南方多雷區(qū)，這就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于大多數(shù)測(cè)控設(shè)備的工作電壓僅為幾伏或幾十伏，對(duì)外界的干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)伏[1]，瞬間電流可高達(dá)數(shù)十萬(wàn)安培，因此，具有極大的破壞性。對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)的防雷，很多技術(shù)人員做了很多工作，也取得了一些成績(jī)，但雷電損毀設(shè)備的事件還是時(shí)有發(fā)生，并且對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)也沒有形成一套完整的體系。本文從總體角度出發(fā)，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的防雷做了系統(tǒng)性的闡述，能夠有效解決測(cè)控系統(tǒng)的防雷問題，使測(cè)控設(shè)備能夠在雷雨天避免雷電的損壞，維持測(cè)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

防雷設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合工程，包括完善的外部防直擊雷系統(tǒng)、合理配置過電壓保護(hù)裝置(含電源、通信)、良好的等電位連接3個(gè)方面。

1 防雷原理及防雷系統(tǒng)構(gòu)架

防雷設(shè)計(jì)由雷電侵入、分區(qū)防雷、等電位連接3部分所貫穿。其中雷電侵入包括直擊雷、傳導(dǎo)雷、云層間放電、市電過載等類型。分區(qū)防雷按建筑物內(nèi)外分出不同分區(qū)，根據(jù)設(shè)備所處分區(qū)來(lái)選擇不同級(jí)別的防雷器及安裝位置。分區(qū)防雷的必要條件是正確安裝等電位連接系統(tǒng)，然后在各分區(qū)之間安裝防雷器作為補(bǔ)充，因此建立等電位連接系統(tǒng)至關(guān)重要。等電位連接的目的在于減小保護(hù)區(qū)內(nèi)各金屬部件之間和各系統(tǒng)之間的電位差。

防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)需從外部防雷和內(nèi)部防雷兩方面考慮，防雷系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。

圖1 防雷系統(tǒng)構(gòu)架

外部防雷用于將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說，外部防雷主要指天線系統(tǒng)的防雷、機(jī)房建筑物的防雷。機(jī)房建筑物的防雷由基建依據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)保證，天線系統(tǒng)的防雷則需要單獨(dú)設(shè)計(jì)防雷裝置。

防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置構(gòu)成。接閃器的數(shù)量、高度和安裝位置應(yīng)根據(jù)滾球法確定。滾球法是指，一個(gè)半徑為hr的球體沿著需要防直擊雷的部位滾動(dòng)，如果球體只觸及接閃器(包括用作接閃器的金屬物)，或只觸及接閃器和地面(包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物)，而不觸及需要保護(hù)的部位，則該部分就得到了接閃器的保護(hù)，參見圖2[2]。

圖2 單支避雷針的保護(hù)范圍

內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)易受電壓破壞的電子設(shè)備加裝過壓保護(hù)，快速泄放侵入電源或信號(hào)線路的雷電波，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)而言，主要是安裝各種型號(hào)的避雷器。

2 固定測(cè)控站防雷設(shè)計(jì)

2.1 固定測(cè)控站一般布局

固定測(cè)控站一般由天線、天線塔、地溝、主機(jī)房、供電系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 一般固定測(cè)控站布局示意圖

當(dāng)前新建的地面測(cè)控站的天線場(chǎng)區(qū)距離主機(jī)房都比較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)的可達(dá)200 m。從天線至主機(jī)房的傳輸電纜需要長(zhǎng)距離傳輸，因此測(cè)控系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮電源系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、傳輸線纜、機(jī)房設(shè)備接地等方面。

2.2 電源系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)機(jī)房的交流供電系統(tǒng)通常采用TN-S制，即三相五線制(單相三線制)供電方式。在這種供電方式的整個(gè)系統(tǒng)中，具有單獨(dú)的中線N和保護(hù)接地線PE，N與PE分開。電源系統(tǒng)通常采用分級(jí)保護(hù)、逐級(jí)泄流原則[3]。

電源系統(tǒng)的防雷主要通過基建保證。要求測(cè)控站總配電做第一級(jí)電源防護(hù)，第一級(jí)防雷器的主要作用是泄流，把大部分的雷電能量泄流入地。測(cè)控系統(tǒng)的電源總配電進(jìn)行第二級(jí)電源防護(hù)，第二級(jí)防雷器的作用是泄放部分電源浪涌，降低供電線路過電壓。機(jī)房UPS前端進(jìn)行第三級(jí)電源防護(hù)，進(jìn)一步降低供電線路過電壓。

2.3 天線系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為測(cè)控系統(tǒng)的重要設(shè)備，在室外并居最高位置，所以天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是防雷的關(guān)鍵部位。對(duì)于天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，無(wú)避雷塔防雷的核心問題在于防止直擊雷損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)件尤其是天線座的回轉(zhuǎn)軸承，合理布局引下線，盡量減小雷電脈沖通過引下線時(shí)對(duì)電子設(shè)備的干擾。

天線系統(tǒng)防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置構(gòu)成。接閃器通常又稱為避雷針，引下線就是避雷接地線，接地裝置埋設(shè)在地下土壤內(nèi)，一般要求接地電阻不大于4 Ω，由基建保證。其中設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于合理設(shè)計(jì)各種類型天線的引下線，為雷電提供合適的泄放通道。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，在天線頂端和天線副面上安裝適當(dāng)數(shù)量的接閃器。引下線的設(shè)計(jì)對(duì)于限動(dòng)天線而言，因俯仰軸承只作90°轉(zhuǎn)動(dòng)，采用短連線的方式；對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)式天線采用多電刷滑環(huán)防雷引下線；對(duì)于輪軌式天線則可采用卷繞方式的防雷引下線，引下線和天線信號(hào)線走同一個(gè)卷繞，距離拉不開，雷電流對(duì)信號(hào)線可能產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此在走線時(shí)應(yīng)將信號(hào)線和防雷引下線盡量拉開距離，避免平行布置，敏感的信號(hào)線應(yīng)采取屏蔽措施。

2.4 傳輸線纜防雷設(shè)計(jì)

從天線至機(jī)房的電纜存在長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯栴}。為防止長(zhǎng)距離電纜上感應(yīng)的雷電脈沖進(jìn)入機(jī)房設(shè)備，需在線纜的兩端加裝避雷器。避雷器的作用就是在最短的時(shí)間(納秒級(jí))內(nèi)將被保護(hù)線路接入等電位系統(tǒng)中，使設(shè)備各端口等電位，同時(shí)將電路上因雷擊產(chǎn)生的大量脈沖能量短路泄放到大地。根據(jù)傳輸信號(hào)頻率的高低選用相應(yīng)頻率范圍的避雷器，通常有低頻信號(hào)避雷器RJ45-E100/8、同軸避雷器HX-090N50F/M等。

在地溝內(nèi)布設(shè)線纜時(shí)根據(jù)傳輸信號(hào)的不同分開敷設(shè)，避免長(zhǎng)距離并行布設(shè)，必要時(shí)進(jìn)行屏蔽和重復(fù)接地。

2.5 機(jī)房設(shè)備接地設(shè)計(jì)

在各設(shè)備機(jī)房的活動(dòng)地板下面，對(duì)應(yīng)于機(jī)柜、控制臺(tái)位置設(shè)置懸浮接地銅皮。接地銅皮應(yīng)便于設(shè)備就近接地，接地銅皮材料選用紫銅，接地銅皮的截面積大于50 mm2，與信號(hào)地應(yīng)良好連接。

大功率機(jī)房、伺服機(jī)房接地與其他機(jī)房接地分開，各機(jī)房接地應(yīng)與信號(hào)地保持良好連接。

3 機(jī)動(dòng)測(cè)控站防雷設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)動(dòng)測(cè)控站一般布局

機(jī)動(dòng)測(cè)控站一般由天線車、設(shè)備方艙、保障車組成，見圖4。

圖4 一般機(jī)動(dòng)測(cè)控站布局示意圖

從整個(gè)機(jī)動(dòng)站的防雷考慮，一般在天線車上設(shè)置單獨(dú)的避雷針，從而為整個(gè)機(jī)動(dòng)站提供有效的防直擊雷保護(hù)。另外，保障車、設(shè)備艙的電源等均采用有三級(jí)防雷功能的串聯(lián)型電源避雷器進(jìn)行保護(hù)。

3.2 天線車防雷設(shè)計(jì)

天線車配置避雷針，根據(jù)圖2滾球法對(duì)避雷針的保護(hù)范圍計(jì)算可得[4]，對(duì)于一般規(guī)模的機(jī)動(dòng)測(cè)控站，天線車配置15 m高的避雷針即可為其余方艙提供有效的防雷保護(hù)，參見圖4。

從設(shè)備艙、保障車進(jìn)入天線系統(tǒng)的線纜根據(jù)傳輸信號(hào)的不同選用合適的避雷器。

3.3 設(shè)備艙防雷設(shè)計(jì)

對(duì)于設(shè)備方艙，首先在電源引入線處安裝三相或單相防雷保護(hù)器、電源濾波器；其次在射頻信號(hào)線出入方艙處安裝防感應(yīng)電流的信號(hào)避雷器以保護(hù)艙內(nèi)設(shè)備，避雷器參數(shù)應(yīng)根據(jù)信號(hào)線的最大電平來(lái)確定。有些系統(tǒng)方艙間使用光纜傳輸信號(hào)，則在光纜引入方艙時(shí)，其護(hù)套和加固金屬芯線應(yīng)通過避雷器進(jìn)行防雷接地。

方艙一般設(shè)計(jì)有兩個(gè)接口窗，電源接口窗和信號(hào)接口窗。方艙內(nèi)部采用信號(hào)地、外殼保護(hù)地和交流地3套接地系統(tǒng)。外殼保護(hù)地一般采用紫銅帶沿方艙四周骨架布設(shè)；信號(hào)地為懸浮地，采用外加絕緣套管的紫銅帶沿走線槽布設(shè)；交流地采用電纜。外殼保護(hù)地和交流地最后匯總于電源接口窗的接地柱，信號(hào)地接入信號(hào)接口窗的接地柱。

3.4 機(jī)動(dòng)站地網(wǎng)設(shè)計(jì)

一般機(jī)動(dòng)站任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的地網(wǎng)為固定預(yù)設(shè)式，即事先選址若干，按專業(yè)要求建設(shè)地網(wǎng)備用，并預(yù)置接地樁。要求提供的接地極應(yīng)預(yù)先進(jìn)行“三防”處理，保證設(shè)備地線連接可靠。

信號(hào)地樁接地電阻≤4 Ω，電源安全地樁接地電阻≤4 Ω，避雷地樁接地電阻不大于8～10 Ω[5]。

所有對(duì)地網(wǎng)的接地采用聯(lián)合接地法，即共地不共線。避雷針接地、天線接地、方艙信號(hào)地、方艙安全地、方艙電源避雷器接地分別單點(diǎn)接入公共地網(wǎng)各對(duì)應(yīng)接地樁。

對(duì)于個(gè)別機(jī)動(dòng)性要求高的測(cè)控站，需要在執(zhí)行任務(wù)時(shí)臨時(shí)布設(shè)地網(wǎng)，則應(yīng)預(yù)先準(zhǔn)備若干鉆有大量小孔的鍍鋅鐵管和導(dǎo)電、降阻劑。在敷設(shè)地網(wǎng)時(shí)可將鐵管砸入地下并倒入導(dǎo)電、降阻劑來(lái)接地。目前各專業(yè)防雷公司均有專用接地棒(電極)和降阻劑，根據(jù)任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的情況埋設(shè)適當(dāng)數(shù)量的接地棒即可達(dá)到規(guī)定要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

防雷設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及機(jī)房建設(shè)、屏蔽設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、設(shè)備自身防雷、線纜布設(shè)、設(shè)備內(nèi)部電路與元器件耐沖擊設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。只要綜合考慮各項(xiàng)措施，嚴(yán)格遵守防雷接地規(guī)范，就能達(dá)到理想的防護(hù)效果。近期的幾個(gè)測(cè)控站按照上述設(shè)計(jì)采取防雷措施，到目前為止，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

[1] 朱新第. 弱電設(shè)備防雷初探[J]. 浙江電力, 2002(1): 43-47.

[2] 潘忠林. 現(xiàn)代防雷技術(shù)[M]. 成都: 電子科技大學(xué)出版社, 1997.

[3] 王振旺. 微波雷達(dá)防雷措施研究[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2007(1): 17-20.

[4] 全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 2887—2011電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[5] 中國(guó)人民解放軍總裝備部. GJB 6784—2009軍用地面電子設(shè)施防雷通用要求[S]. 2009.

張一帆(1976-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體工作。

Lightning Protection Design of TT&C System

ZHANG Yi-fan

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

This paper mainly introduces the method of lightning protection for TT&C System. Considering the situation that newly-built TT&C stations at present have no lightning protection tower, the lightning protection principle and design architecture of TT&C system are introduced first. From the aspects of internal and external protection, a series of specific lightning protection measures are adopted for the TT&C systems of fixed and mobile station. By theoretical analysis and practical engineering application, it is proved that the lightning protection design described in this paper is effective and able to deal with the issue of TT&C system operating normally in thunderstorm weather. It is of guiding significance for lightning protection design of future TT&C programs.

lightning intrusion; lightning arrester; down conductor; lightning protection device; TT&C system

2012-12-05

TM862+.1

A

1008-5300(2013)02-0011-03