某車載雷達(dá)的防雷研究*

陳世榮，常繼根

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某車載雷達(dá)的防雷研究*

陳世榮，常繼根

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

針對車載雷達(dá)在高地勢開闊、干燥地區(qū)容易受到雷擊威脅的情況，分別介紹了直擊雷和感應(yīng)雷的車載雷達(dá)防雷措施，并通過MATLAB進行了單根避雷針保護范圍的三維分析；采用更換土壤、深埋電極、添加降阻劑等多種措施降低干燥地區(qū)避雷針的接地電阻，有效地提高了干燥地區(qū)車載雷達(dá)的防雷效果。

車載雷達(dá)；防雷；干燥地區(qū)；接地電阻

引 言

車載雷達(dá)一般工作于地勢較高的空曠地帶，容易受到雷擊的威脅，尤其在雷雨季節(jié)遭受雷擊的概率大大增加。雷達(dá)屬于大型復(fù)雜的電子設(shè)備系統(tǒng)，有大量的控制和通信設(shè)備，需要長時間開機運行對范圍領(lǐng)空進行監(jiān)測，而雷達(dá)的主要設(shè)備工作電壓低，也容易遭受雷電電磁脈沖的干擾和破壞。因此雷達(dá)防雷是雷達(dá)工作必須要考慮的問題。本文以車載雷達(dá)為例，就車載雷達(dá)在我國西北干燥地區(qū)的避雷設(shè)計與仿真等相關(guān)問題進行分析研究。

1 防雷設(shè)計

在我國的西北部地區(qū)，地處內(nèi)陸，為典型的大陸性氣候，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，冬冷夏熱溫差大，降水稀少，終年干旱降雨少，蒸發(fā)強烈日照長，秋涼春旱風(fēng)沙多；西北地區(qū)植被稀疏，土壤絕大部分是灌漠土，土壤質(zhì)地以砂壤和輕壤為主，土地平坦。戈壁西北地區(qū)土壤分幾類：一是黃土，主要在陜西北部、甘肅中北部，紅土主要在甘南和新疆的盆地周邊；沙土在各大盆地的中部。腐殖土在秦嶺、祁連、天山等植被發(fā)育地區(qū)；礫石土在新疆封口地區(qū)。

1.1 直擊雷的防護

在各類雷擊危害中，直擊雷所造成的危害往往是最大的。如果雷達(dá)遭到直擊雷的襲擊，將形成巨大的感應(yīng)電流并伴隨短暫的高電壓，造成設(shè)備干擾和破壞。通常情況下，保護建筑免遭雷擊的常規(guī)措施是設(shè)置避雷針、避雷網(wǎng)等，通過接閃器、引下線和接地裝置將雷電流分流散入地下，避免設(shè)備遭受雷電流的破壞。對于車載雷達(dá)，為了保護其通信導(dǎo)航設(shè)備所在建筑免遭雷擊，通常在雷達(dá)的工作場地上安裝避雷針。

避雷針的保護范圍和避雷針的安裝位置及其安裝高度關(guān)系密切。避雷針保護范圍的計算方法，通常采用國際電工委員會(IEC)推薦的滾球法。該法比過去中國防雷規(guī)范中采用的折線法更加準(zhǔn)確。所謂滾球法是以hr為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當(dāng)球體只觸及接閃器(包括被用作接閃器的金屬物)或接閃器和地面(包括與大地接觸能承受雷擊的金屬物)，而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到接閃器的保護。不同類別的防雷建筑物的滾球半徑[1]hr為：第1類30 m，第2類45 m，第3類60 m。

當(dāng)避雷針的高度h≤hr時，距地面hr處作一條平行于地面的平行線，以避雷針的針尖為圓心，hr為半徑畫弧，交水平線于A、B兩點，又分別以A、B兩點為圓心，hr為半徑，從針尖向地面畫弧。如圖1所示，則圖中曲線就是避雷針保護范圍的邊界，保護范圍是一個對稱的錐體。

圖1 單根避雷針保護范圍剖面圖

以圖1中O點為原點，地面為X軸，避雷針為Y軸，建立直角坐標(biāo)系。那么B點的坐標(biāo)為

以B為圓心，hr為半徑的圓方程為

那么，避雷針在高h(yuǎn)x的水平面上的保護半徑rx為

因弧在下半圓上，故取負(fù)號，

當(dāng)避雷針的高度h≥hr時，在避雷針上取高度為hr的一點代替單根避雷針針尖作圓心，其余做法同上。將單根避雷針保護范圍計算方法通過MATLAB編程[2]，設(shè)置避雷針的高度和滾球半徑即可計算避雷針的保護范圍。

圖2所示為通過MATLAB編程計算獲得的35 m高避雷針的保護范圍，車載雷達(dá)架設(shè)后在圖示區(qū)域內(nèi)即可實現(xiàn)雷擊保護。

圖2 單根避雷針保護范圍三維圖

1.2 感應(yīng)雷的防護

相對于直擊雷而言，感應(yīng)雷的影響范圍相對更大[3]。在采用了一定的防雷措施后，雷達(dá)設(shè)備遭受直擊雷破壞的可能性已經(jīng)大幅下降，而感應(yīng)雷的影響和破壞范圍要大很多，統(tǒng)計資料表明，感應(yīng)雷造成的破壞占雷擊事件破壞的八成以上。從感應(yīng)雷防護機理的角度看，其措施主要是電位平衡、屏蔽或加裝浪涌保護器等。

電位平衡是通過等電位連接的方式來消除電壓差，消除或降低發(fā)生雷擊時設(shè)備各部位之間的電位差。如果采用屏蔽的方式，其機理是通過加裝兩端接地的金屬管等方式來實現(xiàn)。對于較為重要的設(shè)備或建筑，加裝浪涌保護器可以防止感應(yīng)雷從電源系統(tǒng)進入低壓用電設(shè)備造成破壞，或是阻止感應(yīng)雷從信號輸入線路進入電子信息系統(tǒng)設(shè)備造成破壞。下面對車載雷達(dá)幾個電子設(shè)備的感應(yīng)雷防護方法進行討論。

(1)電纜的防護

雷達(dá)天線接到設(shè)備艙的所有電纜應(yīng)敷設(shè)在金屬屏蔽槽(管)內(nèi)，金屬屏蔽槽(管)穿經(jīng)設(shè)備艙處應(yīng)與設(shè)備艙等電位連接并帶電氣連接。金屬屏蔽槽(管)首尾應(yīng)電氣貫通。雷達(dá)天線至設(shè)備艙的電纜線入口處應(yīng)用金屬罩屏蔽并接地。

(2)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的防護

通信網(wǎng)絡(luò)線路的雷電防護原理與電源系統(tǒng)基本相同，對于不同的信號線路應(yīng)加裝相應(yīng)的信號避雷器。這種放電器耦合阻抗的體積較小，可以在一個避雷器內(nèi)實現(xiàn)多級防雷措施。

(3)供電系統(tǒng)的防護

雷達(dá)采用低壓供電，全線宜采用穿金屬管埋地或屏蔽電纜埋地引入，安裝3級SPD進行多重保護。

(4)設(shè)備艙的防護

設(shè)備艙使用金屬板門，窗上加設(shè)金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔不大于100 mm×100 mm。金屬門和網(wǎng)與設(shè)備艙壁應(yīng)做可靠電氣連接[8]。設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備距艙壁的距離一般不應(yīng)小于500 mm，條件不允許時應(yīng)對設(shè)備采取電磁屏蔽措施。在設(shè)備艙電源進線端加裝電涌保護器，防止電源進線引入雷電流時損壞設(shè)備。

(5)高頻箱的防護

雷達(dá)的高頻箱內(nèi)安裝了發(fā)射電源、發(fā)射組件、功分器等電子設(shè)備，這些設(shè)備都是低壓設(shè)備，容易受到雷感應(yīng)的影響，所以高頻箱設(shè)計和安裝應(yīng)考慮將高頻箱內(nèi)部設(shè)備進行電磁場隔離，防止外部磁場對內(nèi)部設(shè)備的影響。高頻箱和高頻箱門之間可以通過有彈性的電磁密封襯墊將縫隙填充滿，消除導(dǎo)電不連續(xù)點，使高頻箱成為一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體，消除感應(yīng)雷對高頻箱設(shè)備的影響。

2 避雷針接地設(shè)計

接地問題是防雷措施中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，接地網(wǎng)需要滿足雷電沖擊電流的要求。考核接地網(wǎng)質(zhì)量的兩個因素是地網(wǎng)接地電阻和地網(wǎng)均壓性能。對于雷達(dá)來說，由于安裝有大量的弱電電子元件，在雷電流入地時地電位的升高會對這些電子元件造成影響，如果地網(wǎng)均壓出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致雷電流入地時殘壓過高對弱電設(shè)備造成破壞。

西北干燥地區(qū)部分土壤為砂壤土質(zhì)，氣候干旱降雨少，蒸發(fā)強烈日照長，接地電阻很大，各種土壤的電阻率如表1[4]所示。

表1 各種土壤的電阻率平均值

為了降低接地電阻，采取以下措施：

1)更換土壤，采用電阻率較低的土壤(如粘土、黑土及砂質(zhì)粘土等)替換原有電阻率較高的土壤(根據(jù)現(xiàn)場測算，土壤電阻率高達(dá)1.1×105)，置換范圍在接地體周圍0.5 m以內(nèi)和接地體的1/3處。但這種取土置換方法對人力和工時耗費都較大，考慮到經(jīng)濟利益和時間利益一般不予采用。

2)深埋接地極。這種方法對含砂土壤最有效果。據(jù)有關(guān)資料記載，3 m深處土壤電阻系數(shù)為100%，4 m為75%，5 m為60%，6 m為60%，6.5 m為50%，9 m為20%。這種方法可以不考慮土壤凍結(jié)和干枯所增加的電阻系數(shù)，但施工困難，土方量大。

3)利用接地電阻降阻劑。在接地極周圍敷設(shè)降阻劑，可以起到增大接地極外形尺寸、降低與周圍大地介質(zhì)之間的接觸電阻的作用，因而能在一定程度上降低接地極的接地電阻。降阻劑用于小面積的集中接地、小型接地網(wǎng)時，降阻效果較為顯著。

4)采取伸長水平接地體。結(jié)合工程實際，當(dāng)水平接地體長度增大時，電感的影響隨之增大，從而使沖擊系數(shù)增大，當(dāng)接地體達(dá)到一定長度后，再增加長度，沖擊接地電阻也不再下降。一般說來，水平接地體的有效長度不應(yīng)大于接地體的有效長度。根據(jù)土壤電阻率確定水平接地體有效長度如表2所示。

表2 不同土壤電阻率下的水平接地體有效長度

在確定降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻的具體措施時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卦羞\行經(jīng)驗、氣候狀況、地形地貌特點和土壤電阻率等條件進行全面、綜合分析，因地制宜地選擇經(jīng)濟合理的方法。這樣，既可保障線路、設(shè)備的正常運行，又可避免接地裝置工程投資過高。

將多方面因素綜合考慮，車載雷達(dá)在干燥地區(qū)采取第2種、第3種和第4種方案相結(jié)合的方法解決避雷針接地電阻大的問題。

3 結(jié)束語

本文分析了直擊雷和感應(yīng)雷對雷達(dá)的影響和破壞，給出了直擊雷和感應(yīng)雷的雷達(dá)防護方法。通過架設(shè)避雷針避免直擊雷的破壞，通過電位平衡、屏蔽或加裝浪涌保護器等措施消除感應(yīng)雷對雷達(dá)的破壞；以滾球法計算單根避雷針的防護范圍，給出了單根避雷針的防護三維區(qū)域；提出了更換土壤、深埋電極、添加降阻劑、伸長水平接地體來降低干燥地區(qū)避雷針的接地電阻的方法。

[1] 中華人民共和國機械工業(yè)部. GB 50057—1994 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(2000版)[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2001.

[2] 謝進, 李大美. MATLAB與計算方法實驗[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2009.

[3] 徐文, 陳紅兵. 移動氣象臺防雷技術(shù)[J]. 氣象科技, 2012, 40(4): 661-666.

[4] 楊凌, 張毓豐. 雷達(dá)站防雷系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子工程, 2008(5): 29-33.

陳世榮(1979-)，男，高級工程師，主要研究方向為地面情報雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體。

Study on Lightning Proof of a Vehicle Radar

CHEN Shi-rong，CHANG Ji-gen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The vehicle radar is easy to get lightning strike when it works on dry and wide highland. The method of protection against direct lightning strike and indirect lightning strike is introduced. The three-dimensional model of the protection range of single lightning rod is obtained via MATLAB programming. Changing soil, embedding electrode deeply, adding resistance-reducing agents are introduced for reducing grounding resistance of lightning rod on dry land. The lightning proof of vehicle radar in dry land is improved effectively.

vehicle radar; lightning proof; dry land; grounding resistance

2014-01-12

TM862+.1；TN959.71

A

1008-5300(2014)05-0019-03