衛(wèi)星地面站雷電防護探索

郭鳳宇

【摘 要】本文提出了衛(wèi)星地面站雷電防護需求，分析了雷電造成危害的原因，探索了雷電防護措施。

【關(guān)鍵詞】地面站；雷電；防護措施

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的影響人類活動的嚴(yán)重災(zāi)害之一，每年給全球造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)十億美元，衛(wèi)星地面站作為各國發(fā)展航天事業(yè)的重點建設(shè)項目，開展配套雷電防護設(shè)施建設(shè)和雷電防護理論、技術(shù)研究，已在世界各國達成共識，目前，我國在雷電監(jiān)測和雷電機理以及成災(zāi)過程的研究方面已取得進展，雷電監(jiān)測預(yù)警能力和規(guī)模已達到世界領(lǐng)先水平，本文針對地面站工程建設(shè)特點和衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)電磁兼容性的特殊要求，開展雷電防護措施探索，以期對地面站新建或擴建改造有所助益。

1 衛(wèi)星地面站雷電防護需求

衛(wèi)星地面站是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，包括天線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、伺服跟蹤分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)等，承擔(dān)著衛(wèi)星測控，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理等任務(wù)，設(shè)備昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對設(shè)備安全性、可靠性以及星、地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量要求高。為了滿足天線接收仰角的技術(shù)指標(biāo)要求，天線場通常建設(shè)在地勢較高，視野開闊的地方，天線口徑從幾米到幾百米不等，如德國的波恩天線直徑100米，豎起近40層樓高，美國設(shè)在波多黎各的對天觀測球面天線直徑達到305米，我國的衛(wèi)星地面站天線直徑多數(shù)在幾米到幾十米之間，這些高達建筑極易受到雷擊損害，從近年來的地面站工作實踐來看，地面站建筑、設(shè)備因雷擊造成損害的事件時有發(fā)生，因此，在地面站選址、天線場建設(shè)、設(shè)備安裝中，必須進行建筑防雷、電源防雷、設(shè)備防雷需求論證，采取可靠的雷電防護措施，提高地面站建筑防雷、電源防雷以及設(shè)備防雷的能力，確保衛(wèi)星地面接收測控系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2 雷電造成衛(wèi)星地面站損害的原因

2.1 雷電的概念

雷電學(xué)名閃電，是大氣中發(fā)生的超長、超強的火花放電現(xiàn)象，按發(fā)生的部位可分為云內(nèi)放電、云際放電和云地放電，云地放電也稱地閃，對地面站建筑、設(shè)備影響最大。雷電傳播服從電磁波傳播規(guī)律，雷電在導(dǎo)線中以波的形式傳播，在空氣中以電磁波的形式傳播，雷電危害主要表現(xiàn)在熱效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、電磁效應(yīng)、電動力效應(yīng)、過電壓侵入等幾個方面，遭到雷擊的建筑物、電子設(shè)備可能會發(fā)生熱熔、結(jié)構(gòu)破壞、燃燒、電力設(shè)備絕緣損壞等嚴(yán)重后果。

2.2 雷電電磁脈沖及其危害

雷電電磁脈沖是地閃回擊過程中產(chǎn)生的瞬時電磁場和強大的雷電流，雷電流能在流經(jīng)路徑周圍產(chǎn)生暫態(tài)強磁場，從而導(dǎo)致磁場中的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，地面站建筑物內(nèi)敷設(shè)有各類電源線、信號線、金屬管道，當(dāng)建筑物遭受雷擊時，雷電流會在這些電纜、管道構(gòu)成的回路感應(yīng)出過電壓和過電流，導(dǎo)致設(shè)備接口損壞，同時，雷電電磁脈沖通過直接輻射或通過電源線、信號線、地線傳導(dǎo)方式進入電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2.3 靜電感應(yīng)及其危害

當(dāng)?shù)孛嬲旧峡沼欣自瞥霈F(xiàn)時，雷云下面的地面及建筑物會因靜電感應(yīng)而帶上相反的電荷，從雷云出現(xiàn)到發(fā)生雷擊所需時間相對于主放電過程的時間要長得多，建筑物充分積累電荷，當(dāng)雷擊發(fā)生后，局部感應(yīng)電荷不能在同樣短的時間內(nèi)消失，形成局部高電壓，這種感應(yīng)電壓對接地不良的電子設(shè)備危害極大。

2.4 電動力效應(yīng)及其危害

當(dāng)?shù)孛嬲臼艿嚼讚魰r，雷電回擊電流產(chǎn)生的強大磁場能使附近的通電導(dǎo)體受到力的作用，被稱作電動力效應(yīng)，當(dāng)該作用力超過導(dǎo)體的機械強度時，可將其拉斷，因此，在安裝避雷針引下線、屏蔽套管等可能流過大電流的導(dǎo)體時，應(yīng)特別注意布線方式，避免出現(xiàn)直角或銳角轉(zhuǎn)彎。

3 衛(wèi)星地面站雷電防護措施

3.1 建筑物雷電防護措施

衛(wèi)星地面站根據(jù)其規(guī)模大小和任務(wù)需求，通常建有一副或多副天線構(gòu)成的天線場，由于天線主體結(jié)構(gòu)高，因此最容易受到雷擊損害，現(xiàn)在常用的做法是在天線周圍適當(dāng)位置，安裝兩座高于天線的避雷鐵塔，鐵塔頂部安裝有接閃桿，避雷塔通過引下線與地網(wǎng)相連，這種避雷方式能起到較好的避雷效果，對于靜止軌道衛(wèi)星的地面接收測控天線尤其適用，對于低軌道衛(wèi)星來說，由于天線跟蹤衛(wèi)星過程中旋轉(zhuǎn)范圍較大，當(dāng)天線轉(zhuǎn)向避雷塔時，避雷塔存在遮擋天線問題，在指標(biāo)允許范圍內(nèi)仍然可以使用，最好的方法是把接閃器設(shè)計安裝在天線體上，可解決遮擋問題。地面站機房和其他建筑物防雷，可采用在建筑物頂部安裝避雷帶或避雷網(wǎng)方式，并且在建筑物兩側(cè)對稱安裝數(shù)根引下線與地網(wǎng)連接，建筑物頂部的金屬突出物如旗桿、射燈、金屬爬梯等要與避雷網(wǎng)連成電氣通路。地網(wǎng)是整個建筑物的接地體，用作把雷電流泄放入大地，地網(wǎng)由一些垂直接地體和水平接地體組成，接地電阻要符合設(shè)計指標(biāo)要求，通常在10 歐姆以內(nèi)。為防止因電位分布不均，導(dǎo)致金屬部件和各系統(tǒng)之間存在電位差，在發(fā)生雷擊時，設(shè)備因為地電位反擊造成損壞，必須把防雷地、保護地、工作地進行聯(lián)合接地處理，等電位連接。

3.2 電源防雷和接地措施

地面站供電系統(tǒng)由高壓配電柜、變壓器、低壓配電柜、UPS配電柜、各機房配電柜組成，由于地面站防雷指標(biāo)要求高，應(yīng)采用三級避雷方式，第一級避雷器安裝在10KV變壓器輸入端，第二級避雷器安裝在低壓配電柜輸入端，第三級避雷器安裝在機房配電柜輸入端，為防止避雷器故障影響供電，電源避雷器應(yīng)采用并聯(lián)安裝方式。接地是指把地面站設(shè)備與地球進行電氣連接，使設(shè)備對地保持較低的電位差，分為工作接地、保護接地、防雷接地、靜電接地，防雷接地可以起到防止雷電流，靜電感應(yīng)高電壓造成損害的作用，為達到防雷減災(zāi)效果，地面站技術(shù)人員要定期對接地電阻進行測試，當(dāng)阻值不符合要求時，要及時檢修接地設(shè)備。

3.3 電磁脈沖防護措施

地面站電子設(shè)備精度高、靈敏度高、可靠性要求高，但耐壓性能低，供電電壓波動會導(dǎo)致設(shè)備損壞，計算機設(shè)備電壓浮動值要求在±5V以內(nèi)，當(dāng)雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.07G時，就會引起計算機誤動作，當(dāng)磁場強度超過2.4G時，就會造成計算機永久性損壞，針對雷電電磁脈沖輻射干擾和傳導(dǎo)干擾的特點，最有效的方法就是采取電磁屏蔽措施，機房建筑屏蔽可利用建筑物的鋼筋和金屬結(jié)構(gòu)連接成一體化的法拉第籠，并與地網(wǎng)可靠連接，信號線、電力電纜應(yīng)選用帶金屬屏蔽層的產(chǎn)品，室外線路應(yīng)穿金屬管埋地敷設(shè)。天線接收的射頻信號通常經(jīng)過波導(dǎo)或同軸電纜傳輸至機房信道設(shè)備，在雷暴天氣，信號傳輸質(zhì)量會受到雷電電磁脈沖的干擾，提高接收數(shù)據(jù)的誤碼率，為提高傳輸線路防范雷電電磁干擾的能力，建議在室內(nèi)、外增加光收、發(fā)設(shè)備，采取光纜傳輸方式將天線接收的射頻信號傳輸至機房設(shè)備。

本文從地面站防雷需求入手，分析了雷電對地面站建筑和設(shè)備造成危害的原因，提出并解決了地面站雷電防護的技術(shù)問題。地面站雷電防護是一項長期而復(fù)雜的任務(wù)，必須按照國家規(guī)定的雷擊分級要求和建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范要求，采用綜合防雷技術(shù)措施，并且定期進行防雷裝置檢測，根據(jù)國家雷電監(jiān)測預(yù)報信息，及時開展雷電防護工作。

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[責(zé)任編輯：王偉平]