艦載電子設備雷電防護技術研究

趙 玉,劉 軍

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101;2.解放軍66135部隊,北京100144)

0 引 言

雷電是由大氣層中不同濕度和溫度的氣流相對運動形成的自然現象[1]。艦船在海平面上航行時,當遇到比較惡劣的雷暴天氣,與平坦的海平面相比,艦船自然就成為了誘導帶電云層放電的唯一突出物,因此航行在海上的艦船受到雷擊的機會就比較多。隨著海軍任務海域的不斷拓展,水面艦艇在航率日漸提高,新型艦艇裝備信息化水平逐步提升,對水面艦艇雷電防護提出了更高的要求。

雖然目前現役水面艦艇針對雷電危害采取了一定的防護措施,但近幾年仍發生了幾起艦載電子設備遭受雷擊的事故,造成了部分設備損壞,暴露了水面艦艇電子設備在雷電防護設計方面的不足。

1 雷電特性分析

1.1 雷電效應

雷電產生的破壞作用,可分為直接效應和間接效應[2]。直接效應是指由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、溶蝕、爆炸及結構畸變等效應;間接效應是指由雷電放電在電氣和電子設備中引起的過電壓或過電流造成的設備受損或受干擾。

直接效應的雷電環境如圖1和圖2所示。對于直接雷擊引起的間接效應,雷電環境應如圖3所示。間接雷電波形參數如表1所示。

圖1 雷電直接效應環境(電流波形)

當雷擊形成后,經過艦艇接閃器(一般在桅桿頂部)引雷后,強大的雷電流沿桅桿、船體泄入大海。同時伴有如下結果:地電位抬高會對艙室內的低電位設施反擊放電;桅桿周圍強烈的雷電電磁場會在電源線、信號線等纜線上感應出極高的雷過電壓,在電力線上極高的雷過電壓會引起電力系統的二次故障,產生操作過電壓或暫時過電壓這些過電壓都有可能損壞設備。雷電過電壓通過各種耦合途徑侵入設備,在設備端口間或傳輸線間引起電位差,當該電位差超過設備的耐受水平時,就會造成設備損壞。艦艇電子裝備通常均在接閃器保護范圍之類,因此本文主要考慮對間接雷擊的防護研究。

圖2 雷電直接效應環境(電壓波形)

圖3 雷電間接效應環境

1.2 雷電頻率

根據國內外學者對雷電波頻譜數據的分析,雷電波的頻譜具有以下特點:雷電流主要分布在低頻部分,且隨著頻率的升高而遞減。在波尾相同時,波前越陡高次諧波越豐富;在波前相同的情況下,波尾越長低頻部分越豐富。雷電的能量主要集中在低頻部分,約90%以上的雷電能量分布在頻率為100 k Hz以下[3]。這說明了在電子系統中,只要防止100 k Hz以下頻率的雷電波竄入,就能把雷電波能量消減90%以上,這對避雷工程具有重要的指導意義。

表1 雷電間接效應波形參數

2 雷電防護原理與措施

雷電防護原理就是使電壓為幾十萬伏、電流為幾萬安培的雷云放電能量在進入電子設備內部時衰減為各種弱電設備能承受的幾十伏電壓、幾百毫安電流的水平,這是電子設備防雷的主要任務。防雷措施主要包括:屏蔽、分流(改善接地)和阻隔(加裝浪涌保護器)[4]。目前現役艦載電子設備(雷達、電子戰設備)常見的裝艦布局如圖4所示,其天線和微波接收前端在艙外布置,后端接收處理及供電部分在艙內布置,二者之間通過較長的一段穿艙線纜互連,互連線纜傳輸的信號主要有電力、控制、射頻、視頻等信號類型。

圖4 電子設備常見裝艦布置示意圖

2.1 屏蔽

艙外設備安裝的位置應在避雷針的保護區內。但避雷針有引雷的效應,會增加直擊雷擊的概率,且避雷針下引線需要特殊處理,加強屏蔽,避免對附近電纜產生感應電壓和電流。

外部電纜須采用雙屏蔽電纜,為進一步提高屏蔽效果,可將長電纜艙外部分置于良好屏蔽的金屬管道內,同時金屬管道需確保就近良好接地(可能需要在船體設置新的就近接地點),文獻[5]中提出了在設備天線和機柜之間安裝屏蔽網的方式來解決感應雷的方法。

2.2 接地

降低接地電阻是實現雷電流泄流的關鍵。雷電流通過單根引下線的全部電壓降計算公式為:

式中:U為電壓降(k V);i為雷電流(k A);R為接地裝置電阻(Ω);M為單位長度的電感,約為1.5μH/m;l為引下線的長度(m);d i/d t為雷電流的陡度(k A/μs)。

從公式可以知道,在防雷接地裝置中,接地電阻阻值越小,瞬間內沖擊接地電壓降就越小,雷電時設施的危險性就越小。

2.3 防浪涌保護器

為了抑制傳導來的電線過電壓和過電流,以及對無法使用導體直接連接的部分實行等電位連接,應使用防浪涌保護器進行分級保護。防浪涌保護器一般采用放電管、壓敏電阻和壓敏二極管,當電位差低于其閾值電壓時呈現高阻;反之,呈現低阻導通。一般加裝在所有雷擊浪涌電流可能串入的端口和通路中,在設備遭受間接雷擊或雷電感應時,將雷電流泄放掉,保證后端設備不受影響和損壞。天饋線路應兩端安裝浪涌保護器,根據被保護設備的工作頻率、平均輸出功率、插入損耗、駐波系數、帶寬、阻抗特性、接口形式等選用適配的天饋浪涌保護器。

3 雷電防護設計

3.1 接地設計

接地是任何電氣及電子電路、設備(系統)的重要組成部分,也是考慮電磁兼容性的一個十分重要的問題,是抑制傳導耦合的重要措施。

對于高頻,為了降低地線阻抗,一般均采用多點接地方式,如圖5所示。圖中所用的地線分別連至最近的低阻抗地線排。地線排一般是與機殼相連的扁粗金屬導體或機殼本身,其感抗很小。

圖5 多點接地示意圖

實際情況比較復雜,很難通過一種簡單的接地方式來解決,而常常采用單點和多點組合成復合接地方式,如圖6所示。

圖6 復合接地

工程上一般不單獨設置防電磁脈沖接地,而是與防雷接地、保護接地、工作接地一起組成一個共用接地系統。此時對工程接地電阻的要求應以有關標準規定的各種接地電阻中的最小值為依據,至少不應大于4Ω。非電力設備(通信及其他電子設備、電子計算機)的接地,除有特殊要求外,也可采用共用接地系統。此時工程接地電阻一般不宜大于1Ω。如果非電力設備要獨立設置接地系統,其工程接地電阻不宜大于4Ω,并且與共用接地系統的距離應大于20 m。對于有防電磁脈沖要求的工程,在設計共用接地系統時,除應遵守有關標準的規定外,在接地體的形式、尺寸以及接地線規格等方面必須滿足防電磁脈沖的要求。通常情況下,沖擊接地電阻不宜大于10Ω。

3.2 防浪涌保護器設計

由于雷電能量相對巨大,需要通過多級防護設計達到對設備的保護。進行組合式電路設計,必須使用有泄放、箝位等功能的器件,主要的器件有瞬態抑制二極管(TVS),壓敏電阻(MOV),氣體放電管(GDT)等[6],各種器件及其響應曲線如圖7所示。

圖8是根據輸入信號的特點設計的差分信號雷電電磁脈沖防護框圖。差分信號端口雷電電磁脈沖防護采用二級防護電路設計,由Ⅰ級防護單元、Ⅱ級防護單元及去耦網絡組成,Ⅰ級防護單元為耐受大電流沖擊的防雷器件,Ⅱ級防護單元為響應時間快的半導體防雷器件。去耦網絡由LC無源器件組成,主要作用是對Ⅰ、Ⅱ級防護單元進行隔離。

圖7 雷電防護器件及性能示意圖

圖8 差分信號雷電電磁脈沖防護設計框圖

圖9 是根據直流電源的特點設計的電源端口雷電電磁脈沖防護原理框圖。電源端口雷電電磁脈沖防護采用3級防護電路設計,由Ⅰ級防護、Ⅱ級防護、Ⅲ級防護、去耦網絡、防護器件狀態監控等部分組成。Ⅰ級、Ⅱ級防護單元為耐受大電流沖擊的防雷器件,Ⅲ級防護單元為響應時間快的半導體防雷器件。去耦網絡由LC無源器件組成,主要作用是對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級防護單元進行隔離。

圖9 電源信號雷電電磁脈沖防護設計框圖

針對艦載電子設備艙內艙外設備間互連電纜常見傳輸的電力、控制、射頻、視頻等信號類型,可以將其防浪涌保護器集成設計為防雷模塊,其電氣原理如圖10所示。圖11為某設備根據要求設計的防雷模塊外形示意圖,經分析計算其雷電防護能力如表2所示。

4 結束語

本文從雷電效應和雷電頻率等方面分析了雷電特性,分析了艦載電子設備雷電防護的原理和措施,最后給出了雷電防護設計中常用的接地和防浪涌保護器設計方法,最后針對艦載電子設備艙內艙外設備傳輸信號特點,給出了一種將多種信號的防浪涌保護器模塊化設計后的方案,并分析計算了其雷電防護能力。該技術對于艦載電子設備雷電防護設計具有一定的參考意義。

圖10 防雷模塊電氣原理圖

圖11 防雷模塊外形示意圖

表2 雷電防護能力表