地空通信及雷達臺站綜合防雷設(shè)計研究

肖剛

摘? ?要：文章從綜合防雷的角度出發(fā)，探討了空管系統(tǒng)地空通信臺站及雷達站的綜合防雷設(shè)計方案。結(jié)合防雷技術(shù)和相關(guān)規(guī)范，在建筑屏蔽防雷、戶外防雷及戶內(nèi)防雷等方面，闡述了直擊雷防護和信號線路、電源防雷的方法。

關(guān)鍵詞：防雷;無線電臺站;直擊雷防護;屏蔽

1? ? 綜合防雷的基本設(shè)計思路

雷電對設(shè)備的危害主要有雷電感應(yīng)、雷電波侵入、直擊雷和地電壓反擊4種形式。其中，以電壓反擊以及感應(yīng)雷對設(shè)備破壞的力最大。綜合防雷就是要以系統(tǒng)性的防護來減少這些雷電造成的破壞。綜合防雷系統(tǒng)主要包括外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置、防雷電電磁脈沖裝置等部分。常規(guī)意義上的外部防雷主要是指直擊雷的防護。實際應(yīng)用中，由接閃器、引下線、完善的接地系統(tǒng)構(gòu)成了外部防雷。構(gòu)筑和作用于建筑物內(nèi)部的防雷稱內(nèi)部防雷，主要由屏蔽、防雷器和等電位連接3部分組成，內(nèi)部防雷裝置快速釋放沿著電源或信號線路侵入的雷電波或各種危險過電壓;防雷電電磁脈沖（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）裝置能更好地保護設(shè)備不受感應(yīng)雷電的損害[1]。

2? ? 綜合防雷設(shè)計方案

空管設(shè)備中的導(dǎo)航、雷達、甚高頻都放在空曠、高山等地方，容易遭受雷擊。在遭遇雷擊后，如何完美地將強大的電流泄放掉，減少甚至消除雷電的影響。戶外有直擊雷防護裝置，戶外與戶內(nèi)間有屏蔽隔離體，設(shè)備有接地保護、信號避雷器、防LEMP裝置保護，多重防護逐級降低雷電最終對設(shè)備的影響。

2.1? 戶外防雷設(shè)計

戶外防雷主要是防止建筑物或露天設(shè)備（含室外獨立電子設(shè)備）免遭直擊雷危害，通常設(shè)置避雷塔，并配置接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器）、引下線、接地體等設(shè)施[2]。直擊雷的防護是戶外防雷的重點。直擊雷防護裝置的防護區(qū)域如圖1所示。

雷電保護區(qū)中，所有設(shè)備的天線應(yīng)放置在LPZ0B區(qū)域內(nèi)，即防直擊雷裝置保護范圍內(nèi)。一般機房及設(shè)備應(yīng)放置于LPZ1或更高級別防護區(qū)域內(nèi);重要機房及設(shè)備應(yīng)放置于LPZ2或更高級別防護區(qū)域內(nèi)[3]。

2.2? 屏蔽隔離體系

屏蔽隔離體系介于戶外防雷與戶內(nèi)防雷之間，主要分為兩類：建筑屏蔽隔離體與室內(nèi)外饋線屏蔽隔離。

2.2.1? 建筑屏蔽隔離體

建筑屏蔽隔離體是指在建設(shè)設(shè)備機房時，在機房建筑各立面搭建法拉第籠式金屬屏蔽網(wǎng)格，并與地網(wǎng)做好等電位連接。法拉第籠式金屬屏蔽網(wǎng)對于雷電感應(yīng)的防護效果是非常好的，還起到了屏蔽電磁信號的作用，網(wǎng)格的大小取決于對電磁環(huán)境隔離的需求，理論上網(wǎng)格越密集屏蔽效果越好。

2.2.2? 室內(nèi)外天饋線纜的防雷接地隔離

大多數(shù)無線電臺站都面臨一個難題，室外天饋線是一個良好的引雷設(shè)施，而饋線又必須引入室內(nèi)。即使天線系統(tǒng)受到戶外避雷設(shè)施保護，也難免有感應(yīng)雷電的可能。因此，在天饋線進入室內(nèi)之前，其屏蔽外殼必須在戶外做接地保護，且原則上需在進入室內(nèi)前做接地保護。饋線在設(shè)備端，必須加裝避雷裝置。

屏蔽隔離體能有效地防止雷電感應(yīng)和雷電波侵入對設(shè)備的影響。

2.3? 戶內(nèi)防雷設(shè)計

戶內(nèi)防雷系統(tǒng)主要是為防止感應(yīng)雷電電磁脈沖造成的危害。可以通過多種方法對其進行保護，如等電位接地保護、加裝避雷裝置、強弱電分離、線路加裝屏蔽線槽等。給機房內(nèi)易受過電壓破壞的電子設(shè)備加裝過壓保護裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時，防雷保護裝置能快速釋放能量，從而保護設(shè)備免受損壞，這就是避雷裝置的基本原理。

2.3.1? 等電位接地

采用等電位接地是有效抑制和吸收感應(yīng)雷的方法。等電位接地可以減小需要保護的空間內(nèi)各種金屬部件和各種系統(tǒng)之間的電位差，防止雷擊電流入地造成地電位升高產(chǎn)生的地電位反擊。當有雷擊電流通過時，機房所有設(shè)施的電位同時升高，形成“暫態(tài)均衡”，避免產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)放電，從而保護機房內(nèi)的設(shè)備設(shè)施。等電位接地是戶內(nèi)防雷設(shè)計必不可少的一環(huán)，是戶內(nèi)防雷的基礎(chǔ)。

2.3.2? 雷擊電磁脈沖裝置

雷擊電磁脈沖裝置有很多，本文主要介紹電源線路防雷與信號線路防雷兩類。

（1）電源線路防雷裝置，主要是為了防止雷電波通過電源線路對設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過避雷器對地泄放后的殘壓過大，或更大的雷電流在擊毀避雷器后繼續(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備以及防止線纜遭受二次感應(yīng)，電源線路防雷應(yīng)采取分級保護、逐級泄流的原則：在高壓電源的總進線處安裝放電電流較大的首級電源避雷器，高壓部分供電局有專用高壓避雷裝置;在低壓線路應(yīng)安裝過電壓保護裝置，電工標準國際標準IEC664-1中提出，對電源線路分為I，Ⅱ，Ⅲ防護，將過電壓數(shù)值降低到設(shè)備可以承受的水平。在實際工程中，一般采用下面的安裝方式：

第1級：安裝于線路進入端，或LPZ0區(qū)到LPZ1區(qū)的界面，如在低壓總配電室（總配電柜）內(nèi)安裝第1級三相電源防雷器，防護直擊雷和傳導(dǎo)雷，應(yīng)該將進入端的浪涌電壓限制在4 000 V以內(nèi)，越小越好。

第2級：安裝于線路分配端，或LPZ1區(qū)到LPZ2區(qū)的界面，如在樓層或?qū)ｍ椀蛪悍峙潆姽癜惭b第2級單相/三相電源防雷器，可將通過第1級后的過電壓進一步限制到2 000 V以內(nèi)，IEC標準規(guī)定的第2級防雷器通流容量≥20 kA（8/20 μs）（IEC標準）。第2級防雷器的安裝應(yīng)該距離前級防雷器的線路10 m或以上，否則應(yīng)該在1，2之間安裝級間協(xié)調(diào)電感（也稱為退耦電感）。

第3級：安裝于設(shè)備端，或LPZ2區(qū)到LPZ3區(qū)的界面，如在服務(wù)器機柜、工作站、交換機等需要保護設(shè)備的前端，采用模塊化或插座式電源防雷器，可將浪涌電壓限制到1 000 V以內(nèi)，標準規(guī)定的第3級防雷器通流容量為10 kA（8/20 μs）（IEC標準）。

（2）信號線路防雷裝置，由于雷擊發(fā)生時產(chǎn)生巨大的瞬變電磁場，在1 km范圍內(nèi)的金屬環(huán)路都會感應(yīng)到雷擊，信號系統(tǒng)如通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等的線路仍然會流入大約10%的雷擊能量，將影響各系統(tǒng)的正常運行甚至徹底破壞系統(tǒng)，因此，這部分的防雷也是相當關(guān)鍵的。現(xiàn)代的信號防雷器反應(yīng)速度可高達10～12 s，可以完全保護半導(dǎo)體元件不受雷擊侵害。可在各系統(tǒng)線路中加裝專用防雷器加以防護。

首先，對計算機網(wǎng)絡(luò)部分進行保護，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中工作站、服務(wù)器、集線器/交換機（Hub/Switch）及重要的單機等處安裝網(wǎng)絡(luò)防雷器加以防護。

其次，對天饋設(shè)備進行保護，在天線與機房設(shè)備前端安裝相應(yīng)工作頻率的防雷器加以防護。

最后，對通信設(shè)備進行保護，在通信線路與機房設(shè)備前端安裝相應(yīng)工作頻率的防雷器加以防護。

信號線如音頻線、遠端監(jiān)控用的信號線等的防雷往往易被忽視或者防雷措施不力，YD5068-98中指出“信號電纜應(yīng)由地下進入移動通信基站，電纜內(nèi)芯線在進站處應(yīng)加裝相應(yīng)的信號避雷器，避雷器和電纜內(nèi)的空線均應(yīng)做接地保護。站區(qū)內(nèi)嚴禁布放架空纜線”。對信號系統(tǒng)的防護可以引入以下的概念。

接地體，埋入地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體。

接地總匯集線，建筑物內(nèi)各種接地線由此引出。

接地引入線，建筑物內(nèi)接地總匯集線與接地體之間的連接線。

接地排，從接地總匯集線上接出到建筑物各層或各房間中的接地裝置。各種通信設(shè)備的接地線一般接到各房間的接地排上。

3? ? 結(jié)語

雷電的防護是個系統(tǒng)工程，需要從各方面綜合設(shè)計考慮。只有通過完善防雷工程的整體設(shè)計，增強人員的防雷意識，依靠各種避雷裝置實施綜合性的預(yù)防，才能獲得較好的效果。地空通信電臺及雷達臺站的雷電防護方式還有很多，選址避免選在雷雨高發(fā)區(qū)、地點避免在鐵礦等礦山之上也是降低雷擊風險的方式之一，但不管各類防雷方式如何改進，綜合防護的設(shè)計理念是這些臺站防雷發(fā)展的方向。

[參考文獻]

[1]蘇邦禮.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學出版社，1998.

[2]菊香秋.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[EB/OL].（2008-03-24）[2019-08-10].https：//wenku.baidu.com/view/aa79b2a55ebfc77da26925c52cc58bd6318693ab.html.

[3]中國民航局.民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范[Z].MHT4020—2006，2006.

Abstract：From view of comprehensive lightning protection， this paper discusses the comprehensive lightning protection design scheme of ground-to-air communication stations and radar stations in air traffic control system. Combined with lightning protection technology and related specifications， this paper expounds the methods of direct lightning protection， signal circuit and power supply lightning protection in the aspects of building shielding lightning protection， outdoor lightning protection and indoor lightning protection.

Key words：lightning protection; radio station; direct lightning protection; shielding