大型全可動射電望遠鏡雷電防護及其在線監測系統設計與實現

郭文，張彬

（1.中國科學院上海天文臺，上海 200030；2.上海優泰歐申智能科技有限公司，上海 201612）

大型全可動射電望遠鏡天馬射電望遠鏡因其巨大的尺寸和高度使其經常成為雷電接閃的目標，為了保障天線重要電子信息和電氣系統的正常運行，在雷電防護方面采取了以下的特殊設計和安全措施：（1）預放電避雷針。射電望遠鏡副面天線的位置設置4 組高大的預放電避雷針，以吸引和分散雷電。這些預放電避雷針通常比望遠鏡本身更高，保護范圍大，以確保雷電擊中避雷針而不是望遠鏡結構，然后通過接地系統將雷電引導到地下。（2）防雷接地系統。射電望遠鏡配備有效的防雷接地系統，將雷電的電流迅速引導到地下，減少雷電沖擊對設備和人員的影響。這些接地系統通常包括大型的接地電極和導體，以確保雷電能夠安全地釋放到地下，而不是通過設備傳導或引發火災。（3）屏蔽和保護電子設備。射電望遠鏡的電子設備和儀器根據雷電能量的分布情況配置相應防護能力的浪涌保護器，包括電源浪涌保護器和信號浪涌保護器，以防雷擊引發的電磁脈沖對配電設備和測量系統造成損害。

本文主要設計了用于對天馬射電望遠鏡副反射面上的4 根預放電避雷針的直擊雷雷電波形進行實時監測和防護的系統，該系統可以實時獲取記錄射電望遠鏡遭受雷擊的部位和電流波形，根據對雷電波形、幅值、能量、發生時間等重要數據的分析，同時設計了針對大型射電望遠鏡所有供電設備和電子信息設備的過電壓、過電流防護系統，并實時觀測到每個設備的工作狀態和過電壓防護狀態，對射電望遠鏡整體的運行維護工作具有重要意義。

1 雷電監測系統

1.1 副反射面天線雷擊特征參數

大型全可動射電望遠鏡在雷雨天氣常見的故障主要由雷電放電所造成，為了對雷電波形進行監測和分析，需要設計合理的監測方法和雷電參數監測范圍，相關雷電特征參數如下。（1）雷電流極性和波形。通過國內外多年積累實測數據分析，可得75%～90%雷電流呈現負極性，且雷電流波頭與波尾為隨機變量，雷電流波頭在1 ～5μs，波尾約為20 ～100μs。（2）雷擊線路過電壓。根據輸電線路雷擊過電壓形成的物理過程，雷電過電壓可以分為感應過電壓與直擊過電壓兩種。（3）雷電流幅值與概率分布。雷電流幅值與氣象、自然條件相關。雷電流是一種非周期性沖擊波，具有隨機性，雷電流的概率分布規律可以通過國內外大量實測數據分析估算得出，得出結果可用公式表達為：

式中，I 雷電流幅值（kA）；P 為雷電流超過I 的概率。

1.2 副反射面天線雷擊監測方法

目前對暫態、高頻雷擊電流的測量方式主要有傳統電磁式CT 和Rogowski 線圈兩種。其中傳統電磁式CT的測量方式存在大電流波形測量失真和易飽和等缺點，而采用電磁感應原理的羅氏線圈明顯克服了以上缺點，具有測量雷電電流幅值大、波形時間長、結構簡單、線性良好等優良特性。因此，本文監測副面天線避雷針雷擊電流的傳感器優先選用羅氏線圈這種測量方式。羅氏線圈按照積分方式可分為自積分方式與外積分方式，其中外積分方式更加適用于測量中低頻脈沖電流，同時雷電能量主要集中在低頻部分，所以選擇外積分方式進行分析。圖1 為羅氏線圈外積分電路模型，其中R、C 分別為積分電阻與積分電容；L、RL、C0分別為線圈的內阻、電感及電容；RJ為阻尼電阻；M 為載流導體與羅氏線圈的互感。

圖1 羅氏線圈外積分電路模型

根據圖1 可得出傳遞函數，其公式表達為：

在正弦信號作用下：

低頻段滿足外積分條件的下限頻率時，可以忽略其分布電容，此時，下限頻率可表達為：

高頻段根據根據諧振原理可得出上限頻率為：

在滿足工作頻率內，輸出信號與被測電流的關系為：

1.3 小結

通過對大型全可動射電望遠鏡天馬射電望遠鏡副反射面天線預放電避雷針長期雷電監測發現，4 ～9 月為遭受雷擊頻發階段，既有5 ～10kA 的連續雷擊電流，也有40kA 左右高電壓、高能量雷擊波形，如圖2 ～5某時間段4 組預放電避雷針連續接閃波形所示，表1 為4 組預放電避雷針連續接閃數據參數表，長期的雷電監測對及時調整大型射電望遠鏡雷電防護措施具有重要的指導意義。

表1 4 組預放電避雷針連續接閃數據參數表

圖2 預放電避雷針連續接閃波形1

圖3 預放電避雷針連續接閃波形2

圖4 預放電避雷針連續接閃波形3

圖5 預放電避雷針連續接閃波形4

2 雷電防護系統

2.1 浪涌保護器監測系統設計

（1）硬件設計。天馬射電望遠鏡各級配電系統和電子信息系統都會安裝浪涌抑制能力相適應的浪涌保護器，但由于電涌保護器在工作中長期受到工頻電流、過電壓以及不同溫濕度環境的影響，其內部的氧化鋅壓敏電阻會產生老化劣化現象導致泄漏電流、壓敏電壓等相關電氣參數偏離初始值。隨著泄漏電流的逐漸增大，浪涌保護器會逐漸升高溫度直至觸發熱脫扣機制，因此監測浪涌保護器實時劣化狀態對設備的安全運行具有重要意義。本文中浪涌保護器監測模塊設計主要采用型號為STM32G030F6P6 作為采集芯片，浪涌保護器監測模塊使用GPIO 引腳輸入功能監測浪涌保護器遙信狀態，浪涌保護器監測系統數據采集模塊能將采集的數據通過串口發送給數據傳輸模塊。

（2）軟件設計。天馬射電望遠鏡使用的浪涌保護器監測系統采用積木式結構，易集成、易擴展且具備良好的二次開發能力。系統開發則是基于xml 標準與WebService 等標準開發的系統，為信息采集、聚合提供多種信息接口標準，支持第三方系統信息數據導入，并且系統網頁界面支持移動端進行使用，具有良好的開放性。此外，系統還擁有許多安全機制，提供統一的系統入口，以集中的用戶認證和權限控制，杜絕非授權操作，避免數據信息遺失或被篡改。此系統的功能主要包括4個部分。

①數據采集與傳輸子系統。主要分為SPD 監測數據與氣象數據，其中SPD 監測數據浪涌監測模塊的主要功能為通過采集來自浪涌保護器的電流峰值、極性等信息的采集來預判浪涌性質；氣象數據則包括預報、預警以及實況數據，主要功能是將浪涌監測模塊采集的數據傳輸至后臺以及云端，每個數據不會出現重復上傳以及漏傳。

②SPD 在線監測子系統。能夠將服務管理、監測報警信息、故障原因等數據量化，實現了數據的便利查詢并且支持模糊查詢等功能，完成了數學模型及智能算法設計、智能分析及校驗。

③氣象服務業務子系統。此系統接入與防雷安全有關的精細化預報預警氣象要素，當某一設定閾值達到時，系統會自動進行智能預警提醒。

④WebGIS 平臺。基于地圖數據的信息展示分析平臺。

2.2 小結

本章根據浪涌保護器防護特性和雷電流能量分布情況，對天馬射電望遠鏡做了整體性雷電防護和監測方案。

（1）副反射面天線供電電源設備安裝一級浪涌保護器，參數為Iimp:20kA、Uc:600Vac、Up：1.5kV，為天線設備提供直擊雷防護。

（2）饋源艙、俯仰和方位驅動、壓縮機房、伺服機房、遠程機房、UPS 機房配電箱安裝二級浪涌保護器，參數為In:40kA、Uc:385Vac、Up：2.0kV，饋線設備安裝高頻饋線浪涌保護器，參數為Iimp:5kA、Uc:180Vac、Up：0.5kV。

（3）儀器儀表通訊總線安裝信號浪涌保護器，參數為Iimp:2.5kA、Uc:24Vac、Up：13V。

（4）為每個浪涌保護器安裝浪涌保護器監測模塊，監測浪涌的壽命和雷擊狀態，可以實時為大型射電望遠鏡提供雷電安全防護。

3 結語

本文通過大型全可動射電望遠鏡天馬射電望遠鏡的雷電防護與在線監測系統的設計與實現，保證天馬射電望遠鏡供電設備與電子信息設備日常工作的正常運行。通過對天馬射電望遠鏡的副反射面安裝雷擊監測設備，在長期監測中得出4 ～9 月為天馬射電望遠鏡所在區域遭受雷擊頻發階段，并且取得了預放電避雷針連續接閃數據，表明長期雷電監測存在重要意義。根據浪涌保護器防護特性以及天線副反射面區域監測得到的雷電數據進行分析，為天馬射電望遠鏡設計了整套雷電防護系統方案，為天馬射電望遠鏡不同供電設備與電子信息設備配備了適配型號的浪涌保護器，通過浪涌保護器監測系統實時監測各個浪涌保護器的工作狀態，能夠做到實時反饋以及數據采集，對天馬射電望遠鏡的正常運行具有重要工程意義。