張一帆

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

測控系統(tǒng)防雷設計*

張一帆

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

文中主要介紹測控系統(tǒng)的防雷設計方法。針對當前新建測控站不設置避雷塔的情況，首先介紹了測控系統(tǒng)的防雷原理和防雷系統(tǒng)構架，接著從外部防雷、內部防雷兩方面介紹了固定、機動測控站采取的一系列具體的防雷措施。通過理論分析和實際工程應用，證明所介紹的防雷設計方法行之有效，能夠較好地解決測控系統(tǒng)在雷雨天正常工作的問題。對以后的測控系統(tǒng)項目的防雷設計具有指導意義。

雷電侵入；接閃器；引下線；避雷器；測控系統(tǒng)

引 言

在傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)地面固定、機動站中，有單獨的避雷塔對設備機房及天線等實施防雷保護。隨著測控技術的發(fā)展和用戶提出新的要求，新建的固定、機動測控站基本都不再設置單獨的避雷塔。一般測控站通常按二類防雷建筑物考慮防雷，部分站址又處于南方多雷區(qū)，這就對整個系統(tǒng)的防雷設計提出了更高的要求。由于大多數測控設備的工作電壓僅為幾伏或幾十伏，對外界的干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達數百萬伏[1]，瞬間電流可高達數十萬安培，因此，具有極大的破壞性。對于測控系統(tǒng)的防雷，很多技術人員做了很多工作，也取得了一些成績，但雷電損毀設備的事件還是時有發(fā)生，并且對于測控系統(tǒng)防雷設計也沒有形成一套完整的體系。本文從總體角度出發(fā)，對測控系統(tǒng)的防雷做了系統(tǒng)性的闡述，能夠有效解決測控系統(tǒng)的防雷問題，使測控設備能夠在雷雨天避免雷電的損壞，維持測控系統(tǒng)的正常運行。

防雷設計是一項綜合工程，包括完善的外部防直擊雷系統(tǒng)、合理配置過電壓保護裝置(含電源、通信)、良好的等電位連接3個方面。

1 防雷原理及防雷系統(tǒng)構架

防雷設計由雷電侵入、分區(qū)防雷、等電位連接3部分所貫穿。其中雷電侵入包括直擊雷、傳導雷、云層間放電、市電過載等類型。分區(qū)防雷按建筑物內外分出不同分區(qū)，根據設備所處分區(qū)來選擇不同級別的防雷器及安裝位置。分區(qū)防雷的必要條件是正確安裝等電位連接系統(tǒng)，然后在各分區(qū)之間安裝防雷器作為補充，因此建立等電位連接系統(tǒng)至關重要。等電位連接的目的在于減小保護區(qū)內各金屬部件之間和各系統(tǒng)之間的電位差。

防雷系統(tǒng)設計需從外部防雷和內部防雷兩方面考慮，防雷系統(tǒng)構架見圖1。

圖1 防雷系統(tǒng)構架

外部防雷用于將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。對于測控系統(tǒng)來說，外部防雷主要指天線系統(tǒng)的防雷、機房建筑物的防雷。機房建筑物的防雷由基建依據相關的國家標準設計保證，天線系統(tǒng)的防雷則需要單獨設計防雷裝置。

防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置構成。接閃器的數量、高度和安裝位置應根據滾球法確定。滾球法是指，一個半徑為hr的球體沿著需要防直擊雷的部位滾動，如果球體只觸及接閃器(包括用作接閃器的金屬物)，或只觸及接閃器和地面(包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物)，而不觸及需要保護的部位，則該部分就得到了接閃器的保護，參見圖2[2]。

圖2 單支避雷針的保護范圍

內部防雷系統(tǒng)主要是對機房內易受電壓破壞的電子設備加裝過壓保護，快速泄放侵入電源或信號線路的雷電波，從而保護設備免受損壞。對于測控系統(tǒng)而言，主要是安裝各種型號的避雷器。

2 固定測控站防雷設計

2.1 固定測控站一般布局

固定測控站一般由天線、天線塔、地溝、主機房、供電系統(tǒng)構成，如圖3所示。

圖3 一般固定測控站布局示意圖

當前新建的地面測控站的天線場區(qū)距離主機房都比較遠，最遠的可達200 m。從天線至主機房的傳輸電纜需要長距離傳輸，因此測控系統(tǒng)防雷設計重點考慮電源系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、傳輸線纜、機房設備接地等方面。

2.2 電源系統(tǒng)防雷設計

測控系統(tǒng)機房的交流供電系統(tǒng)通常采用TN-S制，即三相五線制(單相三線制)供電方式。在這種供電方式的整個系統(tǒng)中，具有單獨的中線N和保護接地線PE，N與PE分開。電源系統(tǒng)通常采用分級保護、逐級泄流原則[3]。

電源系統(tǒng)的防雷主要通過基建保證。要求測控站總配電做第一級電源防護，第一級防雷器的主要作用是泄流，把大部分的雷電能量泄流入地。測控系統(tǒng)的電源總配電進行第二級電源防護，第二級防雷器的作用是泄放部分電源浪涌，降低供電線路過電壓。機房UPS前端進行第三級電源防護，進一步降低供電線路過電壓。

2.3 天線系統(tǒng)防雷設計

天線結構系統(tǒng)作為測控系統(tǒng)的重要設備，在室外并居最高位置，所以天線結構系統(tǒng)是防雷的關鍵部位。對于天線結構系統(tǒng)，無避雷塔防雷的核心問題在于防止直擊雷損壞機械結構件尤其是天線座的回轉軸承，合理布局引下線，盡量減小雷電脈沖通過引下線時對電子設備的干擾。

天線系統(tǒng)防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置構成。接閃器通常又稱為避雷針，引下線就是避雷接地線，接地裝置埋設在地下土壤內，一般要求接地電阻不大于4 Ω，由基建保證。其中設計難點在于合理設計各種類型天線的引下線，為雷電提供合適的泄放通道。

具體設計時，在天線頂端和天線副面上安裝適當數量的接閃器。引下線的設計對于限動天線而言，因俯仰軸承只作90°轉動，采用短連線的方式；對于轉臺式天線采用多電刷滑環(huán)防雷引下線；對于輪軌式天線則可采用卷繞方式的防雷引下線，引下線和天線信號線走同一個卷繞，距離拉不開，雷電流對信號線可能產生感應電流，因此在走線時應將信號線和防雷引下線盡量拉開距離，避免平行布置，敏感的信號線應采取屏蔽措施。

2.4 傳輸線纜防雷設計

從天線至機房的電纜存在長距離傳輸的問題。為防止長距離電纜上感應的雷電脈沖進入機房設備，需在線纜的兩端加裝避雷器。避雷器的作用就是在最短的時間(納秒級)內將被保護線路接入等電位系統(tǒng)中，使設備各端口等電位，同時將電路上因雷擊產生的大量脈沖能量短路泄放到大地。根據傳輸信號頻率的高低選用相應頻率范圍的避雷器，通常有低頻信號避雷器RJ45-E100/8、同軸避雷器HX-090N50F/M等。

在地溝內布設線纜時根據傳輸信號的不同分開敷設，避免長距離并行布設，必要時進行屏蔽和重復接地。

2.5 機房設備接地設計

在各設備機房的活動地板下面，對應于機柜、控制臺位置設置懸浮接地銅皮。接地銅皮應便于設備就近接地，接地銅皮材料選用紫銅，接地銅皮的截面積大于50 mm2，與信號地應良好連接。

大功率機房、伺服機房接地與其他機房接地分開，各機房接地應與信號地保持良好連接。

3 機動測控站防雷設計

3.1 機動測控站一般布局

機動測控站一般由天線車、設備方艙、保障車組成，見圖4。

圖4 一般機動測控站布局示意圖

從整個機動站的防雷考慮，一般在天線車上設置單獨的避雷針，從而為整個機動站提供有效的防直擊雷保護。另外，保障車、設備艙的電源等均采用有三級防雷功能的串聯型電源避雷器進行保護。

3.2 天線車防雷設計

天線車配置避雷針，根據圖2滾球法對避雷針的保護范圍計算可得[4]，對于一般規(guī)模的機動測控站，天線車配置15 m高的避雷針即可為其余方艙提供有效的防雷保護，參見圖4。

從設備艙、保障車進入天線系統(tǒng)的線纜根據傳輸信號的不同選用合適的避雷器。

3.3 設備艙防雷設計

對于設備方艙，首先在電源引入線處安裝三相或單相防雷保護器、電源濾波器；其次在射頻信號線出入方艙處安裝防感應電流的信號避雷器以保護艙內設備，避雷器參數應根據信號線的最大電平來確定。有些系統(tǒng)方艙間使用光纜傳輸信號，則在光纜引入方艙時，其護套和加固金屬芯線應通過避雷器進行防雷接地。

方艙一般設計有兩個接口窗，電源接口窗和信號接口窗。方艙內部采用信號地、外殼保護地和交流地3套接地系統(tǒng)。外殼保護地一般采用紫銅帶沿方艙四周骨架布設；信號地為懸浮地，采用外加絕緣套管的紫銅帶沿走線槽布設；交流地采用電纜。外殼保護地和交流地最后匯總于電源接口窗的接地柱，信號地接入信號接口窗的接地柱。

3.4 機動站地網設計

一般機動站任務現場的地網為固定預設式，即事先選址若干，按專業(yè)要求建設地網備用，并預置接地樁。要求提供的接地極應預先進行“三防”處理，保證設備地線連接可靠。

信號地樁接地電阻≤4 Ω，電源安全地樁接地電阻≤4 Ω，避雷地樁接地電阻不大于8～10 Ω[5]。

所有對地網的接地采用聯合接地法，即共地不共線。避雷針接地、天線接地、方艙信號地、方艙安全地、方艙電源避雷器接地分別單點接入公共地網各對應接地樁。

對于個別機動性要求高的測控站，需要在執(zhí)行任務時臨時布設地網，則應預先準備若干鉆有大量小孔的鍍鋅鐵管和導電、降阻劑。在敷設地網時可將鐵管砸入地下并倒入導電、降阻劑來接地。目前各專業(yè)防雷公司均有專用接地棒(電極)和降阻劑，根據任務現場的情況埋設適當數量的接地棒即可達到規(guī)定要求。

4 結束語

防雷設計是一項系統(tǒng)工程，涉及機房建設、屏蔽設計、接地設計、設備自身防雷、線纜布設、設備內部電路與元器件耐沖擊設計等多個方面。只要綜合考慮各項措施，嚴格遵守防雷接地規(guī)范，就能達到理想的防護效果。近期的幾個測控站按照上述設計采取防雷措施，到目前為止，系統(tǒng)運行正常。

[1] 朱新第. 弱電設備防雷初探[J]. 浙江電力, 2002(1): 43-47.

[2] 潘忠林. 現代防雷技術[M]. 成都: 電子科技大學出版社, 1997.

[3] 王振旺. 微波雷達防雷措施研究[J]. 雷達與對抗, 2007(1): 17-20.

[4] 全國信息技術標準化技術委員會. GB/T 2887—2011電子計算機場地通用規(guī)范[S]. 北京: 中國標準出版社, 2011.

[5] 中國人民解放軍總裝備部. GJB 6784—2009軍用地面電子設施防雷通用要求[S]. 2009.

張一帆(1976-)，男，工程師，主要從事電子設備結構總體工作。

Lightning Protection Design of TT&C System

ZHANG Yi-fan

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

This paper mainly introduces the method of lightning protection for TT&C System. Considering the situation that newly-built TT&C stations at present have no lightning protection tower, the lightning protection principle and design architecture of TT&C system are introduced first. From the aspects of internal and external protection, a series of specific lightning protection measures are adopted for the TT&C systems of fixed and mobile station. By theoretical analysis and practical engineering application, it is proved that the lightning protection design described in this paper is effective and able to deal with the issue of TT&C system operating normally in thunderstorm weather. It is of guiding significance for lightning protection design of future TT&C programs.

lightning intrusion; lightning arrester; down conductor; lightning protection device; TT&C system

2012-12-05

TM862+.1

A

1008-5300(2013)02-0011-03