+ 王繼來(lái) 國(guó)家新聞出版廣電總局五七二臺(tái)節(jié)傳機(jī)房

衛(wèi)星接收天線防雷工程探討

+ 王繼來(lái) 國(guó)家新聞出版廣電總局五七二臺(tái)節(jié)傳機(jī)房

本文對(duì)衛(wèi)星接收天線防雷擊的必要性、雷擊原理等進(jìn)行了闡述，并通過(guò)工作中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)了衛(wèi)星接收天線防雷擊措施和避雷針設(shè)計(jì)與安裝制作方法，供大家學(xué)習(xí)交流。

衛(wèi)星接收天線 雷擊 防雷措施 避雷針制作

一、引言

隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星通信因具有覆蓋區(qū)域廣泛，傳輸容量大，可靠性強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)而被各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因衛(wèi)星接收天線一般多架設(shè)在當(dāng)?shù)亻_(kāi)闊空曠，無(wú)遮擋物的較高位置，很容易遭到雷擊，遭到雷擊時(shí)，不僅設(shè)備遭到破壞，人身安全也受到威脅，對(duì)廣播、電視、電信等衛(wèi)星通信應(yīng)用較多行業(yè)的安全生產(chǎn)、工作會(huì)造成較大的影響害和損失。這就對(duì)衛(wèi)星接收天線的防雷措施提出了很高要求。下面根據(jù)工作實(shí)踐，介紹雷擊方面的知識(shí)、防雷設(shè)計(jì)、使用安裝經(jīng)驗(yàn)。

二、遭雷擊經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

國(guó)家新聞出版廣電總局五七二臺(tái)衛(wèi)星接收天線場(chǎng)區(qū)位于廣播發(fā)射機(jī)房二層樓后面，周圍地勢(shì)比較空曠，在機(jī)房樓頂安裝有一根整體高度約22米的獨(dú)立避雷針，由于防雷意識(shí)和相關(guān)知識(shí)的欠缺，多年來(lái)一直把此獨(dú)立避雷針當(dāng)作本單位三面衛(wèi)星接收天線避雷措施，沒(méi)有對(duì)衛(wèi)星接收天線單獨(dú)做科學(xué)合理的防雷防護(hù)設(shè)計(jì)，在2011年7月的一個(gè)雷雨天，Ku波段天線高頻頭遭雷擊，造成ku波段信號(hào)中斷，影響了安全傳輸發(fā)射工作。慘痛教訓(xùn)之后，對(duì)此獨(dú)立避雷針?lè)览妆Ｗo(hù)區(qū)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)：如（圖一）

避雷針整體高度H約22米,避雷針與衛(wèi)星接收天線最近水平距離約30米，按照獨(dú)立避雷針有效保護(hù)區(qū)半徑為避雷針下面45°傘形區(qū)初步推算，可以確定三組天線無(wú)任何直擊雷保護(hù)措施，且衛(wèi)星天線金屬底座、天線區(qū)圍欄均無(wú)接地，所以遭受雷擊損害概率相當(dāng)大?，F(xiàn)場(chǎng)勘查照片如（圖二）

圖一

1、雷擊的產(chǎn)生

雷擊是大氣中一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層或是帶電云層對(duì)大地間的迅猛的放電，這種迅猛的放電過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃光并伴隨著巨大的聲音。云層之所以會(huì)帶電，其原因主要是空氣的運(yùn)動(dòng)使空氣中的水蒸汽隨之上升、下降產(chǎn)生云，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，云中的水分子被大氣電場(chǎng)所電離而變成帶有電極性的離子。在電場(chǎng)力的作用下，同種極性電荷的離子聚集在一起（通常帶負(fù)電荷的離子在下方，正電荷離子在上方）。當(dāng)云層中的離子累積到一定數(shù)量時(shí)，其與大地間的電場(chǎng)強(qiáng)度上升到足以擊穿空氣的強(qiáng)度，這樣就產(chǎn)生了雷擊放電的現(xiàn)象。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)中的電子逃離學(xué)說(shuō)，在物體的尖端部分電子受到同性電荷向外排斥的力量最強(qiáng)，容易被排斥離開(kāi)物體而形成電子流與云層中隨云?；蛩晌锵虻孛婵繑n的帶電微粒形成先導(dǎo)放電通道，并最終形成放電主通道，即雷擊。

2、雷擊的幾種主要表現(xiàn)形式

2.1直擊雷：

雷云對(duì)大地或大地上某一物體間的直接放電，雷電流通過(guò)物體向大地中泄放時(shí)電流產(chǎn)生的機(jī)械力造成被擊中物體的嚴(yán)重破壞。

圖二

2.2雷電電磁脈沖：

在直擊雷發(fā)生或雷云間放電時(shí)，由于靜電感應(yīng)作用在地面某一范圍內(nèi)形成的靜電荷失去電場(chǎng)力束縛，或雷擊放電通道周圍一定范圍內(nèi)因瞬變的大電流產(chǎn)生的電磁脈沖感應(yīng)都會(huì)在地面物體上產(chǎn)生非常高的電位，進(jìn)而形成電流向其他物體放電或沿金屬物體向遠(yuǎn)處傳播。

3、雷電活動(dòng)及雷擊的選擇性：

3.1雷電活動(dòng)從季節(jié)來(lái)講以夏季最為活躍，冬季最少。評(píng)價(jià)某一地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱，通常用“雷暴日”來(lái)表示，即以一年當(dāng)中該地區(qū)有多少天發(fā)生過(guò)人耳能聽(tīng)到的雷鳴來(lái)記錄雷電活動(dòng)的情況，雷暴日的天數(shù)越多，表示該地區(qū)的雷電活動(dòng)越頻繁。我國(guó)年平均雷暴日的分布情況大致可分為四個(gè)區(qū)域：一是西北地區(qū)，年平均雷暴日在15天以下；二是華北及東北地區(qū)，年平均雷暴日在15～40天；再有是長(zhǎng)江以南地區(qū)，通常在40天以上；最多的是在北回歸線以南地區(qū)，一般都在80天以上，個(gè)別地區(qū)達(dá)到100天以上。

3.2雷擊有很強(qiáng)的不確定性，我們無(wú)法預(yù)先判斷每一次雷擊的放電通道的位置。同時(shí)，它還具有一定的選擇性，一些具有一定特征的建筑或地面物體相比較而言容易遭受雷擊，經(jīng)過(guò)觀察及實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出雷擊的頻繁程度與下列一些特點(diǎn)有很大的關(guān)系：

土壤電阻率的大小。雷擊通常發(fā)生在土壤電阻率較小的地方，而鄰近的高土壤電阻率的地方相對(duì)較少。

水（包括地上及地下）含量的多少。如湖泊、低洼地區(qū)及地下水位高的地方。

地形、地貌的不同。山區(qū)、金屬礦區(qū)、河岸、地下水出口處等與周圍其他地帶地形、地貌不同處。

地面上的設(shè)施情況。地面上較高的或孤立的建筑物、設(shè)施，以及金屬結(jié)構(gòu)或內(nèi)部較潮濕的廠房、建筑或冒煙的煙囪等均是雷擊的主要目標(biāo)。

四、防御雷電災(zāi)害的主要措施

1．接閃及分流

接閃裝置是針對(duì)建筑或建筑物附屬的設(shè)施防護(hù)直接雷擊的最有效措施。它是利用安裝在建筑物之上或獨(dú)立安裝于建筑物旁的與大地有良好電氣連接的金屬物將雷電流引向自身并通過(guò)與大地的連接導(dǎo)體將雷電能量泄放入大地，從而使其保護(hù)范圍內(nèi)的建筑或設(shè)施免受雷擊。接閃裝置的主要形式有避雷針、架空避雷線（網(wǎng)）、安裝于建筑物上的避雷帶（網(wǎng)）等幾種。根據(jù)國(guó)際及國(guó)內(nèi)的防雷標(biāo)準(zhǔn)，不同的建筑或其附屬的設(shè)施所配置的接閃裝置形式、安裝位置及高度應(yīng)按被保護(hù)物的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，相同設(shè)施處于不同類別的防雷建筑時(shí)的接閃裝置參數(shù)的計(jì)算是不同的（詳細(xì)內(nèi)容參閱GB50057、IEC61024等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）。例如，以“滾球法”對(duì)避雷針的高度計(jì)算中的“滾球半徑”就與雷電流的大小成對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定了滾球半徑也就確定了避雷針可防護(hù)的雷電流的最小值，當(dāng)發(fā)生的雷電流小于其對(duì)應(yīng)數(shù)值時(shí)就有可能失去防護(hù)能力而造成雷電對(duì)被保護(hù)物的直接放電。但是這個(gè)概率很低，而且雷電流的能量對(duì)被保護(hù)物的破壞程度比較小。

分流是將接閃裝置接收的雷電能量泄放入大地的通道，要求其能以最短的途徑、最快的速度將雷電流導(dǎo)向接地體。由于雷電流是一個(gè)具有很強(qiáng)瞬間功率的電流源，在其通過(guò)的不足1秒的時(shí)間內(nèi)如果導(dǎo)體的截面積不夠大就有可能使泄放通道產(chǎn)生局部過(guò)熱、變形甚至斷裂，造成防雷裝置的失效。為此，應(yīng)將接閃裝置與大地的連接采用盡可能多的通道分配能量，使每一個(gè)通道通過(guò)的雷電能量盡量地小，這樣就能在通過(guò)雷電流的同時(shí)保證防雷裝置的安全。分流多是采用單獨(dú)敷設(shè)的引下線或鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑中的主鋼筋等上下貫通的金屬物，兩端分別與接閃裝置及接地裝置以焊接的方式連接。

2．屏蔽

屏蔽從形式上分為建筑物屏蔽、建筑物內(nèi)或建筑物間線路的屏蔽。不同的屏蔽措施應(yīng)按建筑所處位置、特點(diǎn)、發(fā)生大電流雷擊的可能性來(lái)確定，原則上應(yīng)綜合應(yīng)用多種屏蔽措施達(dá)到抑制電磁脈沖的目的。

3．接地

接地作為直擊雷保護(hù)的能量泄放通道最后環(huán)節(jié)、屏蔽措施的感應(yīng)電荷釋放通道以及電子電氣設(shè)備的安全保護(hù)、對(duì)人員的安全保護(hù)都是至關(guān)重要的安全系統(tǒng)組成部分?？梢哉f(shuō)，接地是各種與電氣相關(guān)的安全措施的基礎(chǔ)，接地質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到安全保護(hù)措施的效果。對(duì)于雷擊的保護(hù)，接地裝置承擔(dān)著雷電流的泄放任務(wù)。雷電流具有脈沖的特性，它在接地裝置及大地中的情況是不能按常規(guī)的直流或工頻特點(diǎn)分析的，為此，在防雷的標(biāo)準(zhǔn)中引入了“沖擊接地電阻值”，它與工頻接地電阻不同，在不同的雷電流波形及不同的土壤環(huán)境中有很大差別。簡(jiǎn)單說(shuō)，因土壤在沖擊電流的情況下會(huì)發(fā)生局部擊穿的情況，因此沖擊接地電阻值在數(shù)值上常常是小于工頻接地電阻值的，這對(duì)我們測(cè)量、判斷一個(gè)接地裝置的沖擊接地電阻值是否符合要求提供了理論基礎(chǔ)（在現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的條件下直接測(cè)量沖擊接地電阻較困難，只能測(cè)量工頻接地電阻值）。工頻接地電阻與沖擊接地電阻的換算可依據(jù)GB50057中的相關(guān)內(nèi)容。防雷保護(hù)的接地裝置還要求其能迅速將雷電能量泄放入地，同時(shí)還要考慮到雷電流泄放時(shí)的土壤電位（跨步電壓），要求接地裝置具有足夠的電流流散面。從某種意義上說(shuō)，防雷接地裝置的結(jié)構(gòu)比接地電阻值更加重要。為了達(dá)到均衡電位、快速泄放電流的目的，同時(shí)考慮到多分流引下線的接地問(wèn)題，將接地裝置圍繞被保護(hù)建筑設(shè)為閉合的環(huán)形是比較科學(xué)、有效的。

4．均壓等電位

雷擊造成人員傷害及設(shè)備損壞的原因除直接擊中外，最主要的原因就是雷電在不同的位置產(chǎn)生的電位差引起的。例如，人員在觸及兩個(gè)沒(méi)有電氣連接的金屬物時(shí)，觸及的金屬管線在流過(guò)雷電流時(shí)將產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓降（特別是分流引下線的電位除感應(yīng)電壓降外還與接地裝置的電位升相加），這樣，人的不同部位之間形成電位差，使一部分電流通過(guò)人體形成接地通道，當(dāng)此電流達(dá)到人體耐受極限時(shí)就會(huì)發(fā)生電擊事故，造成人員傷亡。特別是防雷裝置的分流引下線在通過(guò)雷電流時(shí)的電位是很高的，對(duì)鄰近的金屬物或設(shè)備放電的可能性非常大。為了消除金屬物間的電位差造成的對(duì)人、對(duì)設(shè)備的危害，最有效的辦法是將無(wú)法與人員隔離的區(qū)域內(nèi)采取等電位連接的方法以最短的導(dǎo)體多次連接非帶電金屬體，使各個(gè)位置的金屬物具有相同或近似的電位，消除或減小電位差，達(dá)到安全的目的。這個(gè)區(qū)域可以是整個(gè)建筑也可以是建筑中的局部。從上述角度分析，對(duì)于防雷接地系統(tǒng)在保證等電位的要求下應(yīng)盡量采用共用接地系統(tǒng)，以達(dá)到消除電位差的目的。

防雷接地工程是一個(gè)綜合系統(tǒng)工程，必須將外部防雷、內(nèi)部防雷作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合分析和設(shè)計(jì)，必須根據(jù)保護(hù)對(duì)象的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能和后果，因地制宜地采取防雷措施。對(duì)雷電綜合防治的原則是：“綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、層層設(shè)防”。運(yùn)用“接閃、引下、分流、均壓、屏蔽、合理布線、安裝保護(hù)器、接地”的措施，根據(jù)特定保護(hù)空間的實(shí)際情況，用相應(yīng)的防雷措施，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工維護(hù)方便。

五、衛(wèi)星天線區(qū)直擊雷防護(hù)工程設(shè)計(jì)方案

1．衛(wèi)星天線場(chǎng)區(qū)類別計(jì)算：

北京市年平均雷暴日比較高（36.3D/A），根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057中的規(guī)定：雷電活動(dòng)區(qū)根據(jù)年平均雷暴日的多少，分為少雷區(qū)、中雷區(qū)、多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)：少雷區(qū)為年平均雷暴日數(shù)不超過(guò)25天的地區(qū)

中雷區(qū)為年平均雷暴日數(shù)在25～40天以內(nèi)的地區(qū)

多雷區(qū)為年平均雷暴日數(shù)在40～90天以內(nèi)的地區(qū)

強(qiáng)雷區(qū)為年平均雷暴日數(shù)超過(guò)90天的地區(qū)

北京地區(qū)年平均雷暴日數(shù)基本上接近多雷區(qū)。根據(jù)氣象資料表明，北京地區(qū)年雷暴日Td=35.2天，是雷電多發(fā)區(qū)。根據(jù)國(guó)標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，以辦公樓為例計(jì)算，則衛(wèi)星天線場(chǎng)區(qū)年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N=KNgAe，其中：

K=1 (校正系數(shù)，一般情況下取1)

Ng =0.1＊Td=3.52(建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度)

L=33（衛(wèi)星天線場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度）

W=9（衛(wèi)星天線場(chǎng)區(qū)的寬度）

H=7（衛(wèi)星天線最高點(diǎn)的高度）

=0.008（與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積）

N=KNgAe=1＊3.52＊0.008=0.028次/a。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.4條第1款規(guī)定，省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)的建筑物及省級(jí)檔案館、第2款規(guī)定：預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于或等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a的部、省級(jí)辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物應(yīng)劃為第三類防雷建筑物。因此衛(wèi)星天線場(chǎng)區(qū)應(yīng)劃分為第三類防雷建筑物。

2.采用滾球法防雷設(shè)計(jì)方案計(jì)算

經(jīng)過(guò)對(duì)衛(wèi)星接收天線場(chǎng)區(qū)實(shí)際測(cè)量及相關(guān)防雷國(guó)標(biāo)：決定采用滾球法防雷設(shè)計(jì)方案，在天線場(chǎng)區(qū)兩側(cè)架設(shè)兩根獨(dú)立避雷針，已知條件如下：

1號(hào)避雷針：

避雷針7米處的保護(hù)范圍內(nèi)的遠(yuǎn)端半徑:Rx=18米被保護(hù)物的防雷等級(jí)要求：滾球半徑：Hr=60米被保護(hù)物的高度：Hx=7.00米；

假設(shè)被保護(hù)平面的高度為H

被保護(hù)范圍寬度為Bx

公式和計(jì)算過(guò)程:

經(jīng)計(jì)算：H=16.5(米)

1號(hào)避雷針的高度為保護(hù)平面的高度加上被保護(hù)物的高度H=16.5+7=23.5米，取整為24米

兩針距離D = 36.46米

D1 = D/2= 36.46/2= 18.23(米)

=16.28(米)

2號(hào)避雷針計(jì)算方法同1號(hào)，高度也為23.5米，取整約24米。

實(shí)際安裝高度為24米。

3．避雷針保護(hù)范圍示意圖：如圖三

3.1避雷針制作方案：

①、經(jīng)過(guò)計(jì)算避雷桿高度為23.5米，實(shí)際制作高度為24米，采用熱鍍鋅角鐵制作。②、避雷桿的基礎(chǔ)為2米見(jiàn)方的混凝土澆筑 ③、防直擊雷接地電阻值小于10Ω。④、避雷桿采用CLPSA-3型

圖三

圖四

（圖五）接地體制作示意圖

圖六

3.2接地制作方案：

①、垂直接地極采用Φ50mm的熱鍍鋅鋼管。②、水平接地極采用4＊40mm熱鍍鋅扁鋼 ③、接地電阻小于10Ω。④、衛(wèi)星天線基座和護(hù)欄分別于地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接。接地示意圖：如圖四

⑤、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得土壤電阻率約為300Ω/米，考慮到周邊土壤電阻率較高，土質(zhì)為砂石結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到更好的降阻郊果，在接地體周圍敷設(shè)長(zhǎng)效物理添充劑以增加地網(wǎng)的使用壽命。接地體制作：如圖五

防雷接地體制作時(shí)可用長(zhǎng)約2m，Φ50mm的熱鍍鋅鋼管或50x50x3mm的鍍鋅角鋼作垂直接地體，每根垂直接地體間距不大于3m，垂直接地體之間用40x4mm的鍍鋅扁鋼作為水平接地體連接，水平接地體的埋藏深度不小于800mm。水平接地體與垂直接地體都需要焊接牢固，焊接搭接頭長(zhǎng)度應(yīng)為扁鋼寬度的2倍，焊接時(shí)采用對(duì)焊方式，焊接后需用防銹漆做防銹處理。在傳統(tǒng)接地工程中，降低接地電阻的方法有加入食鹽，木炭、草木灰等，現(xiàn)在普遍使用施加化學(xué)降阻劑降低電阻的方法，本方案中也在接地體周圍施加了化學(xué)降阻劑，方案實(shí)施后經(jīng)國(guó)家廣電總局防雷委員會(huì)專業(yè)驗(yàn)收，實(shí)際多點(diǎn)測(cè)量接地電阻約為4Ω左右，各項(xiàng)檢測(cè)驗(yàn)收數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)方案標(biāo)準(zhǔn)。

4.直擊雷方案實(shí)施后實(shí)物照片：如圖六

六、結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星地面接收站接收天線一般選址安裝在比較空曠或是建筑物頂上等無(wú)遮擋的區(qū)域，這樣遭受雷擊的概率很大，所以衛(wèi)星天線防雷、避雷工程設(shè)計(jì)及相關(guān)應(yīng)對(duì)措施尤為重要。雷電對(duì)無(wú)線電設(shè)備、設(shè)施的危害往往使設(shè)備損害，停止工作，嚴(yán)重影響通信及廣播、電視等行業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此防雷措施、防雷知識(shí)要貫穿整個(gè)行業(yè)系統(tǒng)方方面面，如果忽視這方面工作，沒(méi)有認(rèn)真落實(shí)整改很可能會(huì)發(fā)生慘痛的教訓(xùn)，對(duì)工作造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。以上是作者實(shí)際工作的一些總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)積累，希望同行們給予批評(píng)指正。