中國天繪衛(wèi)星中心 李松彬 陳 勃 秦 朗

遙感衛(wèi)星機動站避雷方案優(yōu)化設計

中國天繪衛(wèi)星中心 李松彬 陳 勃 秦 朗

機動數(shù)據(jù)接收站（簡稱機動站）是基于車載的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)接收天線、數(shù)據(jù)接收車、數(shù)據(jù)處理車、配電車四部分組成。現(xiàn)有某型數(shù)據(jù)接收站避雷器屬單針避雷器，避雷器防護區(qū)不能做到對數(shù)據(jù)接收天線的有效覆蓋。本文分析了避雷器的工作原理及其覆蓋范圍理論模型，指出了現(xiàn)有避雷器的弊端，提出了改進的避雷器布設方案，此方案可有效地提高機動站在雷雨天氣下作業(yè)的安全系數(shù)。

避雷器；滾球法；防護范圍

1 引言

機動站具有靈活、機動的特點,可以通過公路、鐵路等方式快速機動到指定地點,完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理任務[1]。受接收仰角限制,機動站部署凈空區(qū)要求接收仰角5°以上無任何遮擋物,天線展開后高達11.5米,易遭受雷擊,為保障人員及設備安全,做好防雷措施至關重要。本文分析了避雷器的工作原理及其覆蓋范圍理論模型,指出了現(xiàn)有避雷器的弊端,提出了改進的避雷器布設方案。

2 機動站天線車防雷現(xiàn)狀

2.1 避雷器防護范圍的理論模型

根據(jù)GB50057-2010——《建筑物防雷設計規(guī)范》規(guī)定,滾球法是計算其避雷器防護范圍的理論模型。所謂滾球法是以hr=45m為半徑的一個球體,緊貼避雷器,并以其頂端為切點,繞其旋轉后,得到一個位于球體正下方的錐體空間,該空間即為避雷器防護區(qū),即位于該區(qū)域的物體能夠受到有效保護[2]。

圖1 單針避雷器防護原理

設:h為避雷器的高度;hx表示被保護物的高度;hr為滾球半徑。當避雷器的高度h＜hr時:距地面滾球半徑高hr處作一平行于地面的平行線,以避雷器頂端為圓心,hr為半徑,作圓弧交平行線A、B兩點,再以A、B為圓心hr為半徑作圓弧與避雷器和地面都相切,由這個圓弧旋轉成為一個錐體,這個錐體就是避雷器的防護范圍[3],如圖1所示:

避雷器在hx高度上的保護半徑rx:

避雷器在地面上的保護半徑,應按下式計算:

式中:

當h＞120m時,取其等于120m。

2.2 機動站天線車避雷器現(xiàn)狀

機動站天線車目前使用的是單針避雷器,其高度為15m,距接收天線中心體直線距離為6.1m,機動站天線與避雷器位置示意圖如圖2所示:

圖2 數(shù)據(jù)接收天線示意圖

單針避雷器實質(zhì)上是引雷針,它通過將雷電引向自身,使處于防護范圍內(nèi)的設備及人員免受雷電的直擊。其優(yōu)點是制作簡單、安裝方便、價格低廉,缺點是防護范圍小、沒有限流作用、瞬時會有幅值很高且陡度很大的電流流經(jīng)避地線,產(chǎn)生的二次效應(如反擊、高電位、大感應電流)會對周圍電子設備造成極大損毀[4]。

2.2.1 現(xiàn)有單針避雷器防護范圍計算

接收天線屬第二類保護體,滾球半徑hr=45m,由滾球法的h、hr、hx這三個變量可以計算出任意高度hx的防護半徑。以避雷器的水平投影為坐標中心,可以做出任一高度防擴范圍,不同高度上的防護范圍在水平面上投影為以避雷器位置為圓心的同心圓。

機動站天線中心體高度hx=11.5m,避雷器高度h=15m,滾球半徑hr=45m,根據(jù)防護半徑公式(1)、(2)計算得到現(xiàn)有單針避雷器在hx=11.5m高度上的保護半徑為4m,在地面上的防護半徑r=22.5m,防護范圍仿真示意圖如圖3所示(為便于仿真,將數(shù)據(jù)接收天線模擬為直徑7.3米,高11.5米圓柱體):

圖3 現(xiàn)有避雷器防護范圍

根據(jù)圖3可以看出接收天線并未完全處在避雷器的有效防護范圍之內(nèi),因此該避雷器并不能起到應有的雷電防護作用。為了增加避雷器的防護范圍,應當考慮增加避雷器的高度,通過公式(1)計算可知,若使接收天線全部處于避雷器的防護范圍之內(nèi),須將避雷器升高至24.5m,但實施中,不能將避雷器設置太高以降低被繞擊的概率(繞擊概率與避雷器高度的平方成正比)[5]。

2.2.2 現(xiàn)有接地體的裝設

根據(jù)GB50057-2010——《建筑物防雷設計規(guī)范》規(guī)定,單針避雷器應裝設獨立的接地體,接地體工頻接地電阻不應大于10Ω,且接地體與被保護物的接地體以及其他裝置的接地體也應保持一定的地中距離,以免在地中向被保護物的接地體發(fā)生反擊(接地體的地中距離一般不應小于5m),數(shù)據(jù)接收天線采用多根接地樁接地時,樁間距應該大于2m的距離。機動站天線及其避雷器接地體目前均采用一組接地銅棒,實測接地電阻為6Ω,為提高防腐蝕和防電蝕能力,表面進行了電鍍處理,棒間距為0.5m,深度為0.8 m。

2.3 結論

綜上所述,機動站天線車在單針避雷器方案設計、接地體埋設上存在不足,設備和人員易受到雷擊傷害,為此,我們提出了兩針避雷器及接地體改進布設的優(yōu)化設計方案。

3 機動站天線車避雷器改進設計

3.1 兩針避雷器防護模型

當雷電防護范圍面積較大時,應考慮采用多針防護,以降低避雷器高度,從而降低繞擊概率,為滿足機動站方便安裝、靈活機動的特點,適宜采用兩針等高避雷器[6]。

兩針等高避雷器理論模型∶

兩針等高避雷器采用對稱式分布、高度相同的兩根避雷器,其原理示意圖如圖4所示:

圖中bx為兩等高避雷器防護范圍的一側最小寬度; ha=h-hx。

兩針等高避雷器外側的防護范圍應按單針避雷器的計算方法確定;兩針間的防護范圍應按通過兩針頂點及防護范圍上部邊緣最低點O的圓弧確定,設圓弧的半徑為R'O。O點為假想避雷器的頂點,其高度應按下式計算:

式中:

hO——兩針間防護范圍上部邊緣最低點高度,單位m;

D——兩避雷器間的距離,單位m;

P——高度影響系數(shù),h≤30m,P=1;

兩針間hx水平面上防護范圍的一側最小寬度bx,在得到bx后,可按圖5確定兩針間的防護范圍[7]。

機動站天線直徑R=7.3m,若使天線中心體完全處在避雷器防護范圍之內(nèi)則需2bx＞R,即bx＞3.65m,適當升高避雷器高度(兩針間距離與針高之比D/h不宜大于5)使h=16.5m,則ha=h-hx=5m,根據(jù)圖5可以得出D/hap=2.5,則bx/ha=0.75通過計算可得bx=3.75m,ho=14.75m＞11.5m符合bx＞3.65m,ho＞h的覆蓋條件。求得bx=3.75m后,繪出機動站兩針等高避雷器防護范圍示意圖如圖6所示。

圖5 兩針等高(h)避雷器間防護范圍的一側最小寬度(bx)與D/haP的關系注：(a)D/haP=0～7；(b)D/haP=5～7

圖6 兩針等高避雷器位置示意圖

由于避雷器1位置的選擇充分考慮了不影響天線的運行及拆裝,所以其位置較為固定,因此避雷器2無法固定在天線基座之上,從可快速安裝、方便運輸及重復利用角度,避雷器2可采用移動式避雷器,其特點是設有底座,底座與接地體通過下引線相連,在底座上安裝有活動連接的可伸縮式支撐塔,整個裝置根據(jù)需要隨拆隨裝,各構件之間組裝容易實現(xiàn)。采用該種可伸縮式避雷器,可以做到平時伸展張開進行防護,需要搬運時也可放于車內(nèi),便于運輸。

3.2 避雷器接地體及引下線改進

考慮到接地體便于安裝且可重復使用的特點,每根避雷器應采用三根直徑25mm鍍鋅銅棒垂直接地,深度不小于0.8m,棒間距不小于2m,與接收天線接地體間距不小于5m,與接收天線以及各方艙距離不小于5m,且要在天氣干燥時對接地體進行澆注,以降低接地電阻?；虿捎脤щ娦?、穩(wěn)定性較好,具有強吸濕保濕能力,能有效降低接地電阻,可移動的防雷接地模塊作為避雷針接地體,以確保其安全性和穩(wěn)定性。

為防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位對附近金屬物或電氣線路的反擊,避雷器引下線與接收天線陣地應有距離要求。當金屬物或電氣線路與防雷的接地裝置相連時,其與引下線之間的距離應滿足[8]:

式中:

Sa——空氣中水平距離;

kc——分流系數(shù)(單根引下線時應為1);

lx——引下線計算點到連接點的長度。

4 結語

機動站天線車的防雷工作對于天線的正常可靠運行有著很大的影響。本文就天線現(xiàn)有防雷措施作了初步探討,并提出了一些改進方案。此外,還有很多問題(如雷電高頻干擾對電子設備的影響等問題)尚需作進一步的研究。但是對于防雷,不可能完全消除雷害,只能不斷地改進防雷措施,最大限度地防止受到雷擊。經(jīng)過長期的摸索與實踐,人們已積累起很多有關防雷的知識和經(jīng)驗,形成了一系列對防雷行之有效的方法和技術,只有充分了解現(xiàn)有設備的技術特點,設計出符合技術指標的綜合防雷系統(tǒng)才能保證數(shù)據(jù)接收的正常運行以及設備和人員安全[9]。

［1］陳剛.機動遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)發(fā)展［J］.現(xiàn)代雷達,2003, 6(6):40-42.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50057-2010.《建筑物防雷設計規(guī)范》［S］.

［3］陳敏.避雷針防護范圍的計算［J］.四川電力技術,2003(5).

［4］虞昊.現(xiàn)代防雷技術基礎［M］.北京:清華大學出版社.1995.

［5］王勻.雷達站的防雷保護［J］.現(xiàn)代建筑電氣,2010(Serial1): 28-32.

［6］李京校.移動氣象雷達車避雷針設計分析［J］.氣象科技,2010,12:766-770.

［7］鄧國平.滾球法防雷設計的可視化［R］.第一屆中國圖學大會,2007.08.05-2007.08.07:139-142.

［8］韓東鑫.新一代天氣雷達防雷和接地系統(tǒng)的設計［R］.浙江省氣象局.498-501.

［9］林秋望.通信防雷技術［M］.北京:中國郵電出版社,1985.

李松彬（1989—），吉林磐石人，大學本科，現(xiàn)工作于中國天繪衛(wèi)星中心。