陶冶　張仲　王曉東

摘 要：本文介紹雷電在航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備線纜上過電壓的表現(xiàn)形式，分析了傳導(dǎo)過電壓和感應(yīng)過電壓形成機(jī)理、理論計(jì)算及產(chǎn)生的危害。提出航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)基本內(nèi)容，包括授時(shí)系統(tǒng)室外天線、線纜及機(jī)房?jī)?nèi)授時(shí)接收設(shè)備具體防雷措施。

關(guān)鍵詞：航天器地面站 授時(shí)系統(tǒng) 雷電損害 防雷設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）05（a）-0000-00

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，全球平均每秒中發(fā)生65個(gè)閃電，每年發(fā)生2.5億個(gè)閃電。大約有54%的閃電發(fā)生在北半球。全球陸地平均閃電密度約為8.3個(gè).km2/年，大約是海洋上的3.4倍[1]。2000年雷電災(zāi)害被聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年委員會(huì)公布為最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一，又被稱為“電子時(shí)代的一大公害”[2]。

航天領(lǐng)域是信息電子設(shè)備應(yīng)用的最前沿和最尖端的領(lǐng)域之一，該領(lǐng)域的信息電子設(shè)備特點(diǎn)是集成度極高，網(wǎng)絡(luò)交互復(fù)雜，某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障就可能會(huì)影響整個(gè)任務(wù)質(zhì)量。無論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，因雷電天氣影響航天器發(fā)射的事件時(shí)有報(bào)道，因此雷電防護(hù)一直是航天信息電子應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱門課題。筆者及其所在小組的工作人員曾對(duì)多個(gè)航天地面站單位進(jìn)行調(diào)研，每年雷雨季節(jié)都有單位的信息電子設(shè)備被雷擊壞，集中體現(xiàn)在授時(shí)、視頻監(jiān)控和無線通信等系統(tǒng)，本文就從航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)雷擊損害機(jī)理和防雷設(shè)計(jì)這個(gè)視窗展開分析研究，旨在提高航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)雷電防護(hù)的水平。

1 雷電在授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備線纜過電壓的形成機(jī)理

在發(fā)生雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流（幾kA～幾百kA）會(huì)在其放電中心1km里范圍內(nèi)[3]產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁場(chǎng)，雷電流和這個(gè)瞬變電磁場(chǎng)會(huì)通過傳導(dǎo)、感應(yīng)等方式在授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備線纜上產(chǎn)生各種暫態(tài)過電壓。當(dāng)暫態(tài)過電壓沿電源線或信號(hào)線等線路進(jìn)入設(shè)備接口和芯片，就會(huì)造成設(shè)備誤動(dòng)作、性能降級(jí)或永久損壞。

1.1傳導(dǎo)過電壓

授時(shí)系統(tǒng)室外天線接閃桿或所在建筑物在遭受雷擊時(shí)，雷電流將沿引下線流入接地裝置，并最終通過接地裝置流入大地。在此過程中，雷電流將在防雷裝置上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。如果引下線與其周圍授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備之間的間隔距離不夠，且設(shè)備接地點(diǎn)又沒有與防雷接地裝置等電位連接，兩者就會(huì)發(fā)生很高電壓并發(fā)生放電擊穿，造成防雷接地裝置反擊設(shè)備現(xiàn)象。反擊會(huì)導(dǎo)致授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至危及室內(nèi)操作人員生命安全。由于這種過電壓主要是因?yàn)槔纂娏餮鼐€路泄放引起的過電壓，因此稱為傳導(dǎo)過電壓。圖1-1為簡(jiǎn)要分析傳導(dǎo)過電壓的形成，通過公式1-1可以計(jì)算傳導(dǎo)過電壓在某點(diǎn)形成的暫態(tài)過電位。

上式中uA為A點(diǎn)暫態(tài)電位，Ri為沖擊接地電阻，h為A點(diǎn)對(duì)地面高度，L0為單位引下線長(zhǎng)度的寄生電感，i為雷電流。由上式可分析，暫態(tài)uA含兩部分壓降，取決于雷電流瞬時(shí)值的接地電阻上壓降和雷電流波頭上陡度的引下線寄生電感上壓降。由于雷電流的幅值及其波頭上升的陡度很大，uA可以達(dá)到很高的值。如果周圍授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備線纜與其沒有足夠的安全距離，雷電壓就有可能擊穿線纜絕緣（因?yàn)樵O(shè)備線纜絕緣設(shè)計(jì)是不考慮雷電壓絕緣）進(jìn)行放電，進(jìn)而在設(shè)備線纜上形成傳導(dǎo)過電壓。

1.2感應(yīng)過電壓

感應(yīng)過電壓主要分為磁場(chǎng)感應(yīng)過電壓和電場(chǎng)感應(yīng)過電壓，前者是雷電感應(yīng)過電壓主要表現(xiàn)形式。磁場(chǎng)感應(yīng)過電壓是指當(dāng)授時(shí)系統(tǒng)接閃桿或所在建筑物遭受直擊雷時(shí)，在建筑物防雷系統(tǒng)中流過的暫態(tài)電流或雷電放電通道中的雷電流將在周圍產(chǎn)生的瞬變脈沖暫態(tài)磁場(chǎng)，這種快速變化的磁場(chǎng)鉸鏈這些回路后，將在授時(shí)系統(tǒng)回路中感應(yīng)出暫態(tài)過電壓。電場(chǎng)感應(yīng)過電壓是指一條架空線路（電源或信號(hào)線路）位于雷擊點(diǎn)附近或上空有雷雨云經(jīng)過，在負(fù)極性雷放電的先導(dǎo)階段，先導(dǎo)通道中綜合了負(fù)電荷，它對(duì)架空線產(chǎn)生靜電感應(yīng)作用，使架空線上距先導(dǎo)通道近的部分累積起正電荷，或在雷雨云在架空線上感應(yīng)出與其底部相反的正電荷，這些正電荷受先導(dǎo)通道中或雷雨云底部的負(fù)電荷束縛，而架空線上的負(fù)電荷將被排斥到線路的遠(yuǎn)端，經(jīng)線路泄漏電阻或系統(tǒng)中性點(diǎn)入地[4]。當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展達(dá)到地面后，主放電開始，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被自上而下地迅速中和或雷雨云迅速消散，從而使架空線路上原先被束縛的正電荷被迅速釋放，形成暫態(tài)過電壓。圖1-2，簡(jiǎn)要分析某建筑物內(nèi)某一導(dǎo)體回路磁場(chǎng)感應(yīng)過電壓，并通過式（1-2）和（1-3）可計(jì)算回路中任意一點(diǎn)磁通量和回路中感應(yīng)過電壓。

2航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

2.1室外天線裝置雷電防護(hù)

航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)室外天線多數(shù)是安裝在屋面，且高出屋面女兒墻接閃帶，因此應(yīng)安裝獨(dú)立接閃桿保護(hù)，防止天線裝置遭受直擊雷造成其物理損害。接閃桿金屬桿體或引下線應(yīng)與屋面接閃帶不少于2點(diǎn)電氣連接。接閃桿與天線安全間隔距離符合式（2-8）要求。對(duì)有內(nèi)設(shè)集成電路或晶體管電路的天線（如GPS、北斗）或信號(hào)放大器應(yīng)在天線接口安裝天饋電涌保護(hù)器，天線應(yīng)安裝屋面中部。

接閃桿保護(hù)范圍應(yīng)采取電氣幾何模型數(shù)值計(jì)算，工程計(jì)算可按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010附錄D進(jìn)行，下面依單根接閃桿保護(hù)范圍為例介紹計(jì)算方法，并推導(dǎo)接閃桿高度計(jì)算公式。

式（2-1）為單根接閃桿地面保護(hù)范圍計(jì)算，式（2-2）為接閃桿在被保護(hù)物高度面的保護(hù)范圍計(jì)算，式（2-3）為推導(dǎo)出接閃桿高度計(jì)算。上述式中h為接閃桿高度，單位m，hr接閃桿滾球半徑，取28m（考慮，hr=10I0.65=28.46≈28m，I選擇5kA主要考慮國(guó)內(nèi)天饋電涌保護(hù)器一般標(biāo)稱放電電流In都在5kA左右，即使對(duì)5kA以下雷電流接閃桿攔截失效擊中天線上，設(shè)備天饋線纜上的電涌保護(hù)器在線纜無屏蔽層或屏蔽層接地不良的情況下也可以承受，將雷電流安全泄入大地）。

式（2-8）為接閃桿與天線安全間隔距離工程簡(jiǎn)化公式，其中Ri為沖擊接地電阻，通過測(cè)量天線所在建筑防雷接地工頻接地阻值后，按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010附錄C規(guī)定系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可求得，hX為天線距離屋面垂直高度，為了考慮安全期間，當(dāng)通過式（4-8）計(jì)算后數(shù)值小于3m的應(yīng)取3m。

2.2線纜雷電防護(hù)

（1）室外屋面電纜敷設(shè)應(yīng)安裝在金屬屏蔽槽（管）內(nèi)，金屬屏蔽槽和管在屋面中部敷設(shè)，應(yīng)多點(diǎn)接地，遠(yuǎn)離屋面防雷裝置。

（2）機(jī)房?jī)?nèi)電纜敷設(shè)應(yīng)盡量集中在建筑物中部，發(fā)生雷擊時(shí)，建筑物中部暫態(tài)電磁場(chǎng)相對(duì)較小。

（3）注意線纜屏蔽層的連續(xù)性并良好接地，屏蔽層接地盡量與機(jī)柜接地排連接。

2.3機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備雷電防護(hù)

（1）機(jī)房?jī)?nèi)授時(shí)系統(tǒng)設(shè)備電源和天饋接口要安裝適配的電涌保護(hù)器，電涌保護(hù)器是目前解決設(shè)備線纜過電壓最有效的途徑，同時(shí)也是信息電子設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的核心。電涌保護(hù)器主要技術(shù)參數(shù)（沖擊電流、電壓有效保護(hù)水平）等應(yīng)通過式（2-9—2-13）計(jì)算后確定。

（2）機(jī)房應(yīng)安裝Mm型防雷接地網(wǎng)，內(nèi)部網(wǎng)格邊長(zhǎng)宜在0.6—3m范圍內(nèi)，為了考慮接地線長(zhǎng)度可能出現(xiàn)干擾頻率波長(zhǎng)的1/4或其奇數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生諧振，呈現(xiàn)高阻，出現(xiàn)接地線失效的情況，設(shè)備金屬外殼或?qū)Ｓ媒拥嘏沤拥鼐€長(zhǎng)度應(yīng)小于設(shè)備工作波長(zhǎng)1/20或機(jī)柜對(duì)角兩條線與接地網(wǎng)連接，兩線相差20%。

3結(jié)論

通過雷擊航天器地面站授時(shí)系統(tǒng)損害機(jī)理及防護(hù)的研究，本文得出以下列主要結(jié)論：

（1）雷電在電氣和電子設(shè)備線纜上過電壓形成主要是因?yàn)槔纂娏骷捌湫纬蓵簯B(tài)電磁場(chǎng)在設(shè)備線路或回路中的傳導(dǎo)和感應(yīng)效應(yīng)。

（2）推導(dǎo)出雷電在受時(shí)系統(tǒng)線纜上傳導(dǎo)過電壓和感應(yīng)過電壓計(jì)算公式。

（3）提出了航天器授時(shí)系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 許曉峰、郭虎等，《國(guó)外雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)研究》，氣象出版社，2003

[2] 王昂生，大氣災(zāi)害學(xué)[J]。地球科學(xué)進(jìn)展，1991，6（5）：74-75

[3] 張小青，《建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)》，電子工業(yè)出版社，16-17

[4] 張小青，《建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)》，電子工業(yè)出版社，16-17

[5] 《雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》GB/T21714.2-2008/IEC62305-2：2006

[6] 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010