趙 玉,劉 軍

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州225101;2.解放軍66135部隊(duì),北京100144)

0 引 言

雷電是由大氣層中不同濕度和溫度的氣流相對運(yùn)動(dòng)形成的自然現(xiàn)象[1]。艦船在海平面上航行時(shí),當(dāng)遇到比較惡劣的雷暴天氣,與平坦的海平面相比,艦船自然就成為了誘導(dǎo)帶電云層放電的唯一突出物,因此航行在海上的艦船受到雷擊的機(jī)會(huì)就比較多。隨著海軍任務(wù)海域的不斷拓展,水面艦艇在航率日漸提高,新型艦艇裝備信息化水平逐步提升,對水面艦艇雷電防護(hù)提出了更高的要求。

雖然目前現(xiàn)役水面艦艇針對雷電危害采取了一定的防護(hù)措施,但近幾年仍發(fā)生了幾起艦載電子設(shè)備遭受雷擊的事故,造成了部分設(shè)備損壞,暴露了水面艦艇電子設(shè)備在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方面的不足。

1 雷電特性分析

1.1 雷電效應(yīng)

雷電產(chǎn)生的破壞作用,可分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)[2]。直接效應(yīng)是指由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、溶蝕、爆炸及結(jié)構(gòu)畸變等效應(yīng);間接效應(yīng)是指由雷電放電在電氣和電子設(shè)備中引起的過電壓或過電流造成的設(shè)備受損或受干擾。

直接效應(yīng)的雷電環(huán)境如圖1和圖2所示。對于直接雷擊引起的間接效應(yīng),雷電環(huán)境應(yīng)如圖3所示。間接雷電波形參數(shù)如表1所示。

圖1 雷電直接效應(yīng)環(huán)境(電流波形)

當(dāng)雷擊形成后,經(jīng)過艦艇接閃器(一般在桅桿頂部)引雷后,強(qiáng)大的雷電流沿桅桿、船體泄入大海。同時(shí)伴有如下結(jié)果:地電位抬高會(huì)對艙室內(nèi)的低電位設(shè)施反擊放電;桅桿周圍強(qiáng)烈的雷電電磁場會(huì)在電源線、信號線等纜線上感應(yīng)出極高的雷過電壓,在電力線上極高的雷過電壓會(huì)引起電力系統(tǒng)的二次故障,產(chǎn)生操作過電壓或暫時(shí)過電壓這些過電壓都有可能損壞設(shè)備。雷電過電壓通過各種耦合途徑侵入設(shè)備,在設(shè)備端口間或傳輸線間引起電位差,當(dāng)該電位差超過設(shè)備的耐受水平時(shí),就會(huì)造成設(shè)備損壞。艦艇電子裝備通常均在接閃器保護(hù)范圍之類,因此本文主要考慮對間接雷擊的防護(hù)研究。

圖2 雷電直接效應(yīng)環(huán)境(電壓波形)

圖3 雷電間接效應(yīng)環(huán)境

1.2 雷電頻率

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對雷電波頻譜數(shù)據(jù)的分析,雷電波的頻譜具有以下特點(diǎn):雷電流主要分布在低頻部分,且隨著頻率的升高而遞減。在波尾相同時(shí),波前越陡高次諧波越豐富;在波前相同的情況下,波尾越長低頻部分越豐富。雷電的能量主要集中在低頻部分,約90%以上的雷電能量分布在頻率為100 k Hz以下[3]。這說明了在電子系統(tǒng)中,只要防止100 k Hz以下頻率的雷電波竄入,就能把雷電波能量消減90%以上,這對避雷工程具有重要的指導(dǎo)意義。

表1 雷電間接效應(yīng)波形參數(shù)

2 雷電防護(hù)原理與措施

雷電防護(hù)原理就是使電壓為幾十萬伏、電流為幾萬安培的雷云放電能量在進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部時(shí)衰減為各種弱電設(shè)備能承受的幾十伏電壓、幾百毫安電流的水平,這是電子設(shè)備防雷的主要任務(wù)。防雷措施主要包括:屏蔽、分流(改善接地)和阻隔(加裝浪涌保護(hù)器)[4]。目前現(xiàn)役艦載電子設(shè)備(雷達(dá)、電子戰(zhàn)設(shè)備)常見的裝艦布局如圖4所示,其天線和微波接收前端在艙外布置,后端接收處理及供電部分在艙內(nèi)布置,二者之間通過較長的一段穿艙線纜互連,互連線纜傳輸?shù)男盘栔饕须娏Α⒖刂?、射頻、視頻等信號類型。

圖4 電子設(shè)備常見裝艦布置示意圖

2.1 屏蔽

艙外設(shè)備安裝的位置應(yīng)在避雷針的保護(hù)區(qū)內(nèi)。但避雷針有引雷的效應(yīng),會(huì)增加直擊雷擊的概率,且避雷針下引線需要特殊處理,加強(qiáng)屏蔽,避免對附近電纜產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流。

外部電纜須采用雙屏蔽電纜,為進(jìn)一步提高屏蔽效果,可將長電纜艙外部分置于良好屏蔽的金屬管道內(nèi),同時(shí)金屬管道需確保就近良好接地(可能需要在船體設(shè)置新的就近接地點(diǎn)),文獻(xiàn)[5]中提出了在設(shè)備天線和機(jī)柜之間安裝屏蔽網(wǎng)的方式來解決感應(yīng)雷的方法。

2.2 接地

降低接地電阻是實(shí)現(xiàn)雷電流泄流的關(guān)鍵。雷電流通過單根引下線的全部電壓降計(jì)算公式為:

式中:U為電壓降(k V);i為雷電流(k A);R為接地裝置電阻(Ω);M為單位長度的電感,約為1.5μH/m;l為引下線的長度(m);d i/d t為雷電流的陡度(k A/μs)。

從公式可以知道,在防雷接地裝置中,接地電阻阻值越小,瞬間內(nèi)沖擊接地電壓降就越小,雷電時(shí)設(shè)施的危險(xiǎn)性就越小。

2.3 防浪涌保護(hù)器

為了抑制傳導(dǎo)來的電線過電壓和過電流,以及對無法使用導(dǎo)體直接連接的部分實(shí)行等電位連接,應(yīng)使用防浪涌保護(hù)器進(jìn)行分級保護(hù)。防浪涌保護(hù)器一般采用放電管、壓敏電阻和壓敏二極管,當(dāng)電位差低于其閾值電壓時(shí)呈現(xiàn)高阻;反之,呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通。一般加裝在所有雷擊浪涌電流可能串入的端口和通路中,在設(shè)備遭受間接雷擊或雷電感應(yīng)時(shí),將雷電流泄放掉,保證后端設(shè)備不受影響和損壞。天饋線路應(yīng)兩端安裝浪涌保護(hù)器,根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的工作頻率、平均輸出功率、插入損耗、駐波系數(shù)、帶寬、阻抗特性、接口形式等選用適配的天饋浪涌保護(hù)器。

3 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 接地設(shè)計(jì)

接地是任何電氣及電子電路、設(shè)備(系統(tǒng))的重要組成部分,也是考慮電磁兼容性的一個(gè)十分重要的問題,是抑制傳導(dǎo)耦合的重要措施。

對于高頻,為了降低地線阻抗,一般均采用多點(diǎn)接地方式,如圖5所示。圖中所用的地線分別連至最近的低阻抗地線排。地線排一般是與機(jī)殼相連的扁粗金屬導(dǎo)體或機(jī)殼本身,其感抗很小。

圖5 多點(diǎn)接地示意圖

實(shí)際情況比較復(fù)雜,很難通過一種簡單的接地方式來解決,而常常采用單點(diǎn)和多點(diǎn)組合成復(fù)合接地方式,如圖6所示。

圖6 復(fù)合接地

工程上一般不單獨(dú)設(shè)置防電磁脈沖接地,而是與防雷接地、保護(hù)接地、工作接地一起組成一個(gè)共用接地系統(tǒng)。此時(shí)對工程接地電阻的要求應(yīng)以有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種接地電阻中的最小值為依據(jù),至少不應(yīng)大于4Ω。非電力設(shè)備(通信及其他電子設(shè)備、電子計(jì)算機(jī))的接地,除有特殊要求外,也可采用共用接地系統(tǒng)。此時(shí)工程接地電阻一般不宜大于1Ω。如果非電力設(shè)備要獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng),其工程接地電阻不宜大于4Ω,并且與共用接地系統(tǒng)的距離應(yīng)大于20 m。對于有防電磁脈沖要求的工程,在設(shè)計(jì)共用接地系統(tǒng)時(shí),除應(yīng)遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外,在接地體的形式、尺寸以及接地線規(guī)格等方面必須滿足防電磁脈沖的要求。通常情況下,沖擊接地電阻不宜大于10Ω。

3.2 防浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)

由于雷電能量相對巨大,需要通過多級防護(hù)設(shè)計(jì)達(dá)到對設(shè)備的保護(hù)。進(jìn)行組合式電路設(shè)計(jì),必須使用有泄放、箝位等功能的器件,主要的器件有瞬態(tài)抑制二極管(TVS),壓敏電阻(MOV),氣體放電管(GDT)等[6],各種器件及其響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖8是根據(jù)輸入信號的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的差分信號雷電電磁脈沖防護(hù)框圖。差分信號端口雷電電磁脈沖防護(hù)采用二級防護(hù)電路設(shè)計(jì),由Ⅰ級防護(hù)單元、Ⅱ級防護(hù)單元及去耦網(wǎng)絡(luò)組成,Ⅰ級防護(hù)單元為耐受大電流沖擊的防雷器件,Ⅱ級防護(hù)單元為響應(yīng)時(shí)間快的半導(dǎo)體防雷器件。去耦網(wǎng)絡(luò)由LC無源器件組成,主要作用是對Ⅰ、Ⅱ級防護(hù)單元進(jìn)行隔離。

圖7 雷電防護(hù)器件及性能示意圖

圖8 差分信號雷電電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)框圖

圖9 是根據(jù)直流電源的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的電源端口雷電電磁脈沖防護(hù)原理框圖。電源端口雷電電磁脈沖防護(hù)采用3級防護(hù)電路設(shè)計(jì),由Ⅰ級防護(hù)、Ⅱ級防護(hù)、Ⅲ級防護(hù)、去耦網(wǎng)絡(luò)、防護(hù)器件狀態(tài)監(jiān)控等部分組成。Ⅰ級、Ⅱ級防護(hù)單元為耐受大電流沖擊的防雷器件,Ⅲ級防護(hù)單元為響應(yīng)時(shí)間快的半導(dǎo)體防雷器件。去耦網(wǎng)絡(luò)由LC無源器件組成,主要作用是對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級防護(hù)單元進(jìn)行隔離。

圖9 電源信號雷電電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)框圖

針對艦載電子設(shè)備艙內(nèi)艙外設(shè)備間互連電纜常見傳輸?shù)碾娏?、控制、射頻、視頻等信號類型,可以將其防浪涌保護(hù)器集成設(shè)計(jì)為防雷模塊,其電氣原理如圖10所示。圖11為某設(shè)備根據(jù)要求設(shè)計(jì)的防雷模塊外形示意圖,經(jīng)分析計(jì)算其雷電防護(hù)能力如表2所示。

4 結(jié)束語

本文從雷電效應(yīng)和雷電頻率等方面分析了雷電特性,分析了艦載電子設(shè)備雷電防護(hù)的原理和措施,最后給出了雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中常用的接地和防浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)方法,最后針對艦載電子設(shè)備艙內(nèi)艙外設(shè)備傳輸信號特點(diǎn),給出了一種將多種信號的防浪涌保護(hù)器模塊化設(shè)計(jì)后的方案,并分析計(jì)算了其雷電防護(hù)能力。該技術(shù)對于艦載電子設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

圖10 防雷模塊電氣原理圖

圖11 防雷模塊外形示意圖

表2 雷電防護(hù)能力表