野戰(zhàn)指揮車的雷電防護(hù)研究

唐 克，謝保軍

（炮兵學(xué)院火控教研室，安徽合肥 230031）

野戰(zhàn)指揮車的雷電防護(hù)研究

唐 克，謝保軍

（炮兵學(xué)院火控教研室，安徽合肥 230031）

當(dāng)今電子信息設(shè)備在指揮系統(tǒng)中的大量運(yùn)用對雷電防護(hù)提出更高的要求。通過分析雷電襲擊特性，提出綜合防雷措施，為野戰(zhàn)指揮車的雷電防護(hù)提供參考。

指揮車；雷電防護(hù)；雷電電磁脈沖；電磁耦合；等電位

對于雷電的探索最早始于1752年，富蘭克林利用著名的“風(fēng)箏實(shí)驗”得出了最初的雷電理論，并揭開人類對抗雷電的歷史。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，各種信息設(shè)備在軍隊裝備中，尤其是指揮系統(tǒng)中應(yīng)用的范圍之廣、數(shù)量之大、品種之多前所未有。然而，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息設(shè)備因其集成度高、工作電壓低，運(yùn)算速度快，而耐過電壓、過電流和抗雷電電磁脈沖（LEMP（linghtning electro magnetic pulse））的能力差，極易遭受雷電的危害，特別是雷電電磁脈沖造成的損害更為嚴(yán)重［1－2］。中國南部和東南部雷雨期較長，每年大約有90～110 d左右的雷暴日，而野戰(zhàn)指揮車在野外作戰(zhàn)中地位特殊，其安全直接影響到戰(zhàn)爭的勝負(fù)。提高野戰(zhàn)指揮車的雷電防護(hù)能力，有效降低或者消除雷電對其設(shè)備的威脅，是野戰(zhàn)指揮車安全防護(hù)一個不可回避的問題［3－4］。

1 雷電入侵途徑分類［5－6］

1.1 直擊雷

野戰(zhàn)指揮車由于工作的特殊性，經(jīng)常需要在曠野中停留，遭遇直擊雷的幾率較大。一旦被直擊雷襲擊，就可能面臨設(shè)備損壞、通信中斷和人員傷亡等危險，所以指揮車對直擊雷的防護(hù)是其雷電防護(hù)設(shè)計的首要任務(wù)。

對于一般的雷電流通?？梢杂肏eidler模型來描述

直擊雷最直接的侵入野戰(zhàn)指揮車系統(tǒng)的方式就是雷云直接對野戰(zhàn)指揮車車體、車頂天線或周圍金屬物體放電，產(chǎn)生數(shù)十千安的雷電流，形成危害。當(dāng)野戰(zhàn)指揮車系統(tǒng)遭受直擊雷時，雷電流將沿車身防雷系統(tǒng)中各引下線和接地體匯入大地，因為引下線和接地體的裝置都具有電阻和電感，所以高幅度和快速變化的雷電流將在引下線上產(chǎn)生暫態(tài)高電壓，這一暫態(tài)現(xiàn)象稱為暫態(tài)電位抬高。瞬間而又劇烈的電位抬高將對車內(nèi)配電系統(tǒng)和設(shè)備造成威脅。

1.2 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷可分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。前者是由于帶電積云接近地面在導(dǎo)電凸出物體頂部感應(yīng)出大量電荷引起的。后者是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場引起的。這種迅速變化的磁場能在毗鄰的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動勢。野戰(zhàn)指揮車內(nèi)部電子設(shè)備密集，對于周圍空間的電磁場變化非常敏感。據(jù)研究，當(dāng)磁場強(qiáng)度Bm≥（0.07×10－4）T時，無屏蔽的計算機(jī)會發(fā)生暫時性失效或誤動作，當(dāng)磁場強(qiáng)度Bm≥（2.4×10－4）T時，計算機(jī)元件會發(fā)生永久性損壞，而雷電電流周圍出現(xiàn)的瞬變電磁場強(qiáng)度往往超過（2.4×10－4）T。

雷電電磁脈沖對野戰(zhàn)指揮車內(nèi)部系統(tǒng)入侵的途徑主要有2個：一是通過導(dǎo)線耦合入侵，即雷電流產(chǎn)生的雷電電磁脈沖（LEMP），在通信車車頂天線、外連信號線和電源線上耦合出瞬態(tài)過電壓，沿線侵入車體內(nèi)部，對內(nèi)部各種電子信息設(shè)備尤其是通信設(shè)備造成感應(yīng)過電壓威脅；二是通過輻射直接干擾設(shè)備，雷電磁波傳播到指揮車金屬殼體時通過金屬殼體的縫和孔或者直接穿透車皮進(jìn)入內(nèi)部對各種精密設(shè)備進(jìn)行二次耦合危害。雷電電磁脈沖入侵途徑見圖1。

圖1 雷電電磁脈沖入侵途徑

2 雷電防護(hù)的幾種技術(shù)手段

2.1 攔截

野戰(zhàn)指揮車防雷的第一道防線是對直擊雷的攔截。最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法仍然是接閃器（避雷針）法。采用新型接閃器和優(yōu)化接閃器，以降低雷電流陡度，減小二次雷擊的感應(yīng)電壓，或在條件允許的前提下，盡量降低接地電阻，對于直擊雷的防護(hù)有良好效果。單支避雷針的設(shè)置和保護(hù)范圍計算一般采用滾球法確定。如圖2所示，以針尖O為圓心，R為半徑（根據(jù)車體大小可取R＝10）作弧與水平線AB交于兩點(diǎn)，再分別以A，B為圓心，R為半徑作經(jīng)過針尖并與地面相切的圓弧。

避雷針在hx高度的平面上的保護(hù)半徑，按式（2）計算：

在確定保護(hù)半徑rx時可反推接閃器的設(shè)置高度h。

2.2 接地處理

接地是防雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，接地質(zhì)量的好壞直接影響到防雷系統(tǒng)的最終性能，對接地的形式、接地電阻值要求較高，由于野戰(zhàn)指揮車機(jī)動性強(qiáng)，單點(diǎn)接地電阻可能達(dá)不到要求，因而可采取多點(diǎn)聯(lián)合接地的辦法來降低接地電阻阻值。良好的接地系統(tǒng)能把車體上的大部分雷電流泄入大地，同時可以消除因靜電放電積累而對設(shè)備和人身安全的威脅。一般安全地作為各設(shè)備金屬箱相連后接入大地，工作地的作用在于維持各設(shè)備電壓的恒定，其接地方法如圖3所示。

圖2 接閃器保護(hù)范圍

2.3 等電位處理技術(shù)

等電位連接是指將分開的裝置、諸導(dǎo)電物體用等電位連接導(dǎo)體或浪涌保護(hù)器（SPD）連接起來，以減小雷電流在它們之間形成的電位差。等電位連接原理是通過等電位連接器自動導(dǎo)通設(shè)備之間的電位差，從而形成更大的聯(lián)合接地系統(tǒng)，更有效地進(jìn)行異常能量的釋放。同時能有效地防止地電位反擊，達(dá)到抑制電位差和消除電磁干擾的目的。SPD是在設(shè)備間不便直接相連時使用，其主要元件為壓敏電阻或放電管，利用阻值非線性原理，當(dāng)其兩端電位差大于某一值時以納秒級速度導(dǎo)通。SPD主要作用是泄放雷電流，限制雷電浪涌電壓，并限制電源系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的漏電流。等電位連接方法見圖4。

圖3 多點(diǎn)聯(lián)合接地

圖4 等電位連接方法

2.4 屏蔽

屏蔽可以阻擋、衰減甚至消除雷電感應(yīng)的干擾，對于指揮車內(nèi)設(shè)備的屏蔽，可采用金屬外殼屏蔽、線路的屏蔽，如采用有金屬屏蔽層的電纜，對沒有金屬屏蔽層的電纜可采用穿金屬管進(jìn)行屏蔽。車上各種線纜均采用屏蔽措施可大大減少雷電電磁脈沖感應(yīng)對計算機(jī)等信息系統(tǒng)的影響。雷電流的“趨膚效應(yīng)”可使相當(dāng)大的一部分雷電流沿屏蔽層接地口泄入大地。指揮車方艙是屏蔽類電磁脈沖的一道防線，同時也是最主要的防護(hù)層，對于目前來說提高方艙的電磁屏蔽性能是一個最好的方法，它具有簡單、成本低、整體效果好等優(yōu)點(diǎn)。比如方艙可以采用新型的防電磁輻射材料制作或涂刷防電磁輻射涂層就能很好地提高屏蔽的效果。

2.5 其他手段

另外還需注意的是車上線纜分布應(yīng)盡量合理，閉合的回路在電磁環(huán)境中容易產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。解決的辦法是在野戰(zhàn)指揮車設(shè)計時應(yīng)減少閉合回路的數(shù)量和回路的面積，以達(dá)到減弱電磁感應(yīng)效應(yīng)的目的。電磁輻射對光纖沒有影響，用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸線有諸多好處。此外單芯金屬導(dǎo)線比多發(fā)導(dǎo)線抗輻射效果也要好。值得注意的是軍隊指揮系統(tǒng)中使用的芯片大多沒有區(qū)別于民用的標(biāo)準(zhǔn)，采用特殊材料和特種封裝技術(shù)的防輻射芯片的應(yīng)用沒有得到足夠的重視，這也是今后值得努力的方向。在指揮系統(tǒng)軟件設(shè)計方面也同樣可以有所作為，利用冗余技術(shù)、容錯技術(shù)、標(biāo)志技術(shù)以及數(shù)字濾波技術(shù)等技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些措施對于抵抗其他電磁輻射干擾同樣適用。

3 雷擊風(fēng)險評估

3.1 評估原理

風(fēng)險評估是指為了衡量風(fēng)險而對特定風(fēng)險做評價和估算的一個過程，雷擊風(fēng)險評估主要討論由于雷電閃擊，可能導(dǎo)致人身傷亡或設(shè)備損壞的雷擊事故隱患。雷擊風(fēng)險評估體系是評估的核心問題之一，而評估體系的具體表現(xiàn)是雷擊風(fēng)險評估模型的建立。圍繞直接雷擊和間接雷擊對野戰(zhàn)指揮車安全損害的成因，對評估對象所處地區(qū)的防雷環(huán)境充分調(diào)查認(rèn)識，確定雷災(zāi)風(fēng)險的評估因子和各種雷擊損害的概率。在確定系統(tǒng)所能承受的最大雷災(zāi)損害風(fēng)險值Rt基礎(chǔ)上計算出評估對象的實(shí)際雷擊風(fēng)險值R并進(jìn)行比較分析。

3.2 評估模型

評估雷擊對指揮車電子設(shè)備損壞風(fēng)險的過程比較復(fù)雜，應(yīng)考慮的評估因素也較多，其中最重要的因素有3點(diǎn)：1）野戰(zhàn)指揮車所處地區(qū)環(huán)境情況，即所在地區(qū)的雷電活動規(guī)律、地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件，這些數(shù)據(jù)可以通過實(shí)地考察以及各級氣象機(jī)構(gòu)獲得；2）野戰(zhàn)指揮車內(nèi)外部防雷設(shè)施情況調(diào)查；3）評估對象的雷擊損失，評估對象的雷擊損失是指當(dāng)選定的評估對象受到雷擊及其后續(xù)效應(yīng)作用時可能造成的潛在性損失。它取決于雷擊造成的損害程度及后續(xù)效應(yīng)，具體應(yīng)考慮人員傷亡情況的雷擊損失和信息系統(tǒng)設(shè)備損壞情況。最后綜合各個因素可得出評估方程：

式中：N為野戰(zhàn)指揮車所在地每平方公里年均雷擊次數(shù)；P為每次對野戰(zhàn)指揮車有影響的雷擊損壞概率；L為雷擊引起的間接損失相對量。令t＝1，即在一年時間內(nèi)，如何確定這些參數(shù)是雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估的關(guān)鍵。

為了達(dá)到最佳的防雷效果，必須綜合采取多種技術(shù)手段。在實(shí)際的操作過程中仍然存在一些技術(shù)問題，比如車體在行進(jìn)過程中如何保持良好接地等，需要進(jìn)一步研究。

［1］ 周志敏.電子信息系統(tǒng)防雷接地技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［2］ 謝海華，曾山泊，肖穩(wěn)安.電子信息系統(tǒng)雷災(zāi)風(fēng)險評估方法［J］.氣象科學(xué)，2006（3）：26.

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［4］ 喬國林，陸 勤.電子信息系統(tǒng)的雷擊風(fēng)險與雷電防護(hù)［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008（11）：34.

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1008-1542（2011）07-0018-03

2011-06-25；責(zé)任編輯:陳書欣

唐 克（1962-），男，安徽合肥人，副教授，碩士，主要從事武器系統(tǒng)分析與仿真方面的研究。