軍用移動(dòng)電站防雷技術(shù)研究

尹志勇，解 璞，丁志剛

（1．軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003；2．73903部隊(duì)，福建廈門 361100）

軍用移動(dòng)電站防雷技術(shù)研究

尹志勇1，解 璞1，丁志剛2

（1．軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003；2．73903部隊(duì)，福建廈門 361100）

針對(duì)軍用移動(dòng)電站工作環(huán)境的復(fù)雜性以及自身的特點(diǎn)，對(duì)軍用電站直擊雷與感應(yīng)雷防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了避雷針?lè)雷o(hù)范圍計(jì)算方法，并以某型車載方艙軍用電站為防護(hù)對(duì)象，法國(guó)“克雷士”避雷針為模型進(jìn)行了雷電防護(hù)仿真分析研究，為軍用電站機(jī)動(dòng)防雷提供了相關(guān)技術(shù)手段，提高了全天候作戰(zhàn)能力。

軍用移動(dòng)電站；直擊雷；感應(yīng)雷；雷電防護(hù)

軍用移動(dòng)電站是野戰(zhàn)條件下軍隊(duì)武器裝備的主要電能來(lái)源，被稱為武器系統(tǒng)的“心臟”，電站與武器系統(tǒng)的依存度不斷提高，其一旦失效或損壞，整個(gè)武器系統(tǒng)將陷入癱瘓狀態(tài)［1］。特別針對(duì)全天候復(fù)雜地形條件下作戰(zhàn)與訓(xùn)練，對(duì)武器裝備電能保障提出了更高的要求，由于部隊(duì)自身需求的特殊性，其作戰(zhàn)或訓(xùn)練地點(diǎn)具有隨機(jī)性、廣泛性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，尤其在環(huán)境惡劣的多雷區(qū)，受地理及氣候因素影響軍用移動(dòng)電站遭受雷擊的概率非常大，而一旦遭受雷擊不僅其雷電過(guò)電壓對(duì)電站自身造成損傷，甚至通過(guò)電站輸出電纜對(duì)受電裝備造成破壞，輕則影響裝備性能發(fā)揮，重則喪失作戰(zhàn)能力。

通常，軍用移動(dòng)電站具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性，與固定體防雷相比具有其自身的特點(diǎn)：1）軍用電站的外殼是金屬的，對(duì)于其內(nèi)部的電子裝備相當(dāng)于幾乎封閉的屏蔽體，能夠?qū)纂姶琶}沖起到很好的屏蔽作用；2）軍用電站具有金屬車皮和移動(dòng)性的特點(diǎn)，其接地有獨(dú)特的特點(diǎn)，其外殼可作為車內(nèi)加裝浪涌保護(hù)器接地和裝備安全保護(hù)接地，不需單獨(dú)設(shè)立；3）建筑物可以用自身的結(jié)構(gòu)鋼筋作為避雷針接地引下線，軍用電站則需要專門的引下線，同時(shí)也要滿足便于拆卸和重新連接的要求；4）建筑物的信號(hào)電纜一般通過(guò)地下金屬管道進(jìn)入室內(nèi)，對(duì)于軍用電站，由于具有移動(dòng)性的特點(diǎn)，所以電纜都放在地面上，由感應(yīng)雷在電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓相對(duì)建筑物要大；5）軍用電站的體積通常較小，車內(nèi)電子裝備相對(duì)密集，電纜較短，所以在采用多級(jí)浪涌保護(hù)器做感應(yīng)雷防護(hù)時(shí)，應(yīng)重視多級(jí)浪涌保護(hù)器間的配合設(shè)計(jì)，使浪涌保護(hù)器能發(fā)揮正常功效。

由于具有上述的特點(diǎn)，所以軍用電站需建立完整的雷電防護(hù)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)固定體的防雷技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，已有大量的防雷標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。但是國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)軍內(nèi)電站的防雷標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也未見(jiàn)相關(guān)的理論研究。軍用電站雷電防護(hù)通?？煞譃閮煞矫?，即直擊雷防護(hù)和感應(yīng)雷防護(hù)。

1 軍用電站直擊雷防護(hù)技術(shù)研究

部隊(duì)在作戰(zhàn)或訓(xùn)練條件下，軍用電站通常工作在野外環(huán)境，氣候或地理環(huán)境比較復(fù)雜，特別是處于空曠場(chǎng)地時(shí)，遭受直擊雷的概率比較大，需要做好相應(yīng)的防護(hù)措施。直擊雷的防護(hù)主要通過(guò)外部防護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，外部防雷系統(tǒng)由接閃器（避雷針）、引下線、接地裝置（接地線）等組成，缺一不可［2］。接閃器是指直接攔截雷擊，瞬態(tài)過(guò)電以及用作接閃的器具、金屬構(gòu)件和金屬屋面等。目前，防直擊雷都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)作為接閃器，其功能是把接來(lái)的雷電流，通過(guò)引下線和接地裝置引入大地泄放，保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備免受雷害［3－4］。

1．1 避雷針?lè)雷o(hù)范圍計(jì)算

滾球法是美、澳等國(guó)家通常采用的計(jì)算避雷針?lè)雷o(hù)范圍的方法，滾球法是較簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的一種電氣幾何方法［5］。其方法是設(shè)想一個(gè)半徑為hr的球圍繞避雷針左右上下滾動(dòng)，并認(rèn)為可被此球接觸的地方均是可被雷擊中并引起損壞的地方，而避雷針附近未能被此球接觸的空間即為被有效保護(hù)的范圍或空間，即此空間內(nèi)被擊中的概率小，擊中時(shí)也不致引起大的損壞。對(duì)于一般被保護(hù)物，美、澳等國(guó)家均規(guī)定hr＝45 m，對(duì)于重點(diǎn)保護(hù)物則hr＝30 m。如圖1所示，按照滾球法，單支避雷針的保護(hù)范圍應(yīng)按下列方法確定。

圖1 單支避雷針的保護(hù)范圍

當(dāng)避雷針高度h小于或等于地面滾球半徑hr時(shí)，距hr處作一平行于地面的直線，以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交于平行線的A，B兩點(diǎn)；以A，B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切，從此弧線起到地面止就是保護(hù)范圍。保護(hù)范圍是一個(gè)對(duì)稱的錐體；避雷針在hx高度的平面xx′上的保護(hù)半徑，按式（1）計(jì)算。

式中rx表示避雷針在高度hx的平面x x′上的保護(hù)半徑，單位為m。

當(dāng)h＞hr時(shí)，除在避雷針上取hr高度一點(diǎn)代替避雷針針尖作為圓心，其余做法同上。

1．2 軍用電站避雷針架設(shè)仿真分析

應(yīng)合理選擇避雷針架設(shè)的位置、高度及類型，在不影響軍用電站機(jī)動(dòng)性的前提下，確保既不干擾雷達(dá)、通信臺(tái)站、武器裝備等系統(tǒng)的正常工作，又能起到電站防雷的作用，并考慮性價(jià)比。以某型車載方艙軍用電站為防護(hù)對(duì)象，以法國(guó)“克雷士”（CIRRUS）避雷針為模型進(jìn)行了仿真分析研究，仿真條件：雷電流采用波形為10／350μs、幅值為23．8 k A的負(fù)極性雷電流，如圖2所示接地裝置的接地電阻為10Ω；避雷針架設(shè)的高度為2 m，可垂直升降1．5 m，車高度上的保護(hù)半徑約20 m。

一般情況下，當(dāng)軍用電站直接遭受雷擊時(shí)，避雷針提供一條雷電流對(duì)地泄放的合理阻抗路徑，雷電流的巨大能量首先通過(guò)接閃器和引下線將絕大部分雷電流直接引入大地泄散，從而使軍用電站免受直接雷擊損害。但通過(guò)仿真計(jì)算可知，當(dāng)接地裝置的接地電阻分別為10，20，30，40Ω時(shí)，泄入大地的雷電流能量分別為3 930．97，3 144．78，2 830．3，2 358．58 kJ，如圖3所示。可見(jiàn)，避雷針的泄流能力隨接地電阻的增大呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

圖2 雷電流波形圖

圖3 不同接地電阻下避雷針的泄流能量

同時(shí)在仿真的過(guò)程中，還觀測(cè)了交流母線上的三相電壓波形，假設(shè)避雷針進(jìn)行良好的接地，對(duì)地形成比較好的放電通道，設(shè)定接地裝置接地電阻為10Ω時(shí)，如圖4a）所示在t＝0．2 s時(shí)刻雷擊避雷針的瞬間，交流母線上感應(yīng)出的過(guò)電壓峰值為0．491 k V。假設(shè)接地裝置接地不良，設(shè)定接地裝置的接地電阻為120Ω時(shí)，即使安裝了避雷針，如圖4b）所示雷擊避雷針時(shí)交流母線上感應(yīng)出的過(guò)電壓峰值則高達(dá)0．912 k V。

圖4 雷擊避雷針時(shí)交流母線上的三相電壓波形

由圖4a）可以看出，交流母線上的雷擊感應(yīng)過(guò)電壓含有大量的諧波，將A相電壓進(jìn)行傅里葉分析，得到A相電壓的頻譜圖，如圖5所示，其中頻譜圖的橫軸分別表示1～15次諧波，縱軸表示對(duì)應(yīng)各次諧波的幅值?？梢钥闯鼋拥仉娮鑼?duì)避雷針的泄流能力影響非常大，其中包括引下線和接地裝置的合理設(shè)計(jì)，如果這方面做的不好，不但會(huì)引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴(yán)重的還將危及操作人員的生命安全，通常應(yīng)采取多種措施盡量減小引下線阻值，對(duì)于接地裝置可采取等電位連接設(shè)計(jì)，聯(lián)合接地設(shè)計(jì)等［5］。

2 軍用電站感應(yīng)雷防護(hù)技術(shù)

軍用電站傳統(tǒng)的防雷重點(diǎn)是直擊雷，裝備中的雷達(dá)、火控系統(tǒng)、指控系統(tǒng)及指揮所、通信站及測(cè)控站等都采用了大量電子信息設(shè)備，從而使雷擊的性質(zhì)和數(shù)量發(fā)生了顯著的變化，這些電子信息設(shè)備所遭受的雷擊事故多是由于感應(yīng)雷引起的，其作用范圍更大，同時(shí)由感應(yīng)雷造成的雷擊事故數(shù)量也在逐年顯著增加。避雷針不能阻止感應(yīng)雷擊過(guò)電壓、操作過(guò)電壓以及雷電波侵入過(guò)電壓，而這類過(guò)電壓卻是破壞大量電子設(shè)備的罪魁禍?zhǔn)祝?］。

雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時(shí)沖擊能量［7］。而軍用電站與負(fù)載之間是采用電纜連接，目前部隊(duì)針對(duì)軍用電站在防電磁感應(yīng)雷方面還缺少有效的辦法，大多數(shù)軍用電站沒(méi)有安裝針對(duì)電源輸入輸出線、信號(hào)線等部位的防雷保護(hù)器，實(shí)際情況表明，致命的雷電大多都是從上述“線路接口”侵入而導(dǎo)致受電裝備被擊傷、擊毀或出現(xiàn)各種故障，因此為防止雷電波由線路侵入電站或負(fù)載，必須在進(jìn)線保護(hù)段上安裝一種適合于頻繁動(dòng)作、動(dòng)作電壓準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性高的過(guò)電壓保護(hù)裝置以確保電站供電及武器裝備系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

軍用電站內(nèi)部電子設(shè)備密集，對(duì)于周圍空間的電磁場(chǎng)變化非常敏感。雷電流產(chǎn)生的雷電磁脈沖，在軍用電站外連信號(hào)線和電源線上的耦合瞬態(tài)過(guò)電壓，沿線侵入車體內(nèi)部，對(duì)內(nèi)部通信設(shè)備造成感應(yīng)雷的威脅。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)雷擊概率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，受雷電感應(yīng)沿線造成電子裝備的損壞占雷擊事故的90%左右。對(duì)于感應(yīng)雷的防護(hù)主要采取在各耦合端口加裝SPD（浪涌保護(hù)器）來(lái)防護(hù)［8］。在軍用移動(dòng)電站加裝SPD需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選型，當(dāng)采用多級(jí)SPD防護(hù)時(shí)，需考慮其級(jí)間配合問(wèn)題，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)生的操作浪涌。目前，SPD是最好也是最適用的浪涌抑制方法。

圖5 雷擊避雷針時(shí)交流母線A相電壓頻譜圖

3 結(jié) 論

軍用移動(dòng)電站雷電防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在具體實(shí)施時(shí)應(yīng)從裝備的整體出發(fā)，目前軍用移動(dòng)電站雷電防護(hù)還存在諸多困難，一方面，國(guó)內(nèi)尚無(wú)有針對(duì)性的防雷標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，缺乏相關(guān)理論研究，另一方面，由于其工作環(huán)境的復(fù)雜性以及自身的特殊性，給雷電防護(hù)的具體實(shí)施增加許多不利因素，未來(lái)還需要逐步加大對(duì)這些方面的研究力度，為軍隊(duì)裝備機(jī)動(dòng)防雷提供有效的技術(shù)手段。

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1008－1542（2011）12－0104－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：陳書欣

尹志勇（1979－），男，天津人，講師，碩士，主要從事電力工程及其自動(dòng)化方面的教學(xué)與科研工作。