衛(wèi)星地球站防雷系統(tǒng)淺析

+ 林爾雄(廣東廣播電視衛(wèi)星地球站)

一、概述

雷電發(fā)生在因強對流天氣而形成的雷云之間、云對地之間強烈瞬間放電的自然物理現(xiàn)象。隨著社會的進步和微電子業(yè)的迅猛發(fā)展，雷電災(zāi)害也隨之呈現(xiàn)上升趨勢，由此帶來的損失也日益增大，因此被國際電工委員會稱為“電子化時代的一大公害”。廣州是雷雨多發(fā)地區(qū)，廣播電視衛(wèi)星發(fā)射傳輸系統(tǒng)由于微電子設(shè)備集成度高，各種信號源線路和播出設(shè)備非常多，同時播出設(shè)備普遍存在的絕緣強度低，過電壓和過電流耐受能力差，對雷電引起的外部侵入造成的電磁干擾較為敏感等弱點，特別容易遭受雷電侵害。一旦遭受雷電侵害，不僅會造成嚴重的經(jīng)濟損失，還會造成重大的政治影響。因此，廣播電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)雷電防護十分重要，是保障衛(wèi)星發(fā)射傳輸系統(tǒng)工作的重要一環(huán)。下面根據(jù)工作實踐簡單談?wù)勑l(wèi)星地球站的防雷系統(tǒng)。

二、雷電破壞途徑

對廣播電視衛(wèi)星傳輸發(fā)射系統(tǒng)造成破壞的雷擊主要有兩類，即直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷主要破壞的是建筑物及天線等室外設(shè)備，而室內(nèi)的儀器設(shè)備則易遭受感應(yīng)雷的侵害。

直擊雷：雷電若直接擊中建筑物，50%左右的能量將會從引下線等外部避雷設(shè)施泄放到大地，其中接近40%的能量將通過建筑物的供電系統(tǒng)分流， 5%左右的能量通過建筑物的通信網(wǎng)絡(luò)線纜分流，其余的雷擊能量通過建筑物的其他金屬管道、纜線分流。雷電流經(jīng)過具有電阻或電感的物體時產(chǎn)生很大的電壓降和感應(yīng)電壓，破壞絕緣，使雷電流通過，所到之處物體受熱汽化、劇烈膨脹，產(chǎn)生超強大沖擊性機械力，破壞人體組織、建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等。

感應(yīng)雷（雷電波感應(yīng)）：感應(yīng)雷又叫二次雷擊，它對設(shè)備的損害沒有直擊雷來得猛然，但它要比直擊雷發(fā)生的機率大得多。感應(yīng)雷可以通過自動站的電力電纜、數(shù)據(jù)采集線路等侵入，由于電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應(yīng)雷造成的危害十分突出。感應(yīng)雷可以分為雷電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)兩種。衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的電子設(shè)備主要會受到感應(yīng)雷擊造成的損壞。電磁感應(yīng)雷是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強磁場引起的，這種迅速變化的磁場可以在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動勢，從而損壞設(shè)備，“電磁感應(yīng)雷”占雷擊率近90%，危害范圍甚廣。靜電感應(yīng)雷是由于帶電積云接近地面，在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部感應(yīng)出大量電荷引起的。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，精密儀器、通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，因而感應(yīng)雷造成的雷擊事故也越來越多，除直接造成了巨大的經(jīng)濟損失外，因重要設(shè)備損壞使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。

三、各種雷擊的防護措施

國際電工委員會IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》把雷電保護區(qū)從外到內(nèi)劃分成LPZ OA、LPZ OB、LPZ1、LPZ2、LPZ3等，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，不同的雷電防護分區(qū)采用不同的防護方法，設(shè)置各部分的等電位體，劃分B、C、D三級浪涌保護防雷界限。具體到防雷措施時，雷電防護一般分為外部防雷保護和內(nèi)部防雷保護，外部防護主要是防護直擊雷，保護的是LPZ OB區(qū)，采用的技術(shù)包括接閃、引下線、接地和建筑物的屏蔽。內(nèi)部防護主要是防護感應(yīng)雷，保護的是LPZ1、LPZ2、LPZ3區(qū)，基本的防護技術(shù)包括等電位均壓、屏蔽、分流(浪涌保護)。

（1）接閃

接閃器，是用來接受直接雷擊的金屬導(dǎo)體，其作用是將雷電引向自身，為雷云的放電提供通路，并將雷電流泄入大地，從而使受保護的物體免受雷害的裝置。接閃器分為避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)，其接閃原理都是一致的。

（2）接地

接地就是讓已經(jīng)進入防雷系統(tǒng)的雷電電流順利地流入大地，良好的接地才能有效地泄放雷電能量，降低引下線上的電壓，避免發(fā)生地電位反擊。防雷接地是防雷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，也是防雷安裝驗收規(guī)范中最基本的安全要求。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能發(fā)揮出效應(yīng)。

（3）等電位均壓

接閃裝置在接閃雷電時會吸引強大的雷電流，因為引下線接地電阻的存在，所以會在引下線產(chǎn)生很高電位，同時也會對防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)，并使其電位升高，進而對人員和設(shè)備構(gòu)成危害。為了減少這種閃絡(luò)危險，最簡單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導(dǎo)體等電位連接起來，共同接地，這樣在雷電流通過時，室內(nèi)的所有設(shè)施形成一個等電位體，確保導(dǎo)電部件之間不產(chǎn)生有害的電位差。完善的等電位連接還可以防止雷電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊。

（4）屏蔽

屏蔽是防止雷電電磁脈中輻射對電子設(shè)備影響的最有效方法，利用金屬網(wǎng)或者金屬殼等導(dǎo)體把需要保護的對象包圍起來，截斷雷電電磁脈沖波直接入侵的通道。所有的屏蔽套、殼等均需要接地，但要真正對所有設(shè)備有效地屏蔽存在很大的困難。

（5）分流

這是現(xiàn)代防雷技術(shù)迅猛發(fā)展的重點，是保護各種電子設(shè)備或電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵措施。所謂分流就是在一切從室外來的導(dǎo)體與防雷接地裝置或接地線之間并聯(lián)一種適當(dāng)?shù)睦擞恳种贡Ｗo器(SPD)，當(dāng)直擊雷或雷擊效應(yīng)在線路上產(chǎn)生的過電壓波沿這些導(dǎo)線進入室內(nèi)或設(shè)備時，SPD避雷器的電阻突然降到近似短路的低值，雷電流就由此處分流入地了。雷電流在分流之后，仍會有少部分沿導(dǎo)線進入設(shè)備，這對于一些不耐高壓的微電子設(shè)備來說是很危險的，所以對于這類設(shè)備在導(dǎo)線進入機殼前，應(yīng)進行多級分流。

四、衛(wèi)星地球站防雷系統(tǒng)的設(shè)計

（1）外部防雷

主要防止建筑物、樓頂天線陣和凸出物受直擊雷侵害，由接閃器、引下線和接地裝置組成。

1) 樓頂避雷針的設(shè)計

圖1 廣東廣播電視衛(wèi)星地球站的避雷針設(shè)置

我站的接收天線陣位于機房樓頂根據(jù)樓頂建筑結(jié)構(gòu)和天線陣的分布(如圖 1)，我們采用在樓頂架設(shè)兩根附屬避雷針的方法，構(gòu)成樓頂聯(lián)合防護系統(tǒng)，這樣可達到更好的防護效果又便于施工和降低成本。避雷針位于樓房的頂層，其根部和樓板鋼筋結(jié)構(gòu)相連通，再通過樓房四周的柱體鋼筋結(jié)構(gòu)分流，將雷電流經(jīng)過引下線導(dǎo)入環(huán)形地網(wǎng)下面的接地極泄放電流。避雷針的防護范圍既能覆蓋機房建筑物，也能覆蓋到天線陣的凸出設(shè)施，同時，又能避免避雷針作為主動引雷裝置。當(dāng)安裝獨立的避雷針時 ,衛(wèi)星發(fā)射、接收天線與防雷裝置的距離必須大于3米。

2) 引下線

避雷針和樓頂避雷帶到地網(wǎng)之間的導(dǎo)體稱為引下線，引下線用來泄放強大的雷電電流，根據(jù)防雷規(guī)范的要求，從接閃器到接地體應(yīng)沿著建筑物四個角落引下線，多點下地可減少接地電阻，提高接地的可靠性，同時，減少強大雷電流在下地過程中產(chǎn)生的強大電磁感應(yīng)危害。我們使用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼引接下地，引下線離其他導(dǎo)體和人體走動的地方最少3米的距離，在下地之前應(yīng)做好屏蔽保護措施，并涂上黑色標(biāo)志。每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于4Ω。

3) 構(gòu)建有效的環(huán)形接地體

良好的接地體（接地極），是有效防雷的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。接地體的“地”指的就是大地，當(dāng)金屬導(dǎo)體接入大地，導(dǎo)體對地泄放電流，接地電流會輻射狀流入大地，在距離接地體15～20米處電流基本減少為零，也就是說在離接地極15～20米處的電位差幾乎為零，接地點到大地土壤的接地電阻及散流路徑上土壤的電阻構(gòu)成，要實現(xiàn)可靠的接地就應(yīng)盡量地減少接地電阻。接地體首先應(yīng)充分利用建筑物的自然接地體，建筑物內(nèi)部的鋼筋通過焊接和埋地基構(gòu)成自然接地體，同時也對室內(nèi)構(gòu)成雷電防護的法拉第屏蔽網(wǎng)。在接地要求較高的地球站，因為土壤導(dǎo)電率較低，為了降低接地電阻，還應(yīng)構(gòu)建可靠的環(huán)形接地網(wǎng)，在距離機房大樓3～5米的環(huán)形帶上(如圖2)，每隔15～20米的距離挖掘深度約2.5米的坑(如圖3)，把星狀地極埋入深坑，在比較干燥的地方放入適當(dāng)?shù)哪咎炕蛘呤秤名}等降阻劑，并在離地面不少于0.7米溝內(nèi)，用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼把各個地極焊接連成環(huán)形地網(wǎng)，然后恢復(fù)土層和草皮覆蓋，確保地網(wǎng)與大地有效地融合。

(2)內(nèi)部防雷

衛(wèi)星發(fā)射機房內(nèi)部雷害主要是雷擊電磁脈沖(LEMP)和雷電沿各種管線侵入 ,造成干擾衛(wèi)星發(fā)射信號或線路侵入損壞設(shè)備以及人員的傷害。根據(jù) IEC國際標(biāo)準(zhǔn)對能量逐級吸收的理論,及防護區(qū)間量級分類的原則 ,需要做多級防護。在地球站有著大量精密的設(shè)備，抗干擾能力較弱，室內(nèi)外的通訊和供配電線路多，存在多種感應(yīng)雷的侵入通道，對設(shè)備的運行造成嚴重的威脅。內(nèi)部防雷的目的是減少和防止雷電流在需防空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，采用浪涌保護器、屏蔽和等電位連接方法，主要防護設(shè)施包括供配電系統(tǒng)和進入室內(nèi)的各種小信號傳輸路徑。

（1）采用浪涌保護器

浪涌保護器在現(xiàn)代防雷中的應(yīng)用非常廠泛，它采用高吸收能量的分流限幅避雷器將雷電過電壓脈沖能量分流泄入大地，達到保護的目的?，F(xiàn)在大多采用的是氧化鋅壓敏電阻器(MOV)，氧化鋅壓敏電阻的特性是在電壓超過一定上限的時候，電阻呈近似擊穿的低值，從而泄放過電壓的雷電流，而且泄壓過后又可恢復(fù)高阻狀態(tài)，利用這一特性，人們開發(fā)了各種用途的SPD，包括電源防護SPD和小信號防護SPD。不同用途的浪涌保護器有不同的參數(shù)，主要的參數(shù)有：標(biāo)稱電壓Un、額定電壓Uc、額定放電電流Isn、最大放電電流Imax、響應(yīng)時間tA等。在不同的應(yīng)用地方，可選擇不同工作參數(shù)的保護器。

首先是供配電系統(tǒng)分級防雷，IEC61312定義了防雷的保護分區(qū)，根據(jù)《建筑物防雷規(guī)范》(GB50057—94)要求需要在每個分區(qū)的交界處，安裝相對應(yīng)的防雷器，在電源線進入技術(shù)樓配電柜前安裝B級(即首級)防雷器.在電源進入UPS機房之前安裝C級(即次級)防雷器，在機房配電柜的設(shè)備前端安裝D級(即末級)防雷器。利用分級的防雷器，層層泄放雷電或感應(yīng)過電壓，逐級減低浪涌殘壓，從而保護用戶端設(shè)備，一般電源線路可逐級選用額定放電電流為60KA、40KA、20KA的保護器SPD，同時為了防止持續(xù)過壓電流燒毀保護器，電源保護SPD還應(yīng)和空氣開關(guān)串聯(lián)使用。另外，按照高壓防雷標(biāo)準(zhǔn)，高壓防雷一般采用陶瓷閥值浪涌防雷器，在架空高壓線路受雷電侵入時，泄放過高的雷電壓。在高壓配電房、綜合配電和發(fā)電機房的輸入端都應(yīng)該安裝浪涌防雷器SPD，減少不同建筑物之間電源線路受到的雷電侵害。天線陣引入電纜，雖然天線陣受到樓頂避雷針的保護，同軸電纜受金屬橋架的屏蔽保護，但如果受到強大的雷電磁波的感應(yīng)，仍可能在引入電纜上疊加過電壓，對于高阻抗的接收機和高頻頭仍存在潛在的威脅，因此.電纜的入戶地方可選用小信號浪涌避雷器，減少雷電流進入機房造成危害。一般可以選擇適合通路工作頻率，放電電流10KA或者5KA的小信號SPD。

(2)等電位連接，防止地電位的反擊

等電位連接的目的在于減少需要防雷的空間內(nèi)各金屬物與各系統(tǒng)之間的電位差。當(dāng)感應(yīng)過電壓通過某一接地導(dǎo)體侵入室內(nèi)，因為這一接地導(dǎo)體的接地電阻和分布在引下線的電感的存在，致使這一接地導(dǎo)體的電壓瞬間抬高。如果沒有等電位連接，一方面可能擊穿這一接地導(dǎo)體所連接的設(shè)備；另一方面，瞬間的高壓也會引起這一導(dǎo)體對其他導(dǎo)體或者附近的人體放電，造成人身危險和到處打火現(xiàn)象，所以，必須對各接地體進行等電位連接。當(dāng)某一接地體受到過電壓侵入或者受地電位的反擊時，能同時抬高整個等電位體的電壓，從而消除各導(dǎo)體之間有害的電位差。但是，并不是進行了等電位連接就能消除入侵的雷害。過高的等電位過電壓仍可能造成過電壓對設(shè)備中的電源放電，致使設(shè)備被擊穿。如何解決等電位電壓過高的問題呢？最有效的方法是等電位體有效的多點接地，盡量降低等電位體的接地電阻。各種設(shè)備、各種接地體星型連接到總的等電位體或者局部等電位體，總的等電位體多點重復(fù)下地，并形成閉合的接地環(huán)，局部等電位體有效地多點連接到建筑物地體，并多點連接到總的閉合等電位體，從而有效的降低接地電阻和減少引下線的電感效應(yīng).減少地電位的反擊。地球站的機房在二樓，我們通過環(huán)機房建筑物構(gòu)建環(huán)形等電位接地環(huán)，機房通過20mm×2mm 銅皮構(gòu)成局部等電位體，確保等電位體的接地電阻都在1歐以下。

接地的種類除防雷接地外，還有交流工作接地、保護接地、直流接地、過電壓保護接地、防靜電接地、屏蔽接地等，在等電位連接中，均應(yīng)共同接地，形成等電位連接體。

綜上所述，衛(wèi)星地球站防雷系統(tǒng)應(yīng)采取綜合防雷措施，即直擊雷防護措施、等電位連接措施、屏蔽措施，規(guī)范地綜合布線、設(shè)計安裝SPD、接地系統(tǒng)。避雷針是引雷針，可防直擊雷，但也把雷引過來，增加了電子設(shè)備的感應(yīng)雷擊次數(shù)，不安裝防感應(yīng)雷擊器件，電子設(shè)備會更容易被雷擊。天線場到室內(nèi)設(shè)備的電源線、信號線、天饋線兩端都應(yīng)當(dāng)增裝防感應(yīng)雷擊的浪涌保護器。

1. GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000年版)。

2. GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》。

3. GB50200-94《有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》。

4. IEC 61024-1：1990《建筑物防雷》 第1部分通則。

5. IEC 61312-1：1995《雷電電磁脈沖的防護》 第1部分通則。

6. IEC/TS 61312-2：1999《雷電電磁脈沖的防護》第2部分建筑物的屏蔽、內(nèi)部等電位連接和接地。