民航空管二次雷達(dá)站綜合防雷

王 強(qiáng)

摘要 通過(guò)對(duì)雷電產(chǎn)生及其危害性的闡述，結(jié)合民航空管二次雷達(dá)站的環(huán)境特點(diǎn)及二次雷達(dá)站設(shè)備的工作特點(diǎn)，從防雷系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和施工、防雷系統(tǒng)及器件維護(hù)等方面建立綜合性防雷的思想。

關(guān)鍵詞 直擊雷；感應(yīng)雷；供電系統(tǒng)；系統(tǒng)維護(hù)

中圖分類號(hào)TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）67-0020-02

0引言

空中交通管制是保證飛機(jī)安全和有秩序飛行的重要手段，二次雷達(dá)作為空中交通管制的重要工具，保證二次雷達(dá)設(shè)備正常運(yùn)行是空中交通管制的關(guān)鍵之一。由于二次雷達(dá)站的地理位置特殊， 雷達(dá)站設(shè)備遭遇雷擊的事故時(shí)有發(fā)生，直接影響雷達(dá)設(shè)備正常運(yùn)行和飛機(jī)飛行安全。因此，對(duì)二次雷達(dá)站進(jìn)行綜合性防雷建設(shè)顯得尤為重要。

1雷電的形成及危害

1.1雷電的形成

雷電是雷云之間或雷云與地面之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。雷云內(nèi)部或者雷云與雷云之間的放電，叫云閃，雷云與大地之間的放電，叫地閃。云閃一般不會(huì)對(duì)人類活動(dòng)造成影響，對(duì)人類活動(dòng)造成影響的主要是地閃。雷擊災(zāi)害就是指由地閃產(chǎn)生的雷電流從云中泄放到大地上造成的危害。通常雷擊有三種形式，直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷。直擊雷是指閃電直接擊在建筑物、大地、防雷裝置、其他物體上，產(chǎn)生電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的雷擊。感應(yīng)雷是指在直擊雷放電過(guò)程中，強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電壓，繼而發(fā)生閃擊現(xiàn)象的二次雷。球形雷俗稱滾地雷，指通常在強(qiáng)雷暴時(shí)出現(xiàn)的外觀呈球狀的一種奇異閃電。由于球狀閃電出現(xiàn)的頻率很低，科學(xué)家難以做系統(tǒng)的觀測(cè)，至今也沒有人拍攝得高質(zhì)量的照片來(lái)作科學(xué)研究。

1.2雷擊產(chǎn)生的破壞

1.2.1直擊雷破壞

當(dāng)雷電直接擊在建筑物上，強(qiáng)大的雷電流使建（構(gòu)）筑物水分受熱汽化膨脹， 從而產(chǎn)生很大的機(jī)械力，導(dǎo)致建筑物燃燒或爆炸。另外，遭受直擊雷的金屬體（包括接閃器、接地引下線和接地體），在引導(dǎo)強(qiáng)大的雷電流流入大地時(shí)，在它的引下線、接地體以及與它們相連接的金屬導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓，對(duì)周圍與它們連接的金屬物體、設(shè)備、線路、人體之間產(chǎn)生巨大的電位差，這個(gè)電位差會(huì)引起閃絡(luò)。在接閃瞬間與大地間存在著很高的電壓，這電壓對(duì)與大地連接的其他金屬物品發(fā)生放電的現(xiàn)象叫反擊。

1.2.2感應(yīng)雷破壞

感應(yīng)雷破壞也稱為二次破壞。它分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種：

1）靜電感應(yīng)雷

帶有大量負(fù)電荷的雷云所產(chǎn)生的電場(chǎng)將會(huì)在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部上感應(yīng)出被電場(chǎng)束縛的正電荷。當(dāng)雷云對(duì)地放電或云間放電時(shí)，云層中的負(fù)電荷在一瞬間消失了，那么在線路上感應(yīng)出的正電荷也就在一瞬間失去了束縛，在電勢(shì)能的作用下，這些正電荷將沿著線路產(chǎn)生大電流沖擊，對(duì)該線路上的設(shè)備造成破壞。

2）電磁感應(yīng)

雷擊發(fā)生在供電線路附近，或擊在避雷針上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)，此交變電磁場(chǎng)的能量將感應(yīng)于在該磁場(chǎng)范圍內(nèi)的電子設(shè)備或設(shè)備電纜上，進(jìn)而對(duì)電子設(shè)備及線路造成破壞。由于避雷針的存在，建筑物上落雷機(jī)會(huì)反倒增加，內(nèi)部設(shè)備遭感應(yīng)雷危害的機(jī)會(huì)和程度一般來(lái)說(shuō)是增加了，對(duì)用電設(shè)備造成極大危害。因此，避雷針引下線通體要有良好的導(dǎo)電性，接地體一定要處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。

2 二次雷達(dá)站的綜合防雷

2.1二次雷達(dá)站的環(huán)境特點(diǎn)

根據(jù)《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)和空中交通管制雷達(dá)站設(shè)置場(chǎng)地規(guī)范》中的規(guī)定，空管二次雷達(dá)的場(chǎng)地應(yīng)開闊、地勢(shì)較高、四周無(wú)嚴(yán)重的地形地物遮擋，并可獲得足夠的高、中、低空覆蓋。因此，二次雷達(dá)站多數(shù)位于山頂或者開闊的平原地帶。以溫州大羅山雷達(dá)站為例，根據(jù)歷史資料，溫州區(qū)域年平均雷暴日為51.3天，屬于強(qiáng)雷區(qū)，而大羅山雷達(dá)站位于海拔700米的大羅山山頂，四周開闊無(wú)遮擋，整個(gè)雷達(dá)站就成了雷電容易襲擊的對(duì)象。

2.2雷達(dá)站供電系統(tǒng)的防雷

由于二次雷達(dá)站多數(shù)位于遠(yuǎn)離城市的山頂或者開闊的平原地帶，在建設(shè)二次雷達(dá)站時(shí)，一般都需要引接或者單獨(dú)建設(shè)配套的供電系統(tǒng)。由于電力部門對(duì)供電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)和施工往往存在不重視、不規(guī)范的毛病，導(dǎo)致供電系統(tǒng)在遭受雷擊后中斷供電，使雷達(dá)信號(hào)保障等級(jí)降低的情況時(shí)有發(fā)生，以溫州大羅山雷達(dá)站為例，因電力部門的防雷設(shè)計(jì)缺陷及施工不規(guī)范，2011年8月，雷達(dá)站供電系統(tǒng)遭雷擊，導(dǎo)致一臺(tái)配電變壓器完全損毀。根據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，2010年全年溫州大羅山雷達(dá)站由于雷擊造成的單路供電中斷6次，雙路供電中斷而使用油機(jī)供電3次，因此有必要對(duì)供電系統(tǒng)的防雷進(jìn)行綜合建設(shè)。

供電系統(tǒng)的防雷重點(diǎn)在于輸電線路防雷及配電變壓器防雷。二次雷達(dá)站的供電系統(tǒng)輸電線路一般采用10kV架空輸電線路或者10kV電纜線路。對(duì)于10kV架空輸電線路的防雷措施主要有以下幾項(xiàng)：1）可架設(shè)避雷線，但由于成本過(guò)高，施工不方便，基本不采用避雷線；2）提高線路絕緣子耐壓水平，將10kV絕緣子換為防雷絕緣子，將大大提高防雷水平；3）在多雷區(qū)應(yīng)按照一定檔距安裝線路避雷器，同時(shí)按照要求做好桿塔的接地，減少雷擊斷線事故。目前國(guó)內(nèi)10kV電纜線路廣泛使用的是交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE），其在潮濕環(huán)境下運(yùn)行形成水樹枝，水樹枝在超高電場(chǎng)的作用下變成電樹枝，高幅值的重復(fù)中擊電壓是加速絕緣劣化并產(chǎn)生電樹貫穿的主要原因。對(duì)電纜加裝鎧裝或者穿金屬管，并且采用性能優(yōu)良的金屬氧化鋅避雷器成為延長(zhǎng)電纜壽命的有效方法。電力電纜由于其本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和與其他電氣設(shè)施連接的要求，采取在電纜終端頭附近安裝避雷器，同時(shí)終端頭金屬屏蔽、鎧裝必須接地良好。

配電變壓器遭雷擊事故的主要原因是由于配電系統(tǒng)遭受雷擊時(shí)的“正反變換”的過(guò)電壓引起，而反變換過(guò)電壓損壞事故尤甚。由于低壓繞組遭受雷擊過(guò)電壓，通過(guò)電磁感應(yīng)變換到高壓側(cè)，引起高壓繞組過(guò)電壓的現(xiàn)象叫“正變換過(guò)電壓”。由于高壓側(cè)遭受雷擊，作用于低壓側(cè)，通過(guò)電磁感應(yīng)又變換到高壓側(cè)，引起高壓繞組過(guò)電壓的現(xiàn)象叫“反變換過(guò)電壓”。在配電變壓器高壓側(cè)裝設(shè)避雷器，能有效防止高壓側(cè)線路遭雷電波侵入而損壞變壓器，工程中常在配變高壓側(cè)裝設(shè)FS-10閥型避雷器。高壓側(cè)裝設(shè)避雷器后，避雷器接地線應(yīng)與變壓器外殼以及低壓側(cè)中性點(diǎn)連接后共同接地，以充分發(fā)揮避雷器限壓作用和防止逆閃絡(luò)。對(duì)于配電變壓器，即使高壓側(cè)裝有避雷器，仍然不可避免來(lái)自高壓側(cè)的反變換過(guò)電壓或來(lái)自低壓側(cè)的正變換過(guò)電壓，在低壓側(cè)裝設(shè)一組避雷器后，正反變換過(guò)電壓就可以受到限制。

2.3雷達(dá)系統(tǒng)的防雷

雷達(dá)系統(tǒng)的綜合防雷應(yīng)遵循“綜合治理、整體防御、突出重點(diǎn)、重點(diǎn)保護(hù)”的原則，充分利用建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將防雷系統(tǒng)的接閃、分流、均壓、屏蔽、布線和接地等六要素與建筑物的結(jié)構(gòu)有機(jī)地組成一個(gè)整體，進(jìn)行綜合治理，并對(duì)電源系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

2.3.1直擊雷防護(hù)

雷電直擊建筑物時(shí)，將引起地電位急劇升高，同時(shí)，雷電流在引下線周圍形成急速變化的強(qiáng)大磁場(chǎng)，感應(yīng)到雷達(dá)機(jī)房?jī)?nèi)通信系統(tǒng)及雷達(dá)設(shè)備，會(huì)對(duì)其安全造成極大危害。防直擊雷的裝置是由接閃器、引下線、接地裝置三部分組成。防雷原理是：由接閃器把強(qiáng)大雷電流接收下來(lái)，然后通過(guò)引下線和良好的接地裝置迅速而安全地把它泄入大地。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-94）及《FAA-STD-019》的標(biāo)準(zhǔn)，雷達(dá)站天線旁邊及雷達(dá)天線罩（有安裝雷達(dá)天線罩的雷達(dá)）均應(yīng)安裝防直擊雷新型避雷針。在雷達(dá)塔臺(tái)邊緣等距離設(shè)置2到4根等高玻璃鋼避雷針。為減少避雷針對(duì)雷達(dá)天線收發(fā)信號(hào)的影響，避雷器支撐桿應(yīng)采用具有良好電磁通過(guò)性的玻璃鋼材料，且玻璃鋼材料支撐桿的高度應(yīng)高于雷達(dá)天線頂端2m以上。接閃器安裝在玻璃鋼支撐桿上，至少要延伸出玻璃鋼頂端2英尺以上，并可靠固定在玻璃鋼桿上。按照《民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》7.2.1.2b規(guī)定，“一、二次雷達(dá)塔的避雷針引下線不應(yīng)少于四條，引下線沿天線罩外壁均勻分布，引下線應(yīng)采用截面積不少于50mm2的多股銅線”。

2.3.2感應(yīng)雷防護(hù)

由于雷達(dá)站機(jī)房?jī)?nèi)的傳輸設(shè)備及雷達(dá)設(shè)備均為使用CMOS大規(guī)模集成電路的弱電設(shè)備，內(nèi)部芯片耐壓水平低，高強(qiáng)度的感應(yīng)雷電脈沖將通過(guò)供電、通信、天饋電纜直接進(jìn)入機(jī)房，對(duì)這些設(shè)備造成極大的損壞。例如：2011年8月，溫州樂(lè)清雷達(dá)站發(fā)生雷擊，由信號(hào)線路進(jìn)入的感應(yīng)雷擊擊壞了Alenia二次雷達(dá)的編碼器和EDR板。雷達(dá)機(jī)房的屏蔽是確保機(jī)房設(shè)備不受雷電感應(yīng)脈沖損壞的重要措施。屏蔽的要點(diǎn)是：1）充分利用建筑物的主體鋼筋，將其設(shè)置成格柵形屏蔽網(wǎng)格，所有鋼筋交叉接點(diǎn)均需點(diǎn)焊接地，使之成為屏蔽網(wǎng)；2）雷達(dá)主機(jī)房所有窗戶亦應(yīng)采用金屬網(wǎng)格窗，網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于200mm×200mm,和墻內(nèi)鋼筋屏蔽網(wǎng)連接形成一個(gè)整體；3）機(jī)房采用靜電地板，板下設(shè)置2mm×30mm規(guī)格的環(huán)型架空鋼帶以備設(shè)備保護(hù)接地及等電位連接用。在做好屏蔽的前提下，對(duì)進(jìn)入機(jī)房的所有供電線路及通信線路需采用加裝鎧裝層或者穿金屬管，同時(shí)在于外界進(jìn)行通信聯(lián)系的設(shè)備線路接口端均應(yīng)安裝通道式避雷器。所有雷達(dá)站天饋設(shè)備的線路接口端均應(yīng)安裝相應(yīng)接口參數(shù)的天饋避雷器。對(duì)于諸如圍界監(jiān)控、電力監(jiān)控等附屬設(shè)備，由于設(shè)備重要性較低，且設(shè)備線路連接貫穿雷達(dá)站，應(yīng)盡量移出雷達(dá)機(jī)房，減少引入雷電波造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3 防雷系統(tǒng)及器件維護(hù)

防雷系統(tǒng)的建設(shè)并非是一勞永逸的工程，諸如接地網(wǎng)的接地電阻變化、避雷器損壞老化、雷雨前后的防雷檢查等問(wèn)題，均需要規(guī)范的制度建設(shè)將工作落實(shí)到日常的維護(hù)工作中。

3.1地線的維護(hù)

地網(wǎng)的接地電阻每年至少進(jìn)行一次測(cè)量，地網(wǎng)的接地電阻標(biāo)準(zhǔn)為≤1Ω，在輔助地級(jí)相對(duì)保持不變的情況下阻值不應(yīng)有太大變化，若測(cè)的阻值較大應(yīng)在半年內(nèi)重復(fù)檢測(cè)，若阻值一直呈直線上升則應(yīng)找出原因。每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)。主要檢查連接處是否緊固、接觸是否良好、接地引下線有無(wú)銹蝕腐爛、接地體附近地面有無(wú)異常，必要時(shí)應(yīng)挖開地面抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理。

3.2避雷器的維護(hù)

對(duì)避雷器進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)，應(yīng)觀察防雷模塊窗口有無(wú)變紅色，模塊有無(wú)變形或拉電弧痕跡，模塊相應(yīng)的熔斷器有無(wú)損壞，避雷器相應(yīng)的開關(guān)或熔斷應(yīng)保證在合閘狀態(tài)，否則避雷器不起作用。雷雨前及雷雨后均應(yīng)及時(shí)檢查避雷器工作情況，發(fā)現(xiàn)有損壞的或者性能下降到無(wú)法滿足防雷要求的防雷模塊，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。雷雨季節(jié)每星期檢查一次，非雷雨季節(jié)每月一次。

4結(jié)論

由于雷擊造成的供電系統(tǒng)中斷以及雷達(dá)設(shè)備損壞已經(jīng)成為民航二次雷達(dá)站雷達(dá)信號(hào)保障的重大不安全因素。因此，對(duì)于民航二次雷達(dá)站的防雷進(jìn)行綜合建設(shè)成為當(dāng)務(wù)之急。本文只是簡(jiǎn)要的對(duì)民航二次雷達(dá)站防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并且對(duì)筆者在雷達(dá)站的實(shí)際工作中積累的一些對(duì)防雷系統(tǒng)及器件的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

參考文獻(xiàn)

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