航天器地面站授時系統(tǒng)雷擊損害機理及防雷設(shè)計

摘 要：本文介紹雷電在航天器地面站授時系統(tǒng)設(shè)備線纜上過電壓的表現(xiàn)形式，分析了傳導(dǎo)過電壓和感應(yīng)過電壓形成機理、理論計算及產(chǎn)生的危害。提出航天器地面站授時系統(tǒng)防雷設(shè)計基本內(nèi)容，包括授時系統(tǒng)室外天線、線纜及機房內(nèi)授時接收設(shè)備具體防雷措施。

關(guān)鍵詞：航天器地面站 授時系統(tǒng) 雷電損害 防雷設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2015）05（a）-0000-00

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，全球平均每秒中發(fā)生65個閃電，每年發(fā)生2.5億個閃電。大約有54%的閃電發(fā)生在北半球。全球陸地平均閃電密度約為8.3個.km2/年，大約是海洋上的3.4倍[1]。2000年雷電災(zāi)害被聯(lián)合國國際減災(zāi)十年委員會公布為最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一，又被稱為“電子時代的一大公害”[2]。

航天領(lǐng)域是信息電子設(shè)備應(yīng)用的最前沿和最尖端的領(lǐng)域之一，該領(lǐng)域的信息電子設(shè)備特點是集成度極高，網(wǎng)絡(luò)交互復(fù)雜，某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障就可能會影響整個任務(wù)質(zhì)量。無論國際還是國內(nèi)，因雷電天氣影響航天器發(fā)射的事件時有報道，因此雷電防護一直是航天信息電子應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱門課題。筆者及其所在小組的工作人員曾對多個航天地面站單位進行調(diào)研，每年雷雨季節(jié)都有單位的信息電子設(shè)備被雷擊壞，集中體現(xiàn)在授時、視頻監(jiān)控和無線通信等系統(tǒng)，本文就從航天器地面站授時系統(tǒng)雷擊損害機理和防雷設(shè)計這個視窗展開分析研究，旨在提高航天器地面站授時系統(tǒng)雷電防護的水平。

1 雷電在授時系統(tǒng)設(shè)備線纜過電壓的形成機理

在發(fā)生雷擊時，強大的雷電流（幾kA～幾百kA）會在其放電中心1km里范圍內(nèi)[3]產(chǎn)生很強的瞬變電磁場，雷電流和這個瞬變電磁場會通過傳導(dǎo)、感應(yīng)等方式在授時系統(tǒng)設(shè)備線纜上產(chǎn)生各種暫態(tài)過電壓。當(dāng)暫態(tài)過電壓沿電源線或信號線等線路進入設(shè)備接口和芯片，就會造成設(shè)備誤動作、性能降級或永久損壞。

1.1傳導(dǎo)過電壓

授時系統(tǒng)室外天線接閃桿或所在建筑物在遭受雷擊時，雷電流將沿引下線流入接地裝置，并最終通過接地裝置流入大地。在此過程中，雷電流將在防雷裝置上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。如果引下線與其周圍授時系統(tǒng)設(shè)備之間的間隔距離不夠，且設(shè)備接地點又沒有與防雷接地裝置等電位連接，兩者就會發(fā)生很高電壓并發(fā)生放電擊穿，造成防雷接地裝置反擊設(shè)備現(xiàn)象。反擊會導(dǎo)致授時系統(tǒng)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至危及室內(nèi)操作人員生命安全。由于這種過電壓主要是因為雷電流沿線路泄放引起的過電壓，因此稱為傳導(dǎo)過電壓。圖1-1為簡要分析傳導(dǎo)過電壓的形成，通過公式1-1可以計算傳導(dǎo)過電壓在某點形成的暫態(tài)過電位。

上式中uA為A點暫態(tài)電位，Ri為沖擊接地電阻，h為A點對地面高度，L0為單位引下線長度的寄生電感，i為雷電流。由上式可分析，暫態(tài)uA含兩部分壓降，取決于雷電流瞬時值的接地電阻上壓降和雷電流波頭上陡度的引下線寄生電感上壓降。由于雷電流的幅值及其波頭上升的陡度很大，uA可以達到很高的值。如果周圍授時系統(tǒng)設(shè)備線纜與其沒有足夠的安全距離，雷電壓就有可能擊穿線纜絕緣（因為設(shè)備線纜絕緣設(shè)計是不考慮雷電壓絕緣）進行放電，進而在設(shè)備線纜上形成傳導(dǎo)過電壓。

1.2感應(yīng)過電壓

感應(yīng)過電壓主要分為磁場感應(yīng)過電壓和電場感應(yīng)過電壓，前者是雷電感應(yīng)過電壓主要表現(xiàn)形式。磁場感應(yīng)過電壓是指當(dāng)授時系統(tǒng)接閃桿或所在建筑物遭受直擊雷時，在建筑物防雷系統(tǒng)中流過的暫態(tài)電流或雷電放電通道中的雷電流將在周圍產(chǎn)生的瞬變脈沖暫態(tài)磁場，這種快速變化的磁場鉸鏈這些回路后，將在授時系統(tǒng)回路中感應(yīng)出暫態(tài)過電壓。電場感應(yīng)過電壓是指一條架空線路（電源或信號線路）位于雷擊點附近或上空有雷雨云經(jīng)過，在負(fù)極性雷放電的先導(dǎo)階段，先導(dǎo)通道中綜合了負(fù)電荷，它對架空線產(chǎn)生靜電感應(yīng)作用，使架空線上距先導(dǎo)通道近的部分累積起正電荷，或在雷雨云在架空線上感應(yīng)出與其底部相反的正電荷，這些正電荷受先導(dǎo)通道中或雷雨云底部的負(fù)電荷束縛，而架空線上的負(fù)電荷將被排斥到線路的遠(yuǎn)端，經(jīng)線路泄漏電阻或系統(tǒng)中性點入地[4]。當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展達到地面后，主放電開始，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被自上而下地迅速中和或雷雨云迅速消散，從而使架空線路上原先被束縛的正電荷被迅速釋放，形成暫態(tài)過電壓。圖1-2，簡要分析某建筑物內(nèi)某一導(dǎo)體回路磁場感應(yīng)過電壓，并通過式（1-2）和（1-3）可計算回路中任意一點磁通量和回路中感應(yīng)過電壓。

2航天器地面站授時系統(tǒng)防雷設(shè)計的基本內(nèi)容

2.1室外天線裝置雷電防護

航天器地面站授時系統(tǒng)室外天線多數(shù)是安裝在屋面，且高出屋面女兒墻接閃帶，因此應(yīng)安裝獨立接閃桿保護，防止天線裝置遭受直擊雷造成其物理損害。接閃桿金屬桿體或引下線應(yīng)與屋面接閃帶不少于2點電氣連接。接閃桿與天線安全間隔距離符合式（2-8）要求。對有內(nèi)設(shè)集成電路或晶體管電路的天線（如GPS、北斗）或信號放大器應(yīng)在天線接口安裝天饋電涌保護器，天線應(yīng)安裝屋面中部。

接閃桿保護范圍應(yīng)采取電氣幾何模型數(shù)值計算，工程計算可按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010附錄D進行，下面依單根接閃桿保護范圍為例介紹計算方法，并推導(dǎo)接閃桿高度計算公式。

式（2-1）為單根接閃桿地面保護范圍計算，式（2-2）為接閃桿在被保護物高度面的保護范圍計算，式（2-3）為推導(dǎo)出接閃桿高度計算。上述式中h為接閃桿高度，單位m，hr接閃桿滾球半徑，取28m（考慮，hr=10I0.65=28.46≈28m，I選擇5kA主要考慮國內(nèi)天饋電涌保護器一般標(biāo)稱放電電流In都在5kA左右，即使對5kA以下雷電流接閃桿攔截失效擊中天線上，設(shè)備天饋線纜上的電涌保護器在線纜無屏蔽層或屏蔽層接地不良的情況下也可以承受，將雷電流安全泄入大地）。

式（2-8）為接閃桿與天線安全間隔距離工程簡化公式，其中Ri為沖擊接地電阻，通過測量天線所在建筑防雷接地工頻接地阻值后，按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010附錄C規(guī)定系數(shù)進行轉(zhuǎn)換即可求得，hX為天線距離屋面垂直高度，為了考慮安全期間，當(dāng)通過式（4-8）計算后數(shù)值小于3m的應(yīng)取3m。

2.2線纜雷電防護

（1）室外屋面電纜敷設(shè)應(yīng)安裝在金屬屏蔽槽（管）內(nèi)，金屬屏蔽槽和管在屋面中部敷設(shè)，應(yīng)多點接地，遠(yuǎn)離屋面防雷裝置。

（2）機房內(nèi)電纜敷設(shè)應(yīng)盡量集中在建筑物中部，發(fā)生雷擊時，建筑物中部暫態(tài)電磁場相對較小。

（3）注意線纜屏蔽層的連續(xù)性并良好接地，屏蔽層接地盡量與機柜接地排連接。

2.3機房內(nèi)設(shè)備雷電防護

（1）機房內(nèi)授時系統(tǒng)設(shè)備電源和天饋接口要安裝適配的電涌保護器，電涌保護器是目前解決設(shè)備線纜過電壓最有效的途徑，同時也是信息電子設(shè)備雷電防護設(shè)計的核心。電涌保護器主要技術(shù)參數(shù)（沖擊電流、電壓有效保護水平）等應(yīng)通過式（2-9—2-13）計算后確定。

（2）機房應(yīng)安裝Mm型防雷接地網(wǎng)，內(nèi)部網(wǎng)格邊長宜在0.6—3m范圍內(nèi)，為了考慮接地線長度可能出現(xiàn)干擾頻率波長的1/4或其奇數(shù)倍時產(chǎn)生諧振，呈現(xiàn)高阻，出現(xiàn)接地線失效的情況，設(shè)備金屬外殼或?qū)Ｓ媒拥嘏沤拥鼐€長度應(yīng)小于設(shè)備工作波長1/20或機柜對角兩條線與接地網(wǎng)連接，兩線相差20%。

3結(jié)論

通過雷擊航天器地面站授時系統(tǒng)損害機理及防護的研究，本文得出以下列主要結(jié)論：

（1）雷電在電氣和電子設(shè)備線纜上過電壓形成主要是因為雷電流及其形成暫態(tài)電磁場在設(shè)備線路或回路中的傳導(dǎo)和感應(yīng)效應(yīng)。

（2）推導(dǎo)出雷電在受時系統(tǒng)線纜上傳導(dǎo)過電壓和感應(yīng)過電壓計算公式。

（3）提出了航天器授時系統(tǒng)防雷設(shè)計基本要點。

參考文獻

[1]許曉峰、郭虎等，《國外雷電監(jiān)測與預(yù)報研究》，氣象出版社，2003

[2]王昂生，大氣災(zāi)害學(xué)[J]。地球科學(xué)進展，1991，6（5）：74-75

[3]張小青，《建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護》，電子工業(yè)出版社，16-17

[4]張小青，《建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護》，電子工業(yè)出版社，16-17

[5]《雷電防護 第2部分：風(fēng)險管理》GB/T21714.2-2008/IEC62305-2：2006

[6]《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010