海島雷達(dá)站綜合雷電防護(hù)方法與實(shí)踐

◎ 梁漢軍 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心

肖群安 黃兵 廣州市維林科技發(fā)展有限公司

海島雷達(dá)站綜合雷電防護(hù)方法與實(shí)踐

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海島雷達(dá)站所處位置雷暴日多，雷電強(qiáng)度大，防護(hù)難度大。按照常規(guī)的防雷方法，難以達(dá)到滿意的保護(hù)效果，本文分析海島雷達(dá)站的雷電特點(diǎn)，采取新的思路和有效方法，減弱了雷電對(duì)基站設(shè)備的沖擊強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行全方位保護(hù),效果良好。

海島雷達(dá)站 雷電浪涌干擾源 專用屏蔽電纜 雷電波頻譜 殘壓隔離變壓器 濾波回路

1.前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣東省珠海市年雷暴日達(dá)62天。桂山島距離珠海市海岸線30千米。廣東海事局在桂山島山頂建有一座無人職守的雷達(dá)站，站內(nèi)設(shè)備敏感而重要。該站位置偏遠(yuǎn)、地質(zhì)條件差，防雷施工難度大。2001年之前，該站已由多家防雷單位實(shí)施了防雷整改，效果欠佳，曾因多次雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞，直接影響到海事日常監(jiān)管工作。

廣東海事局針對(duì)上述情況，會(huì)同廣州市維林科技發(fā)展有限公司（下簡(jiǎn)稱“維林公司”），自2001年起，立足實(shí)際情況，遵照國內(nèi)外防雷標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用先進(jìn)的防雷理念，對(duì)基站實(shí)施了整體防雷改造和完善，防雷效果良好。下文將本項(xiàng)目的勘察、設(shè)計(jì)、施工過程做一介紹。

2.技術(shù)分析

通過聯(lián)合勘察雙方達(dá)成了以下共識(shí)：

（1）海島的地理環(huán)境特性決定了該區(qū)域雷電特別頻繁、雷擊能量特別大。雷擊幾率大：在N=kNgAe雷暴日計(jì)算公式中，平地k為1，而位于山頂上的孤立建筑物系數(shù)取2。海島取值更高。雷擊通流量大：基站是山頂唯一的建筑物，一旦遭受雷擊，全部雷電能量將通過本建筑物泄放。

（2）如何減少避雷針引發(fā)的雷電浪涌干擾是首要因素。根據(jù)IEC61312-3《雷電電磁脈沖的防護(hù)》第三部分：浪涌保護(hù)器的要求附錄A1、低壓系統(tǒng)中影響雷電流分布的因素1.4并接用戶的影響：“……在一幢建筑物的情況下，流入低壓系統(tǒng)的雷電流約占總雷電流的50%，而在并聯(lián)用戶系統(tǒng)情況下，此值最高可升至70%……”。規(guī)范認(rèn)為至少有50%的直擊雷能量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)能量，感應(yīng)到電源線、信號(hào)線上。

外部防雷雖然可使被保護(hù)物免受直接雷損壞，但泄放過程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電磁場(chǎng)。站內(nèi)線路多沿墻壁布置，無金屬屏蔽線槽，沒有設(shè)置安全距離，受到雷電電磁場(chǎng)感應(yīng)的幾率極大。所以方案設(shè)計(jì)時(shí)首先要解決如何盡量減少接閃器引發(fā)的雷電浪涌干擾。

（3）如何發(fā)揮浪涌保護(hù)器的保護(hù)作用是實(shí)現(xiàn)良好防雷效果的技術(shù)路徑。電子設(shè)備運(yùn)行安全，要求經(jīng)過浪涌保護(hù)器保護(hù)后的電流值、電壓值均在設(shè)備能承受的范圍內(nèi)，其變化的陡度也需平緩，急升急降均會(huì)影響設(shè)備的壽命。怎樣有效地選擇電源浪涌保護(hù)器，并與其它防雷設(shè)備組合使用，從而減輕對(duì)浪涌保護(hù)器的壓力是我們必須尋求的技術(shù)方法和路徑。

（4）基站巖石多、土層薄、水位低，地網(wǎng)的阻值很難降低，海島氣候?qū)е碌母g比較嚴(yán)重，要考慮如何實(shí)現(xiàn)良好的雷電能量泄放效果。

（5）海島的空氣中含鹽量高，對(duì)鋼材的腐蝕性很大，要考慮如何防止減少其對(duì)室外線路的腐蝕。

3.方案設(shè)計(jì)及施工

針對(duì)上述問題和思路，我們提出以下設(shè)計(jì)方案及施工注意事項(xiàng)：

（1）直擊雷改造。針對(duì)避雷針引下雷電過程中引發(fā)的強(qiáng)干擾源（感應(yīng)源）的問題，解決辦法如下：采用獨(dú)立的、帶屏蔽功能的引下線，避開設(shè)備多的位置，直接接入地網(wǎng)。

具體設(shè)計(jì)方案如下：①之前建筑物只安裝了避雷針，無避雷帶。本方案在天面及各樓層分別安裝了避雷帶。②拆除之前的主動(dòng)式避雷針，改用傳統(tǒng)圓銅避雷針。③避雷針雷電流引下線采用某國外公司生產(chǎn)的專用屏蔽同軸電纜引下與主地網(wǎng)連接。

選擇專用屏蔽同軸電纜作為引下線，好處是：

第一，可自由選擇引下線的安裝位置，引下線從遠(yuǎn)離機(jī)房的一側(cè)引下。

圖1　 專用屏蔽同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　 專用屏蔽電纜的數(shù)據(jù)

圖3　

表1　

圖4　 雷達(dá)站防雷總平面圖

第二，由于引下線采用多層屏蔽技術(shù)，內(nèi)芯電壓高，電流大，但外層由于沒有直接與內(nèi)芯導(dǎo)體直接連接，外層電壓極低，內(nèi)部電磁場(chǎng)的感應(yīng)也大大地降低了。

第三，專用屏蔽電纜的阻抗極小，只有同截面積導(dǎo)體的幾十分之一。雷電流經(jīng)時(shí)，電壓值也同比可降低數(shù)十倍。

專用屏蔽電纜的數(shù)據(jù)如圖2。（電感是22nH/m）。

傳統(tǒng)引下線（以35mm2銅線為例)的數(shù)據(jù)如下：其中電感是1.6H/m＝1600nH/m，當(dāng)通過變化率為10GA/s（1010安培/秒），單根60米引下線電壓快速上升到超過一百萬伏如圖3。

傳統(tǒng)引下線與專用屏蔽同軸電纜，在雷擊時(shí)的電壓對(duì)比，如表1。

第四，專用屏蔽電纜的本站引入點(diǎn)在地網(wǎng)的外沿，這樣對(duì)站內(nèi)的設(shè)備電位影響也降至最低。

施工注意事項(xiàng)：引下線安裝時(shí)應(yīng)避開設(shè)備多的位置，直接接入地網(wǎng)。電纜固定時(shí)，彎曲半徑有特定的要求。

各樓層的避雷針帶均采用銅材。

雷達(dá)站防雷總平面示意圖4如下。

（2）電源感應(yīng)雷改造。

①針對(duì)電源上雷電通流量大的情況，在電源進(jìn)入低壓配電柜前，先接入一種感性元件設(shè)備：隔離變壓器。

雷電波頻譜是研究避雷的重要依據(jù)，根據(jù)相關(guān)資料，90%以上雷電能量分布在頻率10多KHz以下。簡(jiǎn)單的說，遭受雷電感應(yīng)的供電線路信號(hào)由工頻的電源和10多KHz以下的雷電浪涌?jī)刹糠纸M成。

在電源線路進(jìn)入基站后，首先接入隔離變壓器。隔離變壓器的主要作用是：使一次側(cè)與二次側(cè)之間只有電磁耦合，電氣上完全絕緣，也使雷達(dá)站供電回路與外網(wǎng)隔離，消除地電位反擊。另外，利用其鐵芯的高頻損耗大（磁飽和、磁滯等現(xiàn)場(chǎng)）的特點(diǎn)，從而抑制高次諧波、高頻雜波（在此主要是雷電浪涌）傳入二次側(cè)。

②針對(duì)電源殘壓偏大的情況：在電源進(jìn)入低壓配電柜前，增加一大通流量、低殘壓的限壓型電源浪涌保護(hù)器。

開關(guān)型浪涌保護(hù)器與限壓型浪涌保護(hù)器相比，動(dòng)作時(shí)間慢且通常有較高的殘壓，其對(duì)敏感的電子設(shè)備的保護(hù)仍難以達(dá)到良好的效果。我們除保留之前安裝的第一級(jí)開關(guān)型浪涌保護(hù)器外，增加了一套一大通流量、低殘壓的限壓型國外其品牌的電源浪涌保護(hù)器，它的每相通流量為135KA（8/20uS），殘壓僅為600V。兩者配合使用，發(fā)揮各自的特性，如5所示。

③針對(duì)電源線路浪涌上升陡度太急的情況：在末端電源線路上安裝了智能LC濾波回路（如下圖6、圖7所示），為設(shè)備提供安全潔凈的電源。

普通浪涌保護(hù)器是一種電壓觸發(fā)型電子元件，只具備箝位的功能。本次設(shè)計(jì)了帶LC濾波回路串聯(lián)型末級(jí)浪涌保護(hù)器，可特別對(duì)雷電高次諧波進(jìn)行對(duì)地泄入。本LC濾波線路設(shè)計(jì)對(duì)工頻信號(hào)不發(fā)生動(dòng)作，只對(duì)10KHz以下的雷電浪涌發(fā)生濾波作用。殘壓可達(dá)到300V左右。電源電壓變化陡度由3000V/us，降低到5V/us。

施工注意事項(xiàng)：

一是安裝浪涌保護(hù)器時(shí)，盡可能進(jìn)行K型接線。

二是浪涌保護(hù)器件的接地線，其主干線由地網(wǎng)引上。與原有強(qiáng)電、弱電線槽保持安全距離，防止二次感應(yīng)。

（3）信號(hào)感應(yīng)雷改造?；驹械男盘?hào)浪涌保護(hù)器，效果不佳，進(jìn)行了更換。新的信號(hào)浪涌保護(hù)器采取了多級(jí)防護(hù)并帶高速箝位裝置的某國外公司生產(chǎn)信號(hào)浪涌保護(hù)器（如下圖8所示），保護(hù)效果更好。

（4）地網(wǎng)改造。在雷達(dá)站四周，安裝多圈人工地網(wǎng)，地網(wǎng)設(shè)計(jì)為閉合型，并安裝了兩條放射線水平地網(wǎng)，材料全部采用銅材，水平接地體為90平方裸銅纜，考慮到土層較薄，垂直接地體采用銅板，焊接工藝采取放熱焊接。這樣可避免傳統(tǒng)地網(wǎng)施工材料（鍍鋅鋼材）易腐蝕的不足之處，確保50年以上的地網(wǎng)使用壽命。

（5）屏蔽處理。對(duì)雷達(dá)站天面裸露的通訊線路，全部套銅管做屏蔽處理，銅管良好接地。

（6）等電位處理。在機(jī)房靜電地板下安裝了環(huán)形均壓環(huán)，采用40×4mm銅排，采用絕緣子固定，并在機(jī)房?jī)蓚€(gè)的對(duì)角處與地網(wǎng)引入線連接。并將機(jī)房?jī)?nèi)的各種箱體、殼體、機(jī)架等金屬組件與均壓環(huán)良好等電位連接。

（7）室外線路的防腐處理。對(duì)室外的線路，全部套銅管做屏蔽處理，銅管良好接地?？捎行Х乐购ｏL(fēng)的腐蝕。

圖5　 電源防雷示意圖

圖6　 諧波箝位示意圖

圖7　 防雷器內(nèi)部示意圖

圖8　 線路防雷示意圖防雷器內(nèi)部示意圖

5.結(jié)束語

自2001年對(duì)本站實(shí)施了防雷整改工程，迄今已有15年時(shí)間，基站設(shè)備沒再因?yàn)槔讚粼斐蓳p壞，防雷效果始終如一，證明了該基站綜合雷電防護(hù)方法是切合實(shí)際的。該設(shè)計(jì)思路后來也分別在廣州海事局、廣州海岸電臺(tái)、海口航標(biāo)處等有關(guān)單位的多個(gè)通信站點(diǎn)得到了推廣應(yīng)用，均取得了良好的防雷保護(hù)效果。

當(dāng)然，上述防雷方法與實(shí)踐必然有其局限性，加之水平有限，本文總結(jié)必然難以做到全面性和系統(tǒng)性，僅供參考，歡迎斧正。

[1]蘇邦禮,崔秉球,吳望平.雷電與避雷工程.

[2]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB.50057-2010.

[3]雷電電磁脈沖的防護(hù)IEC61312-3.

[4]某國外廠家資料.E429B-CH E441CT05CH.