羅蘭C系統(tǒng)發(fā)射機過壓防護研究與實現(xiàn)

周早君

摘 要：羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)[1]是一種脈沖相位調(diào)制的陸基中遠(yuǎn)程低頻無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，而無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的地面發(fā)射臺[2]是無線導(dǎo)航系統(tǒng)的主要組成部分，它極易受強雷雨等外部惡劣環(huán)境因素影響。為了系統(tǒng)地面發(fā)射臺可靠工作，研究羅蘭C系統(tǒng)發(fā)射機過壓防護能力問題對羅蘭C系統(tǒng)穩(wěn)定性、信號利用率和提高軍事應(yīng)用能力具有很大價值。本文就針對羅蘭C系統(tǒng)發(fā)射機過壓防護問題進行了詳細(xì)的研究。

關(guān)鍵詞：羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng);固態(tài)發(fā)射機;過壓防護

中圖分類號：TN927 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0082-02

導(dǎo)航臺站作為系統(tǒng)地面發(fā)射臺起著決定性作用，曾發(fā)生多起因雷擊導(dǎo)致發(fā)射機房設(shè)備、接收系統(tǒng)設(shè)備、臺內(nèi)供電線路等設(shè)備、模塊、板件或器材損壞情況。針對導(dǎo)航臺目前的建筑結(jié)構(gòu)劃分、設(shè)備情況及雷電損害的實際情況，依據(jù)現(xiàn)行國標(biāo)、軍標(biāo)、行業(yè)規(guī)范的要求，通過對建筑物、構(gòu)筑物、供配電系統(tǒng)、通信等系統(tǒng)接地系統(tǒng)的完善，并在電源、通信網(wǎng)絡(luò)加載相應(yīng)的防雷設(shè)備，實現(xiàn)在雷電氣象條件下建筑物、供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的正常運行，以確保導(dǎo)航臺設(shè)備正常工作。

1設(shè)計內(nèi)容

依據(jù)IEC61312-1、2、3及IEC61024，并結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)如GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》、GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（2000年版）等國內(nèi)主流標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，針對場區(qū)發(fā)射機、發(fā)射機房、控制機房、配電室的防直擊雷系統(tǒng)、供配電線路防雷系統(tǒng)、通信系統(tǒng)防雷現(xiàn)狀，以建筑物內(nèi)的低壓電路保護為主（不涉及高壓防雷保護）設(shè)計該方案。

導(dǎo)航臺綜合防雷工程參照A級保護分級，按三級防護進行設(shè)計，包含：完善的外部防直擊雷系統(tǒng)、合理配置過電壓保護裝置（含電源、通信）、良好的等電位連接三個有機的整體。IEC/TC-81將整體防雷總結(jié)為：DBSE技術(shù)，即分流（Dividing）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）、等電位連接（安裝防雷器）、四項技術(shù)的綜合，從合理安裝避雷器、改善接地系統(tǒng)等角度入手解決問題。按照全面防護，綜合治理的原則進行設(shè)計。

1.1分流

就是室外直擊雷防護，常見的分流措施有：設(shè)置避雷塔、避雷針、避雷帶、避雷線，包括防直擊雷設(shè)施的引下線敷設(shè)這些方法。

臺現(xiàn)狀：經(jīng)實地勘察，臺所有建筑物、構(gòu)筑物防直擊雷系統(tǒng)均安全、可靠。此方案不涉及此部分設(shè)計。

1.2接地

顧名思義就是室外全保護接地體，通過新建接地的方式為建筑物內(nèi)部機房、設(shè)備、人員等提供一處安全可靠接地端，提高安全可靠性。

臺現(xiàn)狀：場區(qū)內(nèi)使用聯(lián)合接地系統(tǒng)。GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（2000年版）和GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》對于接地電阻阻值的要求為≤4Ω。實測臺場區(qū)聯(lián)合接地電阻<1Ω，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

營區(qū)辦公樓接地電阻8Ω-12Ω，不符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求，需進行整改。本次防雷工程場區(qū)繼續(xù)使用現(xiàn)有接地體，營區(qū)需對現(xiàn)有接地體進行整改。

營區(qū)辦公樓新建安全保護接地體采用“垂直法”進行設(shè)計。即在營區(qū)辦公樓外距落水坡3米外的土壤中，按要求垂直埋入6根W50mm×L2500mm鍍鋅接地棒作為接地電極，接地棒間隔3-5m。接地棒頂部距離土壤表面大于0.7m，各接地棒通過3×40mm鍍鋅扁鐵焊接，焊接處焊點長度為鍍鋅扁鐵寬度的2倍。相連后至土壤外通過接地匯流轉(zhuǎn)接盒與接地下引線連接，接地下引線采用絕緣電線BV25mm2順墻壁垂直而上，每間隔1.5米用固定卡固定與墻壁上，引入機房后接在接地匯流銅排上，焊接處進行有效防銹、防腐處理。實測接地體接地沖擊電阻值小于4歐姆時，進行回填。回填時，接地體使用100kg離子降阻劑，與土壤均勻混合，進行回填處理。

1.3屏蔽

分為室外建筑物、構(gòu)筑物屏蔽與室內(nèi)屏蔽兩部分，基于建筑物而言，法拉第籠體是一個等位體，內(nèi)部電位為零，電場為零，當(dāng)外部產(chǎn)生電荷時，籠體直接將電荷泄放入地，以減少建筑物內(nèi)部的磁場強度。保證內(nèi)部設(shè)備、人員安全。

臺現(xiàn)狀：建筑物利用自身建筑墻內(nèi)鋼筋進行屏蔽，由于機房均在一處建筑物內(nèi)，不存在穿越不同防雷分區(qū)敷設(shè)線路的情況?，F(xiàn)有屏蔽措施可用。

對于進出監(jiān)控值班室的部分電纜以及光纜采用T2 0.05×40mm2紫銅帶緊貼其進行纏繞的方法對電纜進行屏蔽處理，并在信號線纜進入建筑物前使用BV6mm2護套銅線分別對紫銅帶、線纜屏蔽層良好接地。

進入監(jiān)控值班室的通信光纜的加強芯，通過BV6mm2護套銅線進行接地處理。

1.4等電位連接（安裝防雷器）

等電位的目的是為了避免因地電位反擊電壓導(dǎo)致電擊事故，同時可減少電位差、電弧、電火花發(fā)生的機率。針對無法直接接地等電位的線路通過安裝防雷保護器來進行等電位連接。防雷器的作用是用來保護供電、信號、饋線等系統(tǒng)中各種電器設(shè)備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態(tài)過電壓沖擊而損壞的一種電器。

1.4.1供電系統(tǒng)防雷措施

為防止和減少雷電涌對被保護設(shè)備造成的危害，保護人民的生命和財產(chǎn)安全，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求，結(jié)合用戶的實際情況，對臺防雷工程進行設(shè)計、施工，確保概率超過99%以上的雷電氣候條件下被保護的供配電系統(tǒng)及通信系統(tǒng)的設(shè)備能夠正常工作、人員的安全。

電源第一級防雷：分別在場區(qū)低壓配電房1#變壓器輸入柜、低壓配電房2#變壓器輸入柜以及營區(qū)低壓配電室總開關(guān)輸出端各安裝一套德國OBO MCD50-B/3+MCD125-B/NPE+V20-C/3+NPE-AS高能量三相電源防雷器。

分別在L-N、N-PE間進行保護，對上述低壓配電室后端所有用電設(shè)備進行電源的第一級防護;同時配備UC-2000雷電流記錄裝置，用來檢測防雷器工作狀態(tài)，并24小時不間斷統(tǒng)計防雷器工作數(shù)據(jù)。

電源防雷器工作原理：供電系統(tǒng)防雷設(shè)備其核心保護單元為氧化鋅壓敏電阻材料，氧化鋅壓敏電阻片具有良好的非線性伏安特性。在系統(tǒng)電壓低于其壓敏電壓時，呈高阻狀態(tài)，只有以容性電流為主的很小的（μA級）電流通過;當(dāng)電壓超過氧化鋅電阻片壓敏電壓時，會立即導(dǎo)通氧化鋅電阻片，使其呈低阻狀態(tài)，吸收過電壓產(chǎn)生的能量，限制過電壓的幅值，因其良好的非線性伏安特性，即使通過的電流達到幾kA，其兩端的殘壓仍被限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。采用這種高性能的氧化鋅電阻片作為限壓釋能元件而制造的氧化鋅避雷器，可有效保證系統(tǒng)和設(shè)備的安全。

電源第二級防雷：在場區(qū)控制機房配電箱內(nèi)、發(fā)射機房配電箱內(nèi)、空調(diào)機房配電箱內(nèi)、營區(qū)辦公樓一層低壓配電總柜內(nèi)分別安裝一套德國OBO V20-C/3+NPE-AS三相電源防雷器，附帶AS聲光報警功能。

分別在L-N、N-PE間進行保護，對上述低壓配電室后端所有用電設(shè)備進行電源的第二級防雷。

電源第三級防雷：對重點設(shè)備增加電源第三級防雷措施（精細(xì)級電源防雷插座），進一步降低線路過電壓，并且將電壓嵌位到安全水平。

在場區(qū)控制、發(fā)射、值班室、營區(qū)通信機房設(shè)備等各類用電終端設(shè)備的電源前端，分別加裝德國OBO單相插板型低殘壓防雷插座CNS 3-D-PRC（10A三孔）最大通流量為7.5kA/線。

1.4.2場區(qū)控制機房防雷措施

在場區(qū)控制機房的GPS接收機3個饋線端口處、北斗信號接收1個饋線端口處以及天線電流取樣設(shè)備1個饋線端口處分別加裝1套德國OBO DS-BNC同軸線信號防雷器，共5套。在場區(qū)控制機房的遠(yuǎn)導(dǎo)2#接收機3個饋線端口處、GPS信號1個饋線端口處分別加裝1套德國OBO DS-N同軸線信號防雷器，共4套。DS-N傳輸功率400W，放電電流10kA（8/20us）和5kA（10/350us），傳輸頻率0-5.3GHz。在場區(qū)控制機房的同步監(jiān)測機柜、時頻機柜、控制授時機柜電源前端各加裝1套德國OBO V10-C/2+K3*10-16A單相電源防雷插座箱，共6套。

信號防雷器工作原理：信號防雷器其核心保護單元采用晶體二極管，晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。

1.4.3場區(qū)發(fā)射機房防雷措施

導(dǎo)航臺發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備自身已有比較完善的防雷系統(tǒng)，加之發(fā)射系統(tǒng)在日程工作中所承擔(dān)的任務(wù)非常重要，不允許對現(xiàn)有防雷系統(tǒng)進行改造。所以，此次方案設(shè)計建議發(fā)射系統(tǒng)繼續(xù)使用現(xiàn)有防雷系統(tǒng)即可。僅在發(fā)射設(shè)備靜電地板下方加裝德國OBO 1801接地匯流排來完善現(xiàn)有發(fā)射設(shè)備等電位系統(tǒng)。

接地匯流排工作原理：在內(nèi)部防雷系統(tǒng)中（或者電氣系統(tǒng)）接地匯流排主要作用是均壓。一般接地匯流排安裝在機房至地網(wǎng)的地線前端，而機房里所有設(shè)備的接地線匯集到這個匯集排上，當(dāng)然，如果機房設(shè)備過多，一般是在靜電地板下制作均壓環(huán)，設(shè)備接地線和靜電地板接地線就近連接至均壓環(huán)上，防止地電位反擊事故反生。

1.4.4雷電峰值記錄系統(tǒng)

在導(dǎo)航臺動力配電室、各通信機房所在建筑物總配電室、各建筑物內(nèi)接地匯流總排上分別安裝一套雷電流峰值記錄卡，可以監(jiān)測到建筑物接地裝置上向地泄放雷電強度的大小。雷電峰值記錄系統(tǒng)工作原理：使用雷電計數(shù)器和雷電流峰值測試系統(tǒng)，通過一個或幾個雷雨季節(jié)的持續(xù)觀測，分析得到的數(shù)據(jù)，可以客觀地評價導(dǎo)航臺的雷暴實際情況，為導(dǎo)航臺的雷擊風(fēng)險評估、被保護設(shè)備的雷電防護等級的確定以及今后設(shè)備受損賠償提供依據(jù)。

2防雷系統(tǒng)在饒平導(dǎo)航臺安裝試驗情況

饒平導(dǎo)航臺位于廣東省東端沿海饒平縣，在東經(jīng)116°35′～117°11′，北緯23°28′～24°14′處，北回歸線在縣境南部穿過。該地區(qū)屬海洋副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，季風(fēng)明顯，雨量充沛，年平均氣溫21.4°C，降雨量1475.9毫米。饒平縣屬全國雷電災(zāi)害多發(fā)區(qū)，每年6月至10月是雷擊事故高發(fā)期。根據(jù)近40年的氣象資料統(tǒng)計，年平均雷暴日數(shù)52.6天，雷擊頻率和強度屬于高雷區(qū)，每年因遭雷擊傷亡人數(shù)達40至50人，直接經(jīng)濟損失數(shù)千萬元。饒平導(dǎo)航臺也多次遭雷擊損壞裝設(shè)備。

經(jīng)組織北京天佑雷諾科技有限公司在饒平臺進行了綜合防雷設(shè)備的安裝。兩年以來，經(jīng)強雷雨等惡劣環(huán)境的檢測和實測防雷設(shè)備運行參數(shù)，達到了系統(tǒng)防強雷電的預(yù)期效果。但由于前期勘察現(xiàn)場不細(xì)致，設(shè)計方案仍有缺陷，并做了部分調(diào)整： （1）原方案天線電流取樣信號線（在室內(nèi)由發(fā)射機房引至控制機房）加裝防雷意義不大，調(diào)整為接收天線饋線防雷;（2）原方案發(fā)射天線安裝OBO地極平衡保護器的設(shè)計，對連續(xù)發(fā)射大功率信號和保護器的性能指標(biāo)論證分析不足，導(dǎo)致安裝失敗，燒毀保護器，況且在發(fā)射天線人為加接一個高阻設(shè)備是否對天線電參數(shù)造成變化更需科學(xué)地分析和論證，經(jīng)雙方現(xiàn)場協(xié)商，調(diào)整為將保護器安裝在通信機房新建地與原接地體之間，進行有條件聯(lián)合接地;（3）為了避免防雷器對信號的延遲，取消對衛(wèi)星雙向接收機安裝信號防雷器。經(jīng)綜合分析，取消了這一項，防雷器作為備品留存導(dǎo)航臺。

參考文獻

[1] 黃智剛，孫國良.無線電導(dǎo)航原理與系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] 劉鈍，甄衛(wèi)民，馮健，等.長河二號東、北海臺組發(fā)射機線路圖集[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.