發(fā)射臺防雷的思考

金東星

摘? 要：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型發(fā)射機(jī)內(nèi)大量應(yīng)用各種微電子器件，由于這些器件的工作電壓很低，抵御電磁干擾的能力較弱，往往成為雷電的主要攻擊點(diǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失、通信中斷和引發(fā)火災(zāi)等情況。其中很多事故所造成的損失已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備價值本身，間接損失無法估量。因此，現(xiàn)代防雷技術(shù)已將傳統(tǒng)的直擊雷防護(hù)與近年來不斷受到重視的雷電感應(yīng)和雷電波侵入的防護(hù)視為并重的兩大部分，強(qiáng)調(diào)全方位防護(hù)，綜合治理，層層設(shè)防，把防雷看作一個系統(tǒng)工程。

關(guān)鍵詞：直擊雷;屏蔽;等電位

中圖分類號：TN95? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

發(fā)射臺整體的雷電防護(hù)包括針對建筑物的直擊雷效應(yīng)的防護(hù)、針對建筑物內(nèi)設(shè)備、人員的雷電波侵入和雷擊電磁脈沖效應(yīng)的防護(hù)等2個大部分。

1 發(fā)射臺防雷的基本原則

發(fā)射臺防雷要從雷電物理、雷電監(jiān)測等方面考慮。雷電對人身、設(shè)施的危害，對系統(tǒng)、電子設(shè)備的破壞作用所呈現(xiàn)的形式是多樣的，既有直接雷擊，又有感應(yīng)雷擊（雷擊電磁脈沖），還有雷電波侵入等;雷電入侵的路徑也是多樣的，既有空間電磁、電場通道，又有有源電路和無源導(dǎo)體通道，還有安全距離的絕緣擊穿閃擊放電危害等。所以發(fā)射臺防雷要考慮到多種全面的措施。總結(jié)防雷的基本原則是：實(shí)現(xiàn)綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、層層設(shè)防。除此之外，綜合防雷系統(tǒng)工程還要同時采用攔截、疏導(dǎo)、屏蔽、均壓、分流、聯(lián)合接地及等電位連接等綜合措施。

2 直接雷擊

雷電發(fā)生時，直擊雷危害是直接作用于發(fā)射臺的建筑物和發(fā)射機(jī)等設(shè)備上產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象，包括直接擊中和側(cè)面雷擊。空中帶電的雷云和大地之間巨大的電勢差，沿著建筑物和發(fā)射機(jī)等設(shè)備的防雷設(shè)施瞬間釋放能量，同時產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)或電磁效應(yīng)從而產(chǎn)生破壞作用。

2.1 直擊雷的危害

2.1.1 直擊雷的熱效應(yīng)破壞帶電

雷云對低電位物體放電時，向被雷擊的物體瞬間輸入巨大的雷擊電流，電流的瞬時值高達(dá)數(shù)百kVA，被擊中物體表面瞬間產(chǎn)生的高溫可達(dá)到6 000 ℃～10 000 ℃，如果被擊中是發(fā)射臺電子設(shè)備，可能導(dǎo)致金屬物質(zhì)熔化;如果侵入的是發(fā)射臺的供電電路，可瞬間將線路熔斷。

2.1.2 直擊雷的機(jī)械破壞

發(fā)生直擊雷損壞時，雷擊電流產(chǎn)生瞬間電動力破壞周圍電子器件，或直接作用于電容等器件生成機(jī)械壓力破壞器件。

2.1.3 直擊雷的沖擊波破壞

直擊雷放電時，空氣中被電離的游離態(tài)帶電電荷正負(fù)互相中和，導(dǎo)致放電通道中的空氣瞬間升高溫度，空氣體積膨脹而向四周快速擴(kuò)張，形成沖擊波，產(chǎn)生劇烈震動，破壞發(fā)射臺設(shè)備。

2.2 直擊雷的保護(hù)措施

直擊雷的保護(hù)措施主要借助于避雷針接地系統(tǒng)和接地網(wǎng)。具體措施如圖1所示。

2.2.1 避雷針接地系統(tǒng)

雷電流沿著避雷針與敷設(shè)引線流入接地系統(tǒng)，保護(hù)發(fā)射臺內(nèi)的人或設(shè)備避免雷擊危害。避雷針接入的優(yōu)異接地系統(tǒng)是保證發(fā)射臺人身和設(shè)備安全的保證，它既可以快速泄放雷擊電流，同時也避免了反擊電動勢和殘波電壓的危害。

對于直擊雷危害，發(fā)射臺建筑物實(shí)際采用的避雷接地系統(tǒng)，主要措施是在機(jī)房頂部構(gòu)筑避雷帶，采用涂刷水銀粉的圓鋼（φ10）;設(shè)置和地網(wǎng)相連的引線，采用扁鋼鍍鋅（40mm×4mm）。避雷帶的設(shè)置沿著機(jī)房建筑物頂部四周，同時與電磁屏蔽網(wǎng)和引下線及避雷針連接好。

2.2.2 接地網(wǎng)

在發(fā)射機(jī)房附近設(shè)計(jì)合適的接地網(wǎng)，埋深>0.8 m。水平接地體采用直徑14 mm鍍鋅圓鋼管;垂直接地體采用5mm×50mm×2500mm的鍍鋅角鋼。接地網(wǎng)的實(shí)測接地電阻≤1Ω。接地體也可以采用銅包鋼、離子接地棒或接地模塊，主要做法包括以下3點(diǎn)。1）銅包鋼材料的接地體工藝采用熱侵涂層，底部是尖端，頂部設(shè)計(jì)為螺牙或平頭，長度一般是1.5 m～3 m，根據(jù)發(fā)射臺的地阻情況選擇。2）離子接地體是在接地系統(tǒng)中引入緩釋填充劑，這種填充劑具有吸水和釋放水分的可逆性特點(diǎn)。當(dāng)接地體周圍的土壤環(huán)境含有大量水分時，該填充劑可以吸收自身100倍以上的水分;而當(dāng)周圍環(huán)境干燥時，填充劑發(fā)生逆向反應(yīng)，釋放掉一部分所含水分，保持土壤濕潤。同時這種填充劑還使接地極變成一個離子發(fā)生器，接地極外表面的填充劑與內(nèi)部電解離子之間相互作用降低了土壤的電阻率，這樣形成了一個在大地土壤和被緩釋的接地極之間的過渡帶，有效地增大了接地極與土壤之間的接地截面積，降低了相互之間的接觸電阻，改善了土壤的電場分布。而填充劑具有優(yōu)秀的滲透能力，可以深入到巖峰和土壤中間，形成了網(wǎng)絡(luò)樹形結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了泄電流能力。3）非金屬材料的低電阻接地模塊由導(dǎo)電能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好的電解質(zhì)和非金屬礦物質(zhì)構(gòu)成，它的主要特點(diǎn)是接地面積大，提高了散流接觸面，降低接地體和大地之間的接觸電阻，同時具備較好的吸水保濕能力，降低周圍土壤的電阻率，增大了土壤的介電常數(shù)，提高了接地金屬導(dǎo)體的抗腐蝕能力，延長了使用壽命。

3 雷電感應(yīng)和雷電波侵入

雷電感應(yīng)和雷電波的侵入主要破壞發(fā)射臺機(jī)房內(nèi)部設(shè)備。破壞方式是雷擊生成的電磁脈沖，雷電波入侵及高電位反擊。防范的方法主要是屏蔽、接地、等電位連接，包括線路屏蔽和空間屏蔽、設(shè)備接地和安全接地、線路等電位連接和金屬構(gòu)件的搭接。

3.1 雷電感應(yīng)和雷電波的侵入的危害

雷電感應(yīng)給發(fā)射臺帶來的危害包括靜電感應(yīng)危害，電磁感應(yīng)危害，電磁脈沖危害和雷電反擊危害。

靜電感應(yīng)是指雷擊時，雷電流進(jìn)入發(fā)射臺機(jī)房的設(shè)備中，在不同設(shè)備的器件之間產(chǎn)生較高的電位差，這種電位差會導(dǎo)致設(shè)備的芯片損毀[1]。

雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖在空間傳播時會通過天線、電源和設(shè)備的金屬外殼耦合進(jìn)發(fā)射臺設(shè)備，導(dǎo)致在設(shè)備的部分環(huán)路中產(chǎn)生浪涌電流，使設(shè)備的微電子器件發(fā)生燃爆。同時電磁感應(yīng)導(dǎo)致的電脈沖和磁脈沖會直接輻射至工作設(shè)備中，干擾設(shè)備的正常播出。

雷擊產(chǎn)生的高電勢能反擊破壞。雷擊后導(dǎo)致的設(shè)備各部分對地電勢升高，某些部位出現(xiàn)與最近金屬導(dǎo)體擊穿現(xiàn)象造成設(shè)備器件損壞。同時高電位也可能導(dǎo)致跨步電壓，威脅附近工作人員的人身安全。

雷電波的侵入的危害。雷擊發(fā)生時，金屬管道和架空電纜會為雷電波提供進(jìn)入機(jī)房內(nèi)部的入侵通道，破壞機(jī)房內(nèi)部設(shè)備。

3.2 防范雷電感應(yīng)和雷電波侵入的具體措施

3.2.1 采取屏蔽措施防止雷電感應(yīng)和雷電波侵入

無論何種類型的電磁脈沖都可以通過屏蔽的辦法解決，雷擊的瞬時電流因趨膚效應(yīng)沿著屏蔽表面流動入地。屏蔽不僅可以防止機(jī)房外部因雷擊產(chǎn)生的電磁能量入侵至屏蔽層內(nèi)，也可以防止屏蔽的設(shè)備向外擴(kuò)散電磁能量。屏蔽的內(nèi)容包括靜電場屏蔽、電磁屏蔽和電磁輻射屏蔽。防止雷電感應(yīng)危害采取的屏蔽措施是屏蔽雷電產(chǎn)生的電磁脈沖，具體方法是將發(fā)射機(jī)房、設(shè)備、電纜及各種管道進(jìn)行屏蔽，利用機(jī)房鋼筋門窗等金屬物體連接在一起產(chǎn)生一個“法拉第籠”[2]，然后與地網(wǎng)連接，形成屏蔽網(wǎng)絡(luò)。然后根據(jù)發(fā)射設(shè)備的耐壓水平采取逐級屏蔽。屏蔽需要注意各種“洞”的屏蔽密封，特別是對門窗之外的通信線路和電力電纜入口處，采用金屬編織網(wǎng)或金屬導(dǎo)管進(jìn)行屏蔽。典型的屏蔽結(jié)構(gòu)—“法拉第籠”如圖2所示。

3.2.2 采用接地網(wǎng)絡(luò)分流排泄雷擊帶來的電磁干擾能量

接地網(wǎng)絡(luò)可以有效地抗擊雷電流沖擊波，雷電流沖擊波的幅值比較大，容易在接地體周圍產(chǎn)生極高的電場強(qiáng)度，地網(wǎng)的引入相當(dāng)于增加了接地體的接觸面積，降低了接觸電阻。

3.2.3 采取等電位連接雷擊保護(hù)需要的發(fā)射臺的各種設(shè)備

各種孤立的導(dǎo)電體通過電涌保護(hù)器或均壓電位導(dǎo)體連接在一起組成一個等勢體連接網(wǎng)絡(luò)，削弱各部分之間因雷電流產(chǎn)生的電勢差。具體辦法是在設(shè)備的進(jìn)出線路電纜安裝避雷/電涌保護(hù)器（SPD），依靠SPD的分流和嵌壓作用抵御雷擊感應(yīng)的危害。

4 結(jié)語

發(fā)射臺的防雷措施除了安裝避雷針，做接地網(wǎng)，屏蔽和等電位手段外還可以采取很多措施，如在信號源系統(tǒng)加裝信號防雷裝置，在電力電源部分加裝電源防雷裝置等。但每年雷擊都會給發(fā)射臺帶來一定的損失，是發(fā)射臺設(shè)備維護(hù)面臨的重大課題，需要不斷地探索和尋找新的解決辦法。因此，防雷永遠(yuǎn)是發(fā)射臺設(shè)備維護(hù)人員需要思考的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]周文俊，李涵.為電子設(shè)備防雷[M].北京：中國電力出版社，2016：34-35.

[2]郭在華.防雷裝置與器件[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：75.