空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷技術(shù)研究

焦洋

（中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局天津分局，天津 300300）

雷電是一種自然現(xiàn)象，也是一種災(zāi)害性事件，特別是對于空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備，雷電危害更加嚴(yán)重，因為這些設(shè)備一旦遭受雷擊而損壞或故障，可能會導(dǎo)致飛機與地面失去聯(lián)系、導(dǎo)航和監(jiān)視功能失效、飛行偏離航線、發(fā)生碰撞或迫降等嚴(yán)重后果。因此，探索有效的空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷技術(shù)是保障飛行安全及空中交通順暢的必要措施。

1 空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷的必要性

空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備包括機場、空中交通管理單位、飛機等多個部門和場所的各種設(shè)施設(shè)備，如無線電臺站、雷達站、導(dǎo)航臺站、數(shù)據(jù)鏈站、氣象觀測站等，設(shè)備分布在不同的地理位置形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用高度集成化、數(shù)字化技術(shù)，設(shè)備性能提高的同時也增加了設(shè)備對雷電危害的敏感性。雷電危害如下。

（1）直擊雷。直擊雷是指雷電直接擊中目標(biāo)物體或其附近的現(xiàn)象，會產(chǎn)生極大的電流、電壓、溫度和壓力等物理效應(yīng)，對目標(biāo)物體造成燒毀、爆炸、變形等損壞。直擊雷對空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備的主要威脅對象是天線塔架、天線饋線等高聳物體。

（2）側(cè)擊雷。側(cè)擊雷是指雷電擊中目標(biāo)物體附近其他物體或介質(zhì)后，通過感應(yīng)或者傳導(dǎo)等方式影響目標(biāo)物體的現(xiàn)象，會在目標(biāo)物體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓或者浪涌電流等效應(yīng)，對目標(biāo)物體造成過壓、過流等損壞。側(cè)擊雷對空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備的主要威脅對象是供配電系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)等與外界連接的系統(tǒng)。

（3）雷暴靜電。雷暴靜電是指在雷暴云層中或其附近產(chǎn)生的靜電場或靜電荷的現(xiàn)象，會在目標(biāo)物體上產(chǎn)生靜電感應(yīng)或者靜電放電等效應(yīng)，對目標(biāo)物體造成靜電干擾、靜電損傷等影響。雷暴靜電對空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備的主要威脅對象是飛機上的通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備。

空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備是飛行安全的基礎(chǔ)保障，如設(shè)備遭受雷擊而失效或者故障，可能會導(dǎo)致飛機失去與地面的聯(lián)系、導(dǎo)航和監(jiān)視，造成飛行偏離、碰撞、迫降等嚴(yán)重事故。設(shè)備遭受雷擊而降低性能或者減少可用性，可能會影響空管服務(wù)的準(zhǔn)確性、及時性，造成空中交通延誤、擁堵、混亂等問題。因此，做好空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷工作，是保障飛行安全的必要措施。

2 空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直擊雷防護技術(shù)

直擊雷防護技術(shù)是指通過設(shè)置避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬導(dǎo)體，將雷電直接引導(dǎo)至地面，從而保護空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備免受直擊雷的損害的技術(shù)。直擊雷防護技術(shù)如下。

（1）避雷針安裝。避雷針是一種高聳的金屬棒，用于吸引和接收雷電，將其導(dǎo)入接地系統(tǒng)。避雷針的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的高度、形狀、位置、周圍環(huán)境等因素，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行設(shè)計和安裝。避雷針的高度應(yīng)高于設(shè)備的最高點，并保持一定距離，以形成有效保護范圍。避雷針的數(shù)量和分布應(yīng)根據(jù)設(shè)備的平面尺寸、形狀以及避雷針的保護角或半徑進行確定。避雷針的安裝示意圖如圖1 所示。

圖1 避雷針的安裝

圖1 為根據(jù)實踐經(jīng)驗設(shè)計安裝的避雷針，其中，R表示雷達天線半徑,L1表示天線、避雷針的水平間距，L1最佳數(shù)值應(yīng)在0.2 ～5m；L2為天線與避雷針頂端之間的垂直距離，L2最佳數(shù)值需大于Ll+0.5R。

（2）避雷帶、避雷網(wǎng)。避雷帶、避雷網(wǎng)由金屬導(dǎo)線或帶組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用于覆蓋和保護設(shè)備的表面或周圍空間，與避雷針相連，形成閉合的金屬外殼。避雷帶和避雷網(wǎng)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和功能要求，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行設(shè)計和安裝。避雷帶、避雷網(wǎng)應(yīng)盡可能緊密貼合設(shè)備表面，與設(shè)備金屬部件連接，以確保良好的屏蔽效果，同時做好接地，以建立有效的放電路徑。

（3）接地系統(tǒng)設(shè)置。接地系統(tǒng)由金屬導(dǎo)體組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于將避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等與地面連接，從而將雷電安全地排入地下。接地系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的位置、土壤條件、接地電阻要求等因素，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行設(shè)計安裝。接地系統(tǒng)應(yīng)采用環(huán)形或放射形布置，與設(shè)備周圍的其他接地體形成聯(lián)合接地，需采用低阻值、高可靠性、耐腐蝕性強的金屬材料，定期檢測維護。

2.2 天饋系統(tǒng)的浪涌保護

天饋系統(tǒng)是指空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備中，用于連接天線和設(shè)備的饋線、連接器、分配器等部件的系統(tǒng)。天饋系統(tǒng)是雷電危害的重要途徑之一，因為們通常暴露在高空或者開闊地帶，容易受到直擊雷或者側(cè)擊雷的影響，從而在饋線上產(chǎn)生高電壓或者高電流的浪涌，對設(shè)備造成損壞。因此，天饋系統(tǒng)的浪涌保護是空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷工作的重要內(nèi)容。

（1）防雷器設(shè)置。防雷器可吸收或者釋放浪涌電流的裝置，通常安裝在天線和設(shè)備之間，或者設(shè)備和電源之間，以保護設(shè)備免受浪涌的損害。防雷器的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工作頻率、工作電壓、工作電流、最大放電電流等參數(shù)，選擇合適的型號和規(guī)格，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行安裝和接線。防雷器應(yīng)盡可能靠近設(shè)備，并與接地系統(tǒng)連接，以實現(xiàn)快速放電。

（2）饋線布置。饋線是指連接天線和設(shè)備的金屬導(dǎo)線或者同軸電纜，用于傳輸信號或者電能。饋線的布置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的位置、距離、方向等因素，選擇合適的類型、長度，饋線應(yīng)盡可能避免與其他金屬物體接觸。

（3）過濾器設(shè)置。過濾器用于濾除或者衰減浪涌信號的裝置，通常安裝在設(shè)備的輸入端或者輸出端，以保護設(shè)備免受浪涌的干擾。過濾器的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工作頻率、工作帶寬、插入損耗、隔離度等參數(shù)，選擇合適的型號和規(guī)格，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進行安裝和接線。過濾器應(yīng)與設(shè)備匹配，與接地系統(tǒng)連接，以實現(xiàn)良好的濾波效果。

2.3 信號傳輸系統(tǒng)浪涌防護

信號傳輸系統(tǒng)是指空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備中，用于連接設(shè)備和數(shù)據(jù)中心、控制中心、顯示終端等部件的系統(tǒng)。信號傳輸系統(tǒng)是雷電危害的重要途徑之一，因為通常通過電纜、光纖、無線電波等方式進行信號的傳輸和交換，容易受到側(cè)擊雷或者雷暴靜電的影響，從而在信號線上產(chǎn)生高電壓或者高電流的浪涌，造成設(shè)備損壞。因此，信號傳輸系統(tǒng)的浪涌保護是空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷工作的重要內(nèi)容。

（1）防雷器的設(shè)置。防雷器通常安裝在信號線的輸入端或者輸出端或者信號線與其他線路的交接處，以保護設(shè)備免受浪涌的損害。防雷器的設(shè)置應(yīng)根據(jù)信號線的類型、工作頻率、工作電壓、工作電流、最大放電電流等參數(shù)，選擇合適的型號和規(guī)格，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范安裝。防雷器應(yīng)盡可能靠近設(shè)備，與接地系統(tǒng)連接。

（2）信號線的布置。信號線的布置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的位置、距離、方向等因素，選擇合適的類型和長度，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范做好絕緣。信號線應(yīng)盡可能避免與其他金屬物體接觸，并與避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等保持一定的距離，以減少感應(yīng)或者傳導(dǎo)的影響。

2.4 電源電涌防護

電源電涌防護是指通過設(shè)置穩(wěn)壓器、斷路器、保險絲等裝置，將電源線上的浪涌電壓或者電流限制在設(shè)備的承受范圍內(nèi)，從而保護空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備免受電源浪涌的損害的技術(shù)。電源浪涌是指由于雷電、開關(guān)操作、短路故障等原因，導(dǎo)致電源線上出現(xiàn)瞬時的高電壓或者高電流的現(xiàn)象，對設(shè)備造成過壓、過流、過熱等損壞。因此，電源電涌防護是空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷工作的重要內(nèi)容。

對于電源電涌防護采取多級浪涌保護器（Surge Protection Device，SPD），SPD 可有效防止電源線路受到雷電或其他突發(fā)電壓干擾，可有效地保護通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施的正常運行。首先，為達到最佳的保護效果，應(yīng)根據(jù)不同的雷電保護等級選擇合適的多級SPD，需注意多級SPD 之間的能量配合。其次，SPD 的連接導(dǎo)線應(yīng)該盡可能短而直，以減少阻抗、感應(yīng)電壓。針對室外天線單元工作電源的保護問題，可在電源線兩端都加裝SPD，做好接地連接。再次，對于天線塔上的航空障礙燈，可采用太陽能障礙燈，以避免雷電、強磁場通過供電線引入機房室內(nèi)。最后，要清理不用的管道、電纜和空余線，并且做好接地處理，防止纜線系掛在避雷網(wǎng)或接閃器引下線上鋪設(shè)。

2.5 屏蔽與等電位連接

屏蔽與等電位連接是空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷技術(shù)的重要內(nèi)容之一，可減少雷電流或電磁干擾所引起的設(shè)備之間或者設(shè)備與金屬構(gòu)件之間的電位差，從而保護設(shè)備免受雷擊損害。屏蔽是指通過設(shè)置金屬導(dǎo)體或者金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，覆蓋和保護設(shè)備的表面或者周圍空間，從而隔絕外部的電磁場或者減少內(nèi)部的電磁輻射的技術(shù)。屏蔽可以分為主動屏蔽和被動屏蔽，主動屏蔽是為了防止噪聲源向外輻射，被動屏蔽是為防止敏感設(shè)備遭到噪聲源的干擾。屏蔽的效果取決于屏蔽材料的導(dǎo)電性、厚度、孔隙率、覆蓋程度等因素。一般金屬箔屏蔽層的傳輸阻抗遠(yuǎn)大于編織網(wǎng)的屏蔽層，效果相差5 ～10 倍。

等電位連接是指通過設(shè)置連接導(dǎo)線或者過電壓保護器，將處在需要防雷空間內(nèi)的防雷裝置和建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來導(dǎo)線、電氣裝置、電信裝置等連接起來，形成等電位連接網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)均壓等電位的技術(shù)。等電位連接可以分為防雷等電位連接和安全等電位連接，防雷等電位連接是為了減小雷電流產(chǎn)生的電位差，安全等電位連接是為了保證人身安全和設(shè)備安全。等電位連接的效果取決于連接導(dǎo)線或者過電壓保護器的參數(shù)、位置、數(shù)量、布置等因素，應(yīng)采用多重連接和多級保護的方式，實現(xiàn)最佳等電位連接。

屏蔽與等電位連接應(yīng)遵循以下原則：（1）所有進入建筑物的外來導(dǎo)線均應(yīng)在不同防雷區(qū)域的界面處做等電位連接，并且應(yīng)就近連到環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形導(dǎo)體（均壓環(huán)）或此類鋼筋上。（2）各后續(xù)防雷區(qū)域界面處的等電位連接也應(yīng)采用本條一款的一般原則。穿過防雷區(qū)域界面的所有導(dǎo)線均應(yīng)在界面處做等電位連接，并且應(yīng)采用一局部等電位連接帶做等電位連接。（3）所有大尺寸的內(nèi)部導(dǎo)線物，如電梯軌道、吊車、金屬地板、金屬門框架、設(shè)施管道、電纜橋架等，其等電位連接應(yīng)以最短路徑連到最近的等電位連接帶或其已做了等電位連接的金屬物，并且各導(dǎo)線物之間宜附加多次互相連接。（4）信息系統(tǒng)的所有外露導(dǎo)線物應(yīng)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，并且每個等電位連接網(wǎng)不宜設(shè)單獨的接地裝置。

3 結(jié)語

空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備分布廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)敏感，易受雷擊影響造成設(shè)備損壞，影響空中交通管理工作。因此，做好空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備防雷工作是保障飛行安全的必要措施。需通過設(shè)置避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬導(dǎo)體，將雷電直接引導(dǎo)至地面；設(shè)置防雷器、過濾器等裝置，將天線和設(shè)備之間的浪涌電壓或電流限制在設(shè)備可承受范圍內(nèi)；設(shè)置多級SPD（過電壓保護器），將電源線上的浪涌電壓或者電流限制在設(shè)備的承受范圍內(nèi)；設(shè)置金屬導(dǎo)體或金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，覆蓋和保護設(shè)備的表面或者周圍空間，從而隔絕外部的電磁場，減少內(nèi)部的電磁輻射；設(shè)置連接導(dǎo)線或者過電壓保護器，連接防雷裝置、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來導(dǎo)線、電氣裝置等，建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)均壓等電位。