野战指挥车的雷电防护研究

唐 克，谢保军

（炮兵学院火控教研室，安徽合肥 230031）

野战指挥车的雷电防护研究

唐 克，谢保军

（炮兵学院火控教研室，安徽合肥 230031）

当今电子信息设备在指挥系统中的大量运用对雷电防护提出更高的要求。通过分析雷电袭击特性，提出综合防雷措施，为野战指挥车的雷电防护提供参考。

指挥车；雷电防护；雷电电磁脉冲；电磁耦合；等电位

对于雷电的探索最早始于1752年，富兰克林利用著名的“风筝实验”得出了最初的雷电理论，并揭开人类对抗雷电的历史。随着电子信息技术的发展，各种信息设备在军队装备中，尤其是指挥系统中应用的范围之广、数量之大、品种之多前所未有。然而，以微电子技术为基础的电子信息设备因其集成度高、工作电压低，运算速度快，而耐过电压、过电流和抗雷电电磁脉冲（LEMP（linghtning electro magnetic pulse））的能力差，极易遭受雷电的危害，特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重［1－2］。中国南部和东南部雷雨期较长，每年大约有90～110 d左右的雷暴日，而野战指挥车在野外作战中地位特殊，其安全直接影响到战争的胜负。提高野战指挥车的雷电防护能力，有效降低或者消除雷电对其设备的威胁，是野战指挥车安全防护一个不可回避的问题［3－4］。

1 雷电入侵途径分类［5－6］

1.1 直击雷

野战指挥车由于工作的特殊性，经常需要在旷野中停留，遭遇直击雷的几率较大。一旦被直击雷袭击，就可能面临设备损坏、通信中断和人员伤亡等危险，所以指挥车对直击雷的防护是其雷电防护设计的首要任务。

对于一般的雷电流通常可以用Heidler模型来描述

直击雷最直接的侵入野战指挥车系统的方式就是雷云直接对野战指挥车车体、车顶天线或周围金属物体放电，产生数十千安的雷电流，形成危害。当野战指挥车系统遭受直击雷时，雷电流将沿车身防雷系统中各引下线和接地体汇入大地，因为引下线和接地体的装置都具有电阻和电感，所以高幅度和快速变化的雷电流将在引下线上产生暂态高电压，这一暂态现象称为暂态电位抬高。瞬间而又剧烈的电位抬高将对车内配电系统和设备造成威胁。

1.2 感应雷

感应雷可分为静电感应雷和电磁感应雷。前者是由于带电积云接近地面在导电凸出物体顶部感应出大量电荷引起的。后者是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种迅速变化的磁场能在毗邻的导体上感应出很高的电动势。野战指挥车内部电子设备密集，对于周围空间的电磁场变化非常敏感。据研究，当磁场强度Bm≥（0.07×10－4）T时，无屏蔽的计算机会发生暂时性失效或误动作，当磁场强度Bm≥（2.4×10－4）T时，计算机元件会发生永久性损坏，而雷电电流周围出现的瞬变电磁场强度往往超过（2.4×10－4）T。

雷电电磁脉冲对野战指挥车内部系统入侵的途径主要有2个：一是通过导线耦合入侵，即雷电流产生的雷电电磁脉冲（LEMP），在通信车车顶天线、外连信号线和电源线上耦合出瞬态过电压，沿线侵入车体内部，对内部各种电子信息设备尤其是通信设备造成感应过电压威胁；二是通过辐射直接干扰设备，雷电磁波传播到指挥车金属壳体时通过金属壳体的缝和孔或者直接穿透车皮进入内部对各种精密设备进行二次耦合危害。雷电电磁脉冲入侵途径见图1。

图1 雷电电磁脉冲入侵途径

2 雷电防护的几种技术手段

2.1 拦截

野战指挥车防雷的第一道防线是对直击雷的拦截。最经济、最有效的方法仍然是接闪器（避雷针）法。采用新型接闪器和优化接闪器，以降低雷电流陡度，减小二次雷击的感应电压，或在条件允许的前提下，尽量降低接地电阻，对于直击雷的防护有良好效果。单支避雷针的设置和保护范围计算一般采用滚球法确定。如图2所示，以针尖O为圆心，R为半径（根据车体大小可取R＝10）作弧与水平线AB交于两点，再分别以A，B为圆心，R为半径作经过针尖并与地面相切的圆弧。

避雷针在hx高度的平面上的保护半径，按式（2）计算：

在确定保护半径rx时可反推接闪器的设置高度h。

2.2 接地处理

接地是防雷系统的基础环节，接地质量的好坏直接影响到防雷系统的最终性能，对接地的形式、接地电阻值要求较高，由于野战指挥车机动性强，单点接地电阻可能达不到要求，因而可采取多点联合接地的办法来降低接地电阻阻值。良好的接地系统能把车体上的大部分雷电流泄入大地，同时可以消除因静电放电积累而对设备和人身安全的威胁。一般安全地作为各设备金属箱相连后接入大地，工作地的作用在于维持各设备电压的恒定，其接地方法如图3所示。

图2 接闪器保护范围

2.3 等电位处理技术

等电位连接是指将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或浪涌保护器（SPD）连接起来，以减小雷电流在它们之间形成的电位差。等电位连接原理是通过等电位连接器自动导通设备之间的电位差，从而形成更大的联合接地系统，更有效地进行异常能量的释放。同时能有效地防止地电位反击，达到抑制电位差和消除电磁干扰的目的。SPD是在设备间不便直接相连时使用，其主要元件为压敏电阻或放电管，利用阻值非线性原理，当其两端电位差大于某一值时以纳秒级速度导通。SPD主要作用是泄放雷电流，限制雷电浪涌电压，并限制电源系统内部发生的漏电流。等电位连接方法见图4。

图3 多点联合接地

图4 等电位连接方法

2.4 屏蔽

屏蔽可以阻挡、衰减甚至消除雷电感应的干扰，对于指挥车内设备的屏蔽，可采用金属外壳屏蔽、线路的屏蔽，如采用有金属屏蔽层的电缆，对没有金属屏蔽层的电缆可采用穿金属管进行屏蔽。车上各种线缆均采用屏蔽措施可大大减少雷电电磁脉冲感应对计算机等信息系统的影响。雷电流的“趋肤效应”可使相当大的一部分雷电流沿屏蔽层接地口泄入大地。指挥车方舱是屏蔽类电磁脉冲的一道防线，同时也是最主要的防护层，对于目前来说提高方舱的电磁屏蔽性能是一个最好的方法，它具有简单、成本低、整体效果好等优点。比如方舱可以采用新型的防电磁辐射材料制作或涂刷防电磁辐射涂层就能很好地提高屏蔽的效果。

2.5 其他手段

另外还需注意的是车上线缆分布应尽量合理，闭合的回路在电磁环境中容易产生感应电动势。解决的办法是在野战指挥车设计时应减少闭合回路的数量和回路的面积，以达到减弱电磁感应效应的目的。电磁辐射对光纤没有影响，用光纤作为数据传输线有诸多好处。此外单芯金属导线比多发导线抗辐射效果也要好。值得注意的是军队指挥系统中使用的芯片大多没有区别于民用的标准，采用特殊材料和特种封装技术的防辐射芯片的应用没有得到足够的重视，这也是今后值得努力的方向。在指挥系统软件设计方面也同样可以有所作为，利用冗余技术、容错技术、标志技术以及数字滤波技术等技术增强系统的稳定性。这些措施对于抵抗其他电磁辐射干扰同样适用。

3 雷击风险评估

3.1 评估原理

风险评估是指为了衡量风险而对特定风险做评价和估算的一个过程，雷击风险评估主要讨论由于雷电闪击，可能导致人身伤亡或设备损坏的雷击事故隐患。雷击风险评估体系是评估的核心问题之一，而评估体系的具体表现是雷击风险评估模型的建立。围绕直接雷击和间接雷击对野战指挥车安全损害的成因，对评估对象所处地区的防雷环境充分调查认识，确定雷灾风险的评估因子和各种雷击损害的概率。在确定系统所能承受的最大雷灾损害风险值Rt基础上计算出评估对象的实际雷击风险值R并进行比较分析。

3.2 评估模型

评估雷击对指挥车电子设备损坏风险的过程比较复杂，应考虑的评估因素也较多，其中最重要的因素有3点：1）野战指挥车所处地区环境情况，即所在地区的雷电活动规律、地理、地质、土壤、气象、环境等条件，这些数据可以通过实地考察以及各级气象机构获得；2）野战指挥车内外部防雷设施情况调查；3）评估对象的雷击损失，评估对象的雷击损失是指当选定的评估对象受到雷击及其后续效应作用时可能造成的潜在性损失。它取决于雷击造成的损害程度及后续效应，具体应考虑人员伤亡情况的雷击损失和信息系统设备损坏情况。最后综合各个因素可得出评估方程：

式中：N为野战指挥车所在地每平方公里年均雷击次数；P为每次对野战指挥车有影响的雷击损坏概率；L为雷击引起的间接损失相对量。令t＝1，即在一年时间内，如何确定这些参数是雷电灾害的风险评估的关键。

为了达到最佳的防雷效果，必须综合采取多种技术手段。在实际的操作过程中仍然存在一些技术问题，比如车体在行进过程中如何保持良好接地等，需要进一步研究。

［1］ 周志敏.电子信息系统防雷接地技术［M］.北京：人民邮电出版社，2004.

［2］ 谢海华，曾山泊，肖稳安.电子信息系统雷灾风险评估方法［J］.气象科学，2006（3）：26.

［3］ 程丽丽.通信车雷电防护系统设计［D］.西安：西安电子科技大学，2007.

［4］ 乔国林，陆 勤.电子信息系统的雷击风险与雷电防护［J］.工业安全与环保，2008（11）：34.

［5］ GOLDE R H.雷电（下卷）［M］.李文恩，李福寿译.北京：水利电力出版社，1982.

［6］ HASSE P.Overvoltage Protection of Low Voltage Systems［M］.England：TJ International Ltd，1998.

TN911

A

1008-1542（2011）07-0018-03

2011-06-25；责任编辑:陈书欣

唐 克（1962-），男，安徽合肥人，副教授，硕士，主要从事武器系统分析与仿真方面的研究。