军用移动电站防雷技术研究

尹志勇，解 璞，丁志刚

（1．军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003；2．73903部队，福建厦门 361100）

军用移动电站防雷技术研究

尹志勇1，解 璞1，丁志刚2

（1．军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003；2．73903部队，福建厦门 361100）

针对军用移动电站工作环境的复杂性以及自身的特点，对军用电站直击雷与感应雷防护技术进行了研究，详细介绍了避雷针防护范围计算方法，并以某型车载方舱军用电站为防护对象，法国“克雷士”避雷针为模型进行了雷电防护仿真分析研究，为军用电站机动防雷提供了相关技术手段，提高了全天候作战能力。

军用移动电站；直击雷；感应雷；雷电防护

军用移动电站是野战条件下军队武器装备的主要电能来源，被称为武器系统的“心脏”，电站与武器系统的依存度不断提高，其一旦失效或损坏，整个武器系统将陷入瘫痪状态［1］。特别针对全天候复杂地形条件下作战与训练，对武器装备电能保障提出了更高的要求，由于部队自身需求的特殊性，其作战或训练地点具有随机性、广泛性、复杂性等特点，尤其在环境恶劣的多雷区，受地理及气候因素影响军用移动电站遭受雷击的概率非常大，而一旦遭受雷击不仅其雷电过电压对电站自身造成损伤，甚至通过电站输出电缆对受电装备造成破坏，轻则影响装备性能发挥，重则丧失作战能力。

通常，军用移动电站具有较强的机动性、灵活性，与固定体防雷相比具有其自身的特点：1）军用电站的外壳是金属的，对于其内部的电子装备相当于几乎封闭的屏蔽体，能够对雷电磁脉冲起到很好的屏蔽作用；2）军用电站具有金属车皮和移动性的特点，其接地有独特的特点，其外壳可作为车内加装浪涌保护器接地和装备安全保护接地，不需单独设立；3）建筑物可以用自身的结构钢筋作为避雷针接地引下线，军用电站则需要专门的引下线，同时也要满足便于拆卸和重新连接的要求；4）建筑物的信号电缆一般通过地下金属管道进入室内，对于军用电站，由于具有移动性的特点，所以电缆都放在地面上，由感应雷在电缆上产生的感应过电压相对建筑物要大；5）军用电站的体积通常较小，车内电子装备相对密集，电缆较短，所以在采用多级浪涌保护器做感应雷防护时，应重视多级浪涌保护器间的配合设计，使浪涌保护器能发挥正常功效。

由于具有上述的特点，所以军用电站需建立完整的雷电防护系统。目前国内外针对固定体的防雷技术已经相对成熟，已有大量的防雷标准和设计规范。但是国内还没有针对军内电站的防雷标准和规范，也未见相关的理论研究。军用电站雷电防护通常可分为两方面，即直击雷防护和感应雷防护。

1 军用电站直击雷防护技术研究

部队在作战或训练条件下，军用电站通常工作在野外环境，气候或地理环境比较复杂，特别是处于空旷场地时，遭受直击雷的概率比较大，需要做好相应的防护措施。直击雷的防护主要通过外部防护来实现，外部防雷系统由接闪器（避雷针）、引下线、接地装置（接地线）等组成，缺一不可［2］。接闪器是指直接拦截雷击，瞬态过电以及用作接闪的器具、金属构件和金属屋面等。目前，防直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，其功能是把接来的雷电流，通过引下线和接地装置引入大地泄放，保护系统中设备免受雷害［3－4］。

1．1 避雷针防护范围计算

滚球法是美、澳等国家通常采用的计算避雷针防护范围的方法，滚球法是较简单、易实现的一种电气几何方法［5］。其方法是设想一个半径为hr的球围绕避雷针左右上下滚动，并认为可被此球接触的地方均是可被雷击中并引起损坏的地方，而避雷针附近未能被此球接触的空间即为被有效保护的范围或空间，即此空间内被击中的概率小，击中时也不致引起大的损坏。对于一般被保护物，美、澳等国家均规定hr＝45 m，对于重点保护物则hr＝30 m。如图1所示，按照滚球法，单支避雷针的保护范围应按下列方法确定。

图1 单支避雷针的保护范围

当避雷针高度h小于或等于地面滚球半径hr时，距hr处作一平行于地面的直线，以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A，B两点；以A，B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切，从此弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体；避雷针在hx高度的平面xx′上的保护半径，按式（1）计算。

式中rx表示避雷针在高度hx的平面x x′上的保护半径，单位为m。

当h＞hr时，除在避雷针上取hr高度一点代替避雷针针尖作为圆心，其余做法同上。

1．2 军用电站避雷针架设仿真分析

应合理选择避雷针架设的位置、高度及类型，在不影响军用电站机动性的前提下，确保既不干扰雷达、通信台站、武器装备等系统的正常工作，又能起到电站防雷的作用，并考虑性价比。以某型车载方舱军用电站为防护对象，以法国“克雷士”（CIRRUS）避雷针为模型进行了仿真分析研究，仿真条件：雷电流采用波形为10／350μs、幅值为23．8 k A的负极性雷电流，如图2所示接地装置的接地电阻为10Ω；避雷针架设的高度为2 m，可垂直升降1．5 m，车高度上的保护半径约20 m。

一般情况下，当军用电站直接遭受雷击时，避雷针提供一条雷电流对地泄放的合理阻抗路径，雷电流的巨大能量首先通过接闪器和引下线将绝大部分雷电流直接引入大地泄散，从而使军用电站免受直接雷击损害。但通过仿真计算可知，当接地装置的接地电阻分别为10，20，30，40Ω时，泄入大地的雷电流能量分别为3 930．97，3 144．78，2 830．3，2 358．58 kJ，如图3所示。可见，避雷针的泄流能力随接地电阻的增大呈现出下降的趋势。

图2 雷电流波形图

图3 不同接地电阻下避雷针的泄流能量

同时在仿真的过程中，还观测了交流母线上的三相电压波形，假设避雷针进行良好的接地，对地形成比较好的放电通道，设定接地装置接地电阻为10Ω时，如图4a）所示在t＝0．2 s时刻雷击避雷针的瞬间，交流母线上感应出的过电压峰值为0．491 k V。假设接地装置接地不良，设定接地装置的接地电阻为120Ω时，即使安装了避雷针，如图4b）所示雷击避雷针时交流母线上感应出的过电压峰值则高达0．912 k V。

图4 雷击避雷针时交流母线上的三相电压波形

由图4a）可以看出，交流母线上的雷击感应过电压含有大量的谐波，将A相电压进行傅里叶分析，得到A相电压的频谱图，如图5所示，其中频谱图的横轴分别表示1～15次谐波，纵轴表示对应各次谐波的幅值。可以看出接地电阻对避雷针的泄流能力影响非常大，其中包括引下线和接地装置的合理设计，如果这方面做的不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危及操作人员的生命安全，通常应采取多种措施尽量减小引下线阻值，对于接地装置可采取等电位连接设计，联合接地设计等［5］。

2 军用电站感应雷防护技术

军用电站传统的防雷重点是直击雷，装备中的雷达、火控系统、指控系统及指挥所、通信站及测控站等都采用了大量电子信息设备，从而使雷击的性质和数量发生了显著的变化，这些电子信息设备所遭受的雷击事故多是由于感应雷引起的，其作用范围更大，同时由感应雷造成的雷击事故数量也在逐年显著增加。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波侵入过电压，而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首［6］。

雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量［7］。而军用电站与负载之间是采用电缆连接，目前部队针对军用电站在防电磁感应雷方面还缺少有效的办法，大多数军用电站没有安装针对电源输入输出线、信号线等部位的防雷保护器，实际情况表明，致命的雷电大多都是从上述“线路接口”侵入而导致受电装备被击伤、击毁或出现各种故障，因此为防止雷电波由线路侵入电站或负载，必须在进线保护段上安装一种适合于频繁动作、动作电压准确性及稳定性高的过电压保护装置以确保电站供电及武器装备系统的安全运行。

军用电站内部电子设备密集，对于周围空间的电磁场变化非常敏感。雷电流产生的雷电磁脉冲，在军用电站外连信号线和电源线上的耦合瞬态过电压，沿线侵入车体内部，对内部通信设备造成感应雷的威胁。根据国内外对雷击概率的统计结果表明，受雷电感应沿线造成电子装备的损坏占雷击事故的90%左右。对于感应雷的防护主要采取在各耦合端口加装SPD（浪涌保护器）来防护［8］。在军用移动电站加装SPD需根据实际情况进行合理的选型，当采用多级SPD防护时，需考虑其级间配合问题，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操作浪涌。目前，SPD是最好也是最适用的浪涌抑制方法。

图5 雷击避雷针时交流母线A相电压频谱图

3 结 论

军用移动电站雷电防护是一项系统工程，在具体实施时应从装备的整体出发，目前军用移动电站雷电防护还存在诸多困难，一方面，国内尚无有针对性的防雷标准和设计规范，缺乏相关理论研究，另一方面，由于其工作环境的复杂性以及自身的特殊性，给雷电防护的具体实施增加许多不利因素，未来还需要逐步加大对这些方面的研究力度，为军队装备机动防雷提供有效的技术手段。

［1］ 胡玉贵，石右仁．军用电站维修力量评估模型研究［J］．移动电源与车辆，2007（4）：5－8．

［2］ 虞 昊．现代防雷技术基础［M］．北京：清华大学出版社，2005．

［3］ 李 健．无线通信车的防雷技术［J］．电力系统通信，2007，28（5）：47－49．

［4］ 孙旭光，魏晴昀，余明友，等．大型多雷达阵地直击雷防护方案研究［J］．空军雷达学院学报，2008，22（4）：239－242．

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

［6］ 苏邦礼，崔秉球，吴望平，等．雷电与避雷工程［M］．广州：中山大学出版社，1996．

［7］ 王时引，郑明玺．车载应急气象台防雷设计［J］．气象科技，2009，37（6）：785－786．

［8］ 刘中平．浪涌保护器的应用分析［J］．低压电气，2009（24）：33－36．

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1008－1542（2011）12－0104－04

2011－06－20；责任编辑：陈书欣

尹志勇（1979－），男，天津人，讲师，硕士，主要从事电力工程及其自动化方面的教学与科研工作。