卫星地球站防雷系统浅析

+ 林尔雄(广东广播电视卫星地球站)

一、概述

雷电发生在因强对流天气而形成的雷云之间、云对地之间强烈瞬间放电的自然物理现象。随着社会的进步和微电子业的迅猛发展，雷电灾害也随之呈现上升趋势，由此带来的损失也日益增大，因此被国际电工委员会称为“电子化时代的一大公害”。广州是雷雨多发地区，广播电视卫星发射传输系统由于微电子设备集成度高，各种信号源线路和播出设备非常多，同时播出设备普遍存在的绝缘强度低，过电压和过电流耐受能力差，对雷电引起的外部侵入造成的电磁干扰较为敏感等弱点，特别容易遭受雷电侵害。一旦遭受雷电侵害，不仅会造成严重的经济损失，还会造成重大的政治影响。因此，广播电视卫星传输系统雷电防护十分重要，是保障卫星发射传输系统工作的重要一环。下面根据工作实践简单谈谈卫星地球站的防雷系统。

二、雷电破坏途径

对广播电视卫星传输发射系统造成破坏的雷击主要有两类，即直击雷和感应雷。直击雷主要破坏的是建筑物及天线等室外设备，而室内的仪器设备则易遭受感应雷的侵害。

直击雷：雷电若直接击中建筑物，50%左右的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地，其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流， 5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通过建筑物的其他金属管道、缆线分流。雷电流经过具有电阻或电感的物体时产生很大的电压降和感应电压，破坏绝缘，使雷电流通过，所到之处物体受热汽化、剧烈膨胀，产生超强大冲击性机械力，破坏人体组织、建筑物结构、设备部件等。

感应雷（雷电波感应）：感应雷又叫二次雷击，它对设备的损害没有直击雷来得猛然，但它要比直击雷发生的机率大得多。感应雷可以通过自动站的电力电缆、数据采集线路等侵入，由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小，所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出。感应雷可以分为雷电流产生的电磁感应和静电感应两种。卫星传输系统的电子设备主要会受到感应雷击造成的损坏。电磁感应雷是由于雷电放电时，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可以在邻近的导体上感应出很高的电动势，从而损坏设备，“电磁感应雷”占雷击率近90%，危害范围甚广。静电感应雷是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的。随着现代高科技的发展，精密仪器、通讯设备、数据网络的应用越来越广泛，因而感应雷造成的雷击事故也越来越多，除直接造成了巨大的经济损失外，因重要设备损坏使系统网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。

三、各种雷击的防护措施

国际电工委员会IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》把雷电保护区从外到内划分成LPZ OA、LPZ OB、LPZ1、LPZ2、LPZ3等，按照标准要求，不同的雷电防护分区采用不同的防护方法，设置各部分的等电位体，划分B、C、D三级浪涌保护防雷界限。具体到防雷措施时，雷电防护一般分为外部防雷保护和内部防雷保护，外部防护主要是防护直击雷，保护的是LPZ OB区，采用的技术包括接闪、引下线、接地和建筑物的屏蔽。内部防护主要是防护感应雷，保护的是LPZ1、LPZ2、LPZ3区，基本的防护技术包括等电位均压、屏蔽、分流(浪涌保护)。

（1）接闪

接闪器，是用来接受直接雷击的金属导体，其作用是将雷电引向自身，为雷云的放电提供通路，并将雷电流泄入大地，从而使受保护的物体免受雷害的装置。接闪器分为避雷针、避雷带和避雷网，其接闪原理都是一致的。

（2）接地

接地就是让已经进入防雷系统的雷电电流顺利地流入大地，良好的接地才能有效地泄放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生地电位反击。防雷接地是防雷系统中最基础的环节，也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出效应。

（3）等电位均压

接闪装置在接闪雷电时会吸引强大的雷电流，因为引下线接地电阻的存在，所以会在引下线产生很高电位，同时也会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络，并使其电位升高，进而对人员和设备构成危害。为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将处于地电位的导体等电位连接起来，共同接地，这样在雷电流通过时，室内的所有设施形成一个等电位体，确保导电部件之间不产生有害的电位差。完善的等电位连接还可以防止雷电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。

（4）屏蔽

屏蔽是防止雷电电磁脉中辐射对电子设备影响的最有效方法，利用金属网或者金属壳等导体把需要保护的对象包围起来，截断雷电电磁脉冲波直接入侵的通道。所有的屏蔽套、壳等均需要接地，但要真正对所有设备有效地屏蔽存在很大的困难。

（5）分流

这是现代防雷技术迅猛发展的重点，是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。所谓分流就是在一切从室外来的导体与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的浪涌抑止保护器(SPD)，当直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时，SPD避雷器的电阻突然降到近似短路的低值，雷电流就由此处分流入地了。雷电流在分流之后，仍会有少部分沿导线进入设备，这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前，应进行多级分流。

四、卫星地球站防雷系统的设计

（1）外部防雷

主要防止建筑物、楼顶天线阵和凸出物受直击雷侵害，由接闪器、引下线和接地装置组成。

1) 楼顶避雷针的设计

图1 广东广播电视卫星地球站的避雷针设置

我站的接收天线阵位于机房楼顶根据楼顶建筑结构和天线阵的分布(如图 1)，我们采用在楼顶架设两根附属避雷针的方法，构成楼顶联合防护系统，这样可达到更好的防护效果又便于施工和降低成本。避雷针位于楼房的顶层，其根部和楼板钢筋结构相连通，再通过楼房四周的柱体钢筋结构分流，将雷电流经过引下线导入环形地网下面的接地极泄放电流。避雷针的防护范围既能覆盖机房建筑物，也能覆盖到天线阵的凸出设施，同时，又能避免避雷针作为主动引雷装置。当安装独立的避雷针时 ,卫星发射、接收天线与防雷装置的距离必须大于3米。

2) 引下线

避雷针和楼顶避雷带到地网之间的导体称为引下线，引下线用来泄放强大的雷电电流，根据防雷规范的要求，从接闪器到接地体应沿着建筑物四个角落引下线，多点下地可减少接地电阻，提高接地的可靠性，同时，减少强大雷电流在下地过程中产生的强大电磁感应危害。我们使用40mm×4mm热镀锌扁钢引接下地，引下线离其他导体和人体走动的地方最少3米的距离，在下地之前应做好屏蔽保护措施，并涂上黑色标志。每一引下线的冲击接地电阻不宜大于4Ω。

3) 构建有效的环形接地体

良好的接地体（接地极），是有效防雷的基础环节。接地体的“地”指的就是大地，当金属导体接入大地，导体对地泄放电流，接地电流会辐射状流入大地，在距离接地体15～20米处电流基本减少为零，也就是说在离接地极15～20米处的电位差几乎为零，接地点到大地土壤的接地电阻及散流路径上土壤的电阻构成，要实现可靠的接地就应尽量地减少接地电阻。接地体首先应充分利用建筑物的自然接地体，建筑物内部的钢筋通过焊接和埋地基构成自然接地体，同时也对室内构成雷电防护的法拉第屏蔽网。在接地要求较高的地球站，因为土壤导电率较低，为了降低接地电阻，还应构建可靠的环形接地网，在距离机房大楼3～5米的环形带上(如图2)，每隔15～20米的距离挖掘深度约2.5米的坑(如图3)，把星状地极埋入深坑，在比较干燥的地方放入适当的木炭或者食用盐等降阻剂，并在离地面不少于0.7米沟内，用40mm×4mm热镀锌扁钢把各个地极焊接连成环形地网，然后恢复土层和草皮覆盖，确保地网与大地有效地融合。

(2)内部防雷

卫星发射机房内部雷害主要是雷击电磁脉冲(LEMP)和雷电沿各种管线侵入 ,造成干扰卫星发射信号或线路侵入损坏设备以及人员的伤害。根据 IEC国际标准对能量逐级吸收的理论,及防护区间量级分类的原则 ,需要做多级防护。在地球站有着大量精密的设备，抗干扰能力较弱，室内外的通讯和供配电线路多，存在多种感应雷的侵入通道，对设备的运行造成严重的威胁。内部防雷的目的是减少和防止雷电流在需防空间内所产生的电磁效应，采用浪涌保护器、屏蔽和等电位连接方法，主要防护设施包括供配电系统和进入室内的各种小信号传输路径。

（1）采用浪涌保护器

浪涌保护器在现代防雷中的应用非常厂泛，它采用高吸收能量的分流限幅避雷器将雷电过电压脉冲能量分流泄入大地，达到保护的目的。现在大多采用的是氧化锌压敏电阻器(MOV)，氧化锌压敏电阻的特性是在电压超过一定上限的时候，电阻呈近似击穿的低值，从而泄放过电压的雷电流，而且泄压过后又可恢复高阻状态，利用这一特性，人们开发了各种用途的SPD，包括电源防护SPD和小信号防护SPD。不同用途的浪涌保护器有不同的参数，主要的参数有：标称电压Un、额定电压Uc、额定放电电流Isn、最大放电电流Imax、响应时间tA等。在不同的应用地方，可选择不同工作参数的保护器。

首先是供配电系统分级防雷，IEC61312定义了防雷的保护分区，根据《建筑物防雷规范》(GB50057—94)要求需要在每个分区的交界处，安装相对应的防雷器，在电源线进入技术楼配电柜前安装B级(即首级)防雷器.在电源进入UPS机房之前安装C级(即次级)防雷器，在机房配电柜的设备前端安装D级(即末级)防雷器。利用分级的防雷器，层层泄放雷电或感应过电压，逐级减低浪涌残压，从而保护用户端设备，一般电源线路可逐级选用额定放电电流为60KA、40KA、20KA的保护器SPD，同时为了防止持续过压电流烧毁保护器，电源保护SPD还应和空气开关串联使用。另外，按照高压防雷标准，高压防雷一般采用陶瓷阀值浪涌防雷器，在架空高压线路受雷电侵入时，泄放过高的雷电压。在高压配电房、综合配电和发电机房的输入端都应该安装浪涌防雷器SPD，减少不同建筑物之间电源线路受到的雷电侵害。天线阵引入电缆，虽然天线阵受到楼顶避雷针的保护，同轴电缆受金属桥架的屏蔽保护，但如果受到强大的雷电磁波的感应，仍可能在引入电缆上叠加过电压，对于高阻抗的接收机和高频头仍存在潜在的威胁，因此.电缆的入户地方可选用小信号浪涌避雷器，减少雷电流进入机房造成危害。一般可以选择适合通路工作频率，放电电流10KA或者5KA的小信号SPD。

(2)等电位连接，防止地电位的反击

等电位连接的目的在于减少需要防雷的空间内各金属物与各系统之间的电位差。当感应过电压通过某一接地导体侵入室内，因为这一接地导体的接地电阻和分布在引下线的电感的存在，致使这一接地导体的电压瞬间抬高。如果没有等电位连接，一方面可能击穿这一接地导体所连接的设备；另一方面，瞬间的高压也会引起这一导体对其他导体或者附近的人体放电，造成人身危险和到处打火现象，所以，必须对各接地体进行等电位连接。当某一接地体受到过电压侵入或者受地电位的反击时，能同时抬高整个等电位体的电压，从而消除各导体之间有害的电位差。但是，并不是进行了等电位连接就能消除入侵的雷害。过高的等电位过电压仍可能造成过电压对设备中的电源放电，致使设备被击穿。如何解决等电位电压过高的问题呢？最有效的方法是等电位体有效的多点接地，尽量降低等电位体的接地电阻。各种设备、各种接地体星型连接到总的等电位体或者局部等电位体，总的等电位体多点重复下地，并形成闭合的接地环，局部等电位体有效地多点连接到建筑物地体，并多点连接到总的闭合等电位体，从而有效的降低接地电阻和减少引下线的电感效应.减少地电位的反击。地球站的机房在二楼，我们通过环机房建筑物构建环形等电位接地环，机房通过20mm×2mm 铜皮构成局部等电位体，确保等电位体的接地电阻都在1欧以下。

接地的种类除防雷接地外，还有交流工作接地、保护接地、直流接地、过电压保护接地、防静电接地、屏蔽接地等，在等电位连接中，均应共同接地，形成等电位连接体。

综上所述，卫星地球站防雷系统应采取综合防雷措施，即直击雷防护措施、等电位连接措施、屏蔽措施，规范地综合布线、设计安装SPD、接地系统。避雷针是引雷针，可防直击雷，但也把雷引过来，增加了电子设备的感应雷击次数，不安装防感应雷击器件，电子设备会更容易被雷击。天线场到室内设备的电源线、信号线、天馈线两端都应当增装防感应雷击的浪涌保护器。

1. GB50057-94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)。

2. GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》。

3. GB50200-94《有线电视系统工程技术规范》。

4. IEC 61024-1：1990《建筑物防雷》 第1部分通则。

5. IEC 61312-1：1995《雷电电磁脉冲的防护》 第1部分通则。

6. IEC/TS 61312-2：1999《雷电电磁脉冲的防护》第2部分建筑物的屏蔽、内部等电位连接和接地。