测控系统防雷设计*

张一帆

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

测控系统防雷设计*

张一帆

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

文中主要介绍测控系统的防雷设计方法。针对当前新建测控站不设置避雷塔的情况，首先介绍了测控系统的防雷原理和防雷系统构架，接着从外部防雷、内部防雷两方面介绍了固定、机动测控站采取的一系列具体的防雷措施。通过理论分析和实际工程应用，证明所介绍的防雷设计方法行之有效，能够较好地解决测控系统在雷雨天正常工作的问题。对以后的测控系统项目的防雷设计具有指导意义。

雷电侵入；接闪器；引下线；避雷器；测控系统

引 言

在传统的测控系统地面固定、机动站中，有单独的避雷塔对设备机房及天线等实施防雷保护。随着测控技术的发展和用户提出新的要求，新建的固定、机动测控站基本都不再设置单独的避雷塔。一般测控站通常按二类防雷建筑物考虑防雷，部分站址又处于南方多雷区，这就对整个系统的防雷设计提出了更高的要求。由于大多数测控设备的工作电压仅为几伏或几十伏，对外界的干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数百万伏[1]，瞬间电流可高达数十万安培，因此，具有极大的破坏性。对于测控系统的防雷，很多技术人员做了很多工作，也取得了一些成绩，但雷电损毁设备的事件还是时有发生，并且对于测控系统防雷设计也没有形成一套完整的体系。本文从总体角度出发，对测控系统的防雷做了系统性的阐述，能够有效解决测控系统的防雷问题，使测控设备能够在雷雨天避免雷电的损坏，维持测控系统的正常运行。

防雷设计是一项综合工程，包括完善的外部防直击雷系统、合理配置过电压保护装置(含电源、通信)、良好的等电位连接3个方面。

1 防雷原理及防雷系统构架

防雷设计由雷电侵入、分区防雷、等电位连接3部分所贯穿。其中雷电侵入包括直击雷、传导雷、云层间放电、市电过载等类型。分区防雷按建筑物内外分出不同分区，根据设备所处分区来选择不同级别的防雷器及安装位置。分区防雷的必要条件是正确安装等电位连接系统，然后在各分区之间安装防雷器作为补充，因此建立等电位连接系统至关重要。等电位连接的目的在于减小保护区内各金属部件之间和各系统之间的电位差。

防雷系统设计需从外部防雷和内部防雷两方面考虑，防雷系统构架见图1。

图1 防雷系统构架

外部防雷用于将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。对于测控系统来说，外部防雷主要指天线系统的防雷、机房建筑物的防雷。机房建筑物的防雷由基建依据相关的国家标准设计保证，天线系统的防雷则需要单独设计防雷装置。

防雷装置由接闪器、引下线和接地装置构成。接闪器的数量、高度和安装位置应根据滚球法确定。滚球法是指，一个半径为hr的球体沿着需要防直击雷的部位滚动，如果球体只触及接闪器(包括用作接闪器的金属物)，或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物)，而不触及需要保护的部位，则该部分就得到了接闪器的保护，参见图2[2]。

图2 单支避雷针的保护范围

内部防雷系统主要是对机房内易受电压破坏的电子设备加装过压保护，快速泄放侵入电源或信号线路的雷电波，从而保护设备免受损坏。对于测控系统而言，主要是安装各种型号的避雷器。

2 固定测控站防雷设计

2.1 固定测控站一般布局

固定测控站一般由天线、天线塔、地沟、主机房、供电系统构成，如图3所示。

图3 一般固定测控站布局示意图

当前新建的地面测控站的天线场区距离主机房都比较远，最远的可达200 m。从天线至主机房的传输电缆需要长距离传输，因此测控系统防雷设计重点考虑电源系统、天线系统、传输线缆、机房设备接地等方面。

2.2 电源系统防雷设计

测控系统机房的交流供电系统通常采用TN-S制，即三相五线制(单相三线制)供电方式。在这种供电方式的整个系统中，具有单独的中线N和保护接地线PE，N与PE分开。电源系统通常采用分级保护、逐级泄流原则[3]。

电源系统的防雷主要通过基建保证。要求测控站总配电做第一级电源防护，第一级防雷器的主要作用是泄流，把大部分的雷电能量泄流入地。测控系统的电源总配电进行第二级电源防护，第二级防雷器的作用是泄放部分电源浪涌，降低供电线路过电压。机房UPS前端进行第三级电源防护，进一步降低供电线路过电压。

2.3 天线系统防雷设计

天线结构系统作为测控系统的重要设备，在室外并居最高位置，所以天线结构系统是防雷的关键部位。对于天线结构系统，无避雷塔防雷的核心问题在于防止直击雷损坏机械结构件尤其是天线座的回转轴承，合理布局引下线，尽量减小雷电脉冲通过引下线时对电子设备的干扰。

天线系统防雷装置由接闪器、引下线和接地装置构成。接闪器通常又称为避雷针，引下线就是避雷接地线，接地装置埋设在地下土壤内，一般要求接地电阻不大于4 Ω，由基建保证。其中设计难点在于合理设计各种类型天线的引下线，为雷电提供合适的泄放通道。

具体设计时，在天线顶端和天线副面上安装适当数量的接闪器。引下线的设计对于限动天线而言，因俯仰轴承只作90°转动，采用短连线的方式；对于转台式天线采用多电刷滑环防雷引下线；对于轮轨式天线则可采用卷绕方式的防雷引下线，引下线和天线信号线走同一个卷绕，距离拉不开，雷电流对信号线可能产生感应电流，因此在走线时应将信号线和防雷引下线尽量拉开距离，避免平行布置，敏感的信号线应采取屏蔽措施。

2.4 传输线缆防雷设计

从天线至机房的电缆存在长距离传输的问题。为防止长距离电缆上感应的雷电脉冲进入机房设备，需在线缆的两端加装避雷器。避雷器的作用就是在最短的时间(纳秒级)内将被保护线路接入等电位系统中，使设备各端口等电位，同时将电路上因雷击产生的大量脉冲能量短路泄放到大地。根据传输信号频率的高低选用相应频率范围的避雷器，通常有低频信号避雷器RJ45-E100/8、同轴避雷器HX-090N50F/M等。

在地沟内布设线缆时根据传输信号的不同分开敷设，避免长距离并行布设，必要时进行屏蔽和重复接地。

2.5 机房设备接地设计

在各设备机房的活动地板下面，对应于机柜、控制台位置设置悬浮接地铜皮。接地铜皮应便于设备就近接地，接地铜皮材料选用紫铜，接地铜皮的截面积大于50 mm2，与信号地应良好连接。

大功率机房、伺服机房接地与其他机房接地分开，各机房接地应与信号地保持良好连接。

3 机动测控站防雷设计

3.1 机动测控站一般布局

机动测控站一般由天线车、设备方舱、保障车组成，见图4。

图4 一般机动测控站布局示意图

从整个机动站的防雷考虑，一般在天线车上设置单独的避雷针，从而为整个机动站提供有效的防直击雷保护。另外，保障车、设备舱的电源等均采用有三级防雷功能的串联型电源避雷器进行保护。

3.2 天线车防雷设计

天线车配置避雷针，根据图2滚球法对避雷针的保护范围计算可得[4]，对于一般规模的机动测控站，天线车配置15 m高的避雷针即可为其余方舱提供有效的防雷保护，参见图4。

从设备舱、保障车进入天线系统的线缆根据传输信号的不同选用合适的避雷器。

3.3 设备舱防雷设计

对于设备方舱，首先在电源引入线处安装三相或单相防雷保护器、电源滤波器；其次在射频信号线出入方舱处安装防感应电流的信号避雷器以保护舱内设备，避雷器参数应根据信号线的最大电平来确定。有些系统方舱间使用光缆传输信号，则在光缆引入方舱时，其护套和加固金属芯线应通过避雷器进行防雷接地。

方舱一般设计有两个接口窗，电源接口窗和信号接口窗。方舱内部采用信号地、外壳保护地和交流地3套接地系统。外壳保护地一般采用紫铜带沿方舱四周骨架布设；信号地为悬浮地，采用外加绝缘套管的紫铜带沿走线槽布设；交流地采用电缆。外壳保护地和交流地最后汇总于电源接口窗的接地柱，信号地接入信号接口窗的接地柱。

3.4 机动站地网设计

一般机动站任务现场的地网为固定预设式，即事先选址若干，按专业要求建设地网备用，并预置接地桩。要求提供的接地极应预先进行“三防”处理，保证设备地线连接可靠。

信号地桩接地电阻≤4 Ω，电源安全地桩接地电阻≤4 Ω，避雷地桩接地电阻不大于8～10 Ω[5]。

所有对地网的接地采用联合接地法，即共地不共线。避雷针接地、天线接地、方舱信号地、方舱安全地、方舱电源避雷器接地分别单点接入公共地网各对应接地桩。

对于个别机动性要求高的测控站，需要在执行任务时临时布设地网，则应预先准备若干钻有大量小孔的镀锌铁管和导电、降阻剂。在敷设地网时可将铁管砸入地下并倒入导电、降阻剂来接地。目前各专业防雷公司均有专用接地棒(电极)和降阻剂，根据任务现场的情况埋设适当数量的接地棒即可达到规定要求。

4 结束语

防雷设计是一项系统工程，涉及机房建设、屏蔽设计、接地设计、设备自身防雷、线缆布设、设备内部电路与元器件耐冲击设计等多个方面。只要综合考虑各项措施，严格遵守防雷接地规范，就能达到理想的防护效果。近期的几个测控站按照上述设计采取防雷措施，到目前为止，系统运行正常。

[1] 朱新第. 弱电设备防雷初探[J]. 浙江电力, 2002(1): 43-47.

[2] 潘忠林. 现代防雷技术[M]. 成都: 电子科技大学出版社, 1997.

[3] 王振旺. 微波雷达防雷措施研究[J]. 雷达与对抗, 2007(1): 17-20.

[4] 全国信息技术标准化技术委员会. GB/T 2887—2011电子计算机场地通用规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011.

[5] 中国人民解放军总装备部. GJB 6784—2009军用地面电子设施防雷通用要求[S]. 2009.

张一帆(1976-)，男，工程师，主要从事电子设备结构总体工作。

Lightning Protection Design of TT&C System

ZHANG Yi-fan

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

This paper mainly introduces the method of lightning protection for TT&C System. Considering the situation that newly-built TT&C stations at present have no lightning protection tower, the lightning protection principle and design architecture of TT&C system are introduced first. From the aspects of internal and external protection, a series of specific lightning protection measures are adopted for the TT&C systems of fixed and mobile station. By theoretical analysis and practical engineering application, it is proved that the lightning protection design described in this paper is effective and able to deal with the issue of TT&C system operating normally in thunderstorm weather. It is of guiding significance for lightning protection design of future TT&C programs.

lightning intrusion; lightning arrester; down conductor; lightning protection device; TT&C system

2012-12-05

TM862+.1

A

1008-5300(2013)02-0011-03