遥感卫星机动站避雷方案优化设计

中国天绘卫星中心 李松彬 陈 勃 秦 朗

遥感卫星机动站避雷方案优化设计

中国天绘卫星中心 李松彬 陈 勃 秦 朗

机动数据接收站（简称机动站）是基于车载的遥感卫星数据接收、处理系统，由数据接收天线、数据接收车、数据处理车、配电车四部分组成。现有某型数据接收站避雷器属单针避雷器，避雷器防护区不能做到对数据接收天线的有效覆盖。本文分析了避雷器的工作原理及其覆盖范围理论模型，指出了现有避雷器的弊端，提出了改进的避雷器布设方案，此方案可有效地提高机动站在雷雨天气下作业的安全系数。

避雷器；滚球法；防护范围

1 引言

机动站具有灵活、机动的特点,可以通过公路、铁路等方式快速机动到指定地点,完成卫星数据接收、处理任务[1]。受接收仰角限制,机动站部署净空区要求接收仰角5°以上无任何遮挡物,天线展开后高达11.5米,易遭受雷击,为保障人员及设备安全,做好防雷措施至关重要。本文分析了避雷器的工作原理及其覆盖范围理论模型,指出了现有避雷器的弊端,提出了改进的避雷器布设方案。

2 机动站天线车防雷现状

2.1 避雷器防护范围的理论模型

根据GB50057-2010——《建筑物防雷设计规范》规定,滚球法是计算其避雷器防护范围的理论模型。所谓滚球法是以hr=45m为半径的一个球体,紧贴避雷器,并以其顶端为切点,绕其旋转后,得到一个位于球体正下方的锥体空间,该空间即为避雷器防护区,即位于该区域的物体能够受到有效保护[2]。

图1 单针避雷器防护原理

设:h为避雷器的高度;hx表示被保护物的高度;hr为滚球半径。当避雷器的高度h＜hr时:距地面滚球半径高hr处作一平行于地面的平行线,以避雷器顶端为圆心,hr为半径,作圆弧交平行线A、B两点,再以A、B为圆心hr为半径作圆弧与避雷器和地面都相切,由这个圆弧旋转成为一个锥体,这个锥体就是避雷器的防护范围[3],如图1所示:

避雷器在hx高度上的保护半径rx:

避雷器在地面上的保护半径,应按下式计算:

式中:

当h＞120m时,取其等于120m。

2.2 机动站天线车避雷器现状

机动站天线车目前使用的是单针避雷器,其高度为15m,距接收天线中心体直线距离为6.1m,机动站天线与避雷器位置示意图如图2所示:

图2 数据接收天线示意图

单针避雷器实质上是引雷针,它通过将雷电引向自身,使处于防护范围内的设备及人员免受雷电的直击。其优点是制作简单、安装方便、价格低廉,缺点是防护范围小、没有限流作用、瞬时会有幅值很高且陡度很大的电流流经避地线,产生的二次效应(如反击、高电位、大感应电流)会对周围电子设备造成极大损毁[4]。

2.2.1 现有单针避雷器防护范围计算

接收天线属第二类保护体,滚球半径hr=45m,由滚球法的h、hr、hx这三个变量可以计算出任意高度hx的防护半径。以避雷器的水平投影为坐标中心,可以做出任一高度防扩范围,不同高度上的防护范围在水平面上投影为以避雷器位置为圆心的同心圆。

机动站天线中心体高度hx=11.5m,避雷器高度h=15m,滚球半径hr=45m,根据防护半径公式(1)、(2)计算得到现有单针避雷器在hx=11.5m高度上的保护半径为4m,在地面上的防护半径r=22.5m,防护范围仿真示意图如图3所示(为便于仿真,将数据接收天线模拟为直径7.3米,高11.5米圆柱体):

图3 现有避雷器防护范围

根据图3可以看出接收天线并未完全处在避雷器的有效防护范围之内,因此该避雷器并不能起到应有的雷电防护作用。为了增加避雷器的防护范围,应当考虑增加避雷器的高度,通过公式(1)计算可知,若使接收天线全部处于避雷器的防护范围之内,须将避雷器升高至24.5m,但实施中,不能将避雷器设置太高以降低被绕击的概率(绕击概率与避雷器高度的平方成正比)[5]。

2.2.2 现有接地体的装设

根据GB50057-2010——《建筑物防雷设计规范》规定,单针避雷器应装设独立的接地体,接地体工频接地电阻不应大于10Ω,且接地体与被保护物的接地体以及其他装置的接地体也应保持一定的地中距离,以免在地中向被保护物的接地体发生反击(接地体的地中距离一般不应小于5m),数据接收天线采用多根接地桩接地时,桩间距应该大于2m的距离。机动站天线及其避雷器接地体目前均采用一组接地铜棒,实测接地电阻为6Ω,为提高防腐蚀和防电蚀能力,表面进行了电镀处理,棒间距为0.5m,深度为0.8 m。

2.3 结论

综上所述,机动站天线车在单针避雷器方案设计、接地体埋设上存在不足,设备和人员易受到雷击伤害,为此,我们提出了两针避雷器及接地体改进布设的优化设计方案。

3 机动站天线车避雷器改进设计

3.1 两针避雷器防护模型

当雷电防护范围面积较大时,应考虑采用多针防护,以降低避雷器高度,从而降低绕击概率,为满足机动站方便安装、灵活机动的特点,适宜采用两针等高避雷器[6]。

两针等高避雷器理论模型∶

两针等高避雷器采用对称式分布、高度相同的两根避雷器,其原理示意图如图4所示:

图中bx为两等高避雷器防护范围的一侧最小宽度; ha=h-hx。

两针等高避雷器外侧的防护范围应按单针避雷器的计算方法确定;两针间的防护范围应按通过两针顶点及防护范围上部边缘最低点O的圆弧确定,设圆弧的半径为R'O。O点为假想避雷器的顶点,其高度应按下式计算:

式中:

hO——两针间防护范围上部边缘最低点高度,单位m;

D——两避雷器间的距离,单位m;

P——高度影响系数,h≤30m,P=1;

两针间hx水平面上防护范围的一侧最小宽度bx,在得到bx后,可按图5确定两针间的防护范围[7]。

机动站天线直径R=7.3m,若使天线中心体完全处在避雷器防护范围之内则需2bx＞R,即bx＞3.65m,适当升高避雷器高度(两针间距离与针高之比D/h不宜大于5)使h=16.5m,则ha=h-hx=5m,根据图5可以得出D/hap=2.5,则bx/ha=0.75通过计算可得bx=3.75m,ho=14.75m＞11.5m符合bx＞3.65m,ho＞h的覆盖条件。求得bx=3.75m后,绘出机动站两针等高避雷器防护范围示意图如图6所示。

图5 两针等高(h)避雷器间防护范围的一侧最小宽度(bx)与D/haP的关系注：(a)D/haP=0～7；(b)D/haP=5～7

图6 两针等高避雷器位置示意图

由于避雷器1位置的选择充分考虑了不影响天线的运行及拆装,所以其位置较为固定,因此避雷器2无法固定在天线基座之上,从可快速安装、方便运输及重复利用角度,避雷器2可采用移动式避雷器,其特点是设有底座,底座与接地体通过下引线相连,在底座上安装有活动连接的可伸缩式支撑塔,整个装置根据需要随拆随装,各构件之间组装容易实现。采用该种可伸缩式避雷器,可以做到平时伸展张开进行防护,需要搬运时也可放于车内,便于运输。

3.2 避雷器接地体及引下线改进

考虑到接地体便于安装且可重复使用的特点,每根避雷器应采用三根直径25mm镀锌铜棒垂直接地,深度不小于0.8m,棒间距不小于2m,与接收天线接地体间距不小于5m,与接收天线以及各方舱距离不小于5m,且要在天气干燥时对接地体进行浇注,以降低接地电阻。或采用导电性、稳定性较好,具有强吸湿保湿能力,能有效降低接地电阻,可移动的防雷接地模块作为避雷针接地体,以确保其安全性和稳定性。

为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气线路的反击,避雷器引下线与接收天线阵地应有距离要求。当金属物或电气线路与防雷的接地装置相连时,其与引下线之间的距离应满足[8]:

式中:

Sa——空气中水平距离;

kc——分流系数(单根引下线时应为1);

lx——引下线计算点到连接点的长度。

4 结语

机动站天线车的防雷工作对于天线的正常可靠运行有着很大的影响。本文就天线现有防雷措施作了初步探讨,并提出了一些改进方案。此外,还有很多问题(如雷电高频干扰对电子设备的影响等问题)尚需作进一步的研究。但是对于防雷,不可能完全消除雷害,只能不断地改进防雷措施,最大限度地防止受到雷击。经过长期的摸索与实践,人们已积累起很多有关防雷的知识和经验,形成了一系列对防雷行之有效的方法和技术,只有充分了解现有设备的技术特点,设计出符合技术指标的综合防雷系统才能保证数据接收的正常运行以及设备和人员安全[9]。

［1］陈刚.机动遥感卫星接收系统发展［J］.现代雷达,2003, 6(6):40-42.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50057-2010.《建筑物防雷设计规范》［S］.

［3］陈敏.避雷针防护范围的计算［J］.四川电力技术,2003(5).

［4］虞昊.现代防雷技术基础［M］.北京:清华大学出版社.1995.

［5］王匀.雷达站的防雷保护［J］.现代建筑电气,2010(Serial1): 28-32.

［6］李京校.移动气象雷达车避雷针设计分析［J］.气象科技,2010,12:766-770.

［7］邓国平.滚球法防雷设计的可视化［R］.第一届中国图学大会,2007.08.05-2007.08.07:139-142.

［8］韩东鑫.新一代天气雷达防雷和接地系统的设计［R］.浙江省气象局.498-501.

［9］林秋望.通信防雷技术［M］.北京:中国邮电出版社,1985.

李松彬（1989—），吉林磐石人，大学本科，现工作于中国天绘卫星中心。