地空通信及雷达台站综合防雷设计研究

肖刚

摘   要：文章从综合防雷的角度出发，探讨了空管系统地空通信台站及雷达站的综合防雷设计方案。结合防雷技术和相关规范，在建筑屏蔽防雷、户外防雷及户内防雷等方面，阐述了直击雷防护和信号线路、电源防雷的方法。

关键词：防雷;无线电台站;直击雷防护;屏蔽

1    综合防雷的基本设计思路

雷电对设备的危害主要有雷电感应、雷电波侵入、直击雷和地电压反击4种形式。其中，以电压反击以及感应雷对设备破坏的力最大。综合防雷就是要以系统性的防护来减少这些雷电造成的破坏。综合防雷系统主要包括外部防雷装置、内部防雷装置、防雷电电磁脉冲装置等部分。常规意义上的外部防雷主要是指直击雷的防护。实际应用中，由接闪器、引下线、完善的接地系统构成了外部防雷。构筑和作用于建筑物内部的防雷称内部防雷，主要由屏蔽、防雷器和等电位连接3部分组成，内部防雷装置快速释放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压;防雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）裝置能更好地保护设备不受感应雷电的损害[1]。

2    综合防雷设计方案

空管设备中的导航、雷达、甚高频都放在空旷、高山等地方，容易遭受雷击。在遭遇雷击后，如何完美地将强大的电流泄放掉，减少甚至消除雷电的影响。户外有直击雷防护装置，户外与户内间有屏蔽隔离体，设备有接地保护、信号避雷器、防LEMP装置保护，多重防护逐级降低雷电最终对设备的影响。

2.1  户外防雷设计

户外防雷主要是防止建筑物或露天设备（含室外独立电子设备）免遭直击雷危害，通常设置避雷塔，并配置接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体等设施[2]。直击雷的防护是户外防雷的重点。直击雷防护装置的防护区域如图1所示。

雷电保护区中，所有设备的天线应放置在LPZ0B区域内，即防直击雷装置保护范围内。一般机房及设备应放置于LPZ1或更高级别防护区域内;重要机房及设备应放置于LPZ2或更高级别防护区域内[3]。

2.2  屏蔽隔离体系

屏蔽隔离体系介于户外防雷与户内防雷之间，主要分为两类：建筑屏蔽隔离体与室内外馈线屏蔽隔离。

2.2.1  建筑屏蔽隔离体

建筑屏蔽隔离体是指在建设设备机房时，在机房建筑各立面搭建法拉第笼式金属屏蔽网格，并与地网做好等电位连接。法拉第笼式金属屏蔽网对于雷电感应的防护效果是非常好的，还起到了屏蔽电磁信号的作用，网格的大小取决于对电磁环境隔离的需求，理论上网格越密集屏蔽效果越好。

2.2.2  室内外天馈线缆的防雷接地隔离

大多数无线电台站都面临一个难题，室外天馈线是一个良好的引雷设施，而馈线又必须引入室内。即使天线系统受到户外避雷设施保护，也难免有感应雷电的可能。因此，在天馈线进入室内之前，其屏蔽外壳必须在户外做接地保护，且原则上需在进入室内前做接地保护。馈线在设备端，必须加装避雷装置。

屏蔽隔离体能有效地防止雷电感应和雷电波侵入对设备的影响。

2.3  户内防雷设计

户内防雷系统主要是为防止感应雷电电磁脉冲造成的危害。可以通过多种方法对其进行保护，如等电位接地保护、加装避雷装置、强弱电分离、线路加装屏蔽线槽等。给机房内易受过电压破坏的电子设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速释放能量，从而保护设备免受损坏，这就是避雷装置的基本原理。

2.3.1  等电位接地

采用等电位接地是有效抑制和吸收感应雷的方法。等电位接地可以减小需要保护的空间内各种金属部件和各种系统之间的电位差，防止雷击电流入地造成地电位升高产生的地电位反击。当有雷击电流通过时，机房所有设施的电位同时升高，形成“暂态均衡”，避免产生旁侧闪络放电，从而保护机房内的设备设施。等电位接地是户内防雷设计必不可少的一环，是户内防雷的基础。

2.3.2  雷击电磁脉冲装置

雷击电磁脉冲装置有很多，本文主要介绍电源线路防雷与信号线路防雷两类。

（1）电源线路防雷装置，主要是为了防止雷电波通过电源线路对设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大，或更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备以及防止线缆遭受二次感应，电源线路防雷应采取分级保护、逐级泄流的原则：在高压电源的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器，高压部分供电局有专用高压避雷装置;在低压线路应安装过电压保护装置，电工标准国际标准IEC664-1中提出，对电源线路分为I，Ⅱ，Ⅲ防护，将过电压数值降低到设备可以承受的水平。在实际工程中，一般采用下面的安装方式：

第1级：安装于线路进入端，或LPZ0区到LPZ1区的界面，如在低压总配电室（总配电柜）内安装第1级三相电源防雷器，防护直击雷和传导雷，应该将进入端的浪涌电压限制在4 000 V以内，越小越好。

第2级：安装于线路分配端，或LPZ1区到LPZ2区的界面，如在楼层或专项低压分配电柜安装第2级单相/三相电源防雷器，可将通过第1级后的过电压进一步限制到2 000 V以内，IEC标准规定的第2级防雷器通流容量≥20 kA（8/20 μs）（IEC标准）。第2级防雷器的安装应该距离前级防雷器的线路10 m或以上，否则应该在1，2之间安装级间协调电感（也称为退耦电感）。

第3级：安装于设备端，或LPZ2区到LPZ3区的界面，如在服务器机柜、工作站、交换机等需要保护设备的前端，采用模块化或插座式电源防雷器，可将浪涌电压限制到1 000 V以内，标准规定的第3级防雷器通流容量为10 kA（8/20 μs）（IEC标准）。

（2）信號线路防雷装置，由于雷击发生时产生巨大的瞬变电磁场，在1 km范围内的金属环路都会感应到雷击，信号系统如通信系统、网络系统等的线路仍然会流入大约10%的雷击能量，将影响各系统的正常运行甚至彻底破坏系统，因此，这部分的防雷也是相当关键的。现代的信号防雷器反应速度可高达10～12 s，可以完全保护半导体元件不受雷击侵害。可在各系统线路中加装专用防雷器加以防护。

首先，对计算机网络部分进行保护，在网络系统中工作站、服务器、集线器/交换机（Hub/Switch）及重要的单机等处安装网络防雷器加以防护。

其次，对天馈设备进行保护，在天线与机房设备前端安装相应工作频率的防雷器加以防护。

最后，对通信设备进行保护，在通信线路与机房设备前端安装相应工作频率的防雷器加以防护。

信号线如音频线、远端监控用的信号线等的防雷往往易被忽视或者防雷措施不力，YD5068-98中指出“信号电缆应由地下进入移动通信基站，电缆内芯线在进站处应加装相应的信号避雷器，避雷器和电缆内的空线均应做接地保护。站区内严禁布放架空缆线”。对信号系统的防护可以引入以下的概念。

接地体，埋入地中并直接与大地接触的金属导体。

接地总汇集线，建筑物内各种接地线由此引出。

接地引入线，建筑物内接地总汇集线与接地体之间的连接线。

接地排，从接地总汇集线上接出到建筑物各层或各房间中的接地装置。各种通信设备的接地线一般接到各房间的接地排上。

3    结语

雷电的防护是个系统工程，需要从各方面综合设计考虑。只有通过完善防雷工程的整体设计，增强人员的防雷意识，依靠各种避雷装置实施综合性的预防，才能获得较好的效果。地空通信电台及雷达台站的雷电防护方式还有很多，选址避免选在雷雨高发区、地点避免在铁矿等矿山之上也是降低雷击风险的方式之一，但不管各类防雷方式如何改进，综合防护的设计理念是这些台站防雷发展的方向。

[参考文献]

[1]苏邦礼.雷电与避雷工程[M].广州：中山大学出版社，1998.

[2]菊香秋.建筑物防雷设计规范[EB/OL].（2008-03-24）[2019-08-10].https：//wenku.baidu.com/view/aa79b2a55ebfc77da26925c52cc58bd6318693ab.html.

[3]中国民航局.民用航空通信导航监视设施防雷技术规范[Z].MHT4020—2006，2006.

Abstract：From view of comprehensive lightning protection， this paper discusses the comprehensive lightning protection design scheme of ground-to-air communication stations and radar stations in air traffic control system. Combined with lightning protection technology and related specifications， this paper expounds the methods of direct lightning protection， signal circuit and power supply lightning protection in the aspects of building shielding lightning protection， outdoor lightning protection and indoor lightning protection.

Key words：lightning protection; radio station; direct lightning protection; shielding