湛江VTS雷达站防雷接地研究与探讨

陈柳云 张侠义

摘 要：本文从湛江海事局VTS雷达站防雷和接地技术实际出发，阐述近年来防雷实践、雷电侵入雷达站的四种途径、雷达站综合防雷设计和实施方法，明确加强雷电防护技术管理工作，以求最大限度地减少雷电对VTS的破坏，履行好海上交通安全通信职责，给予类似地区VTS雷达站防雷接地管理工作提供参考和借鉴。

关键词：VTS雷达站;防雷;接地

中图分类号：TU856           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）02-0041-03

船舶交通管理系统（VTS）雷达站是由岸基雷达、甚高频（VHF）通信设备、雷达数据数字处理（DU）、频分复用（PCM）等网络传输设备、气象设备、CCTV监管设备、机房环境监控设备（空调监控、视频监控、温湿度、水浸、UPS状态监控等等）以及机房环境设备（空调、除湿机、UPS稳压电源、发电机等）等多种专业精密电子设备集成的复杂系统，是VTS系统重要的组成部分。湛江VTS系统是船舶进出湛江港的重要监控手段，全年7×24 小时运行，除因台风风力达到雷达工作风速需停止雷达天线运行外，不能中断，VTS雷达站多位于高山、海岛等多雷暴、多强风地区，年平均雷暴日达112日之多，最大风力18级以上[1]，雷电对雷达站设备造成损坏从而导致VTS系统可用率大幅降低，進而威胁设备和船舶航行安全。

湛江海事局VTS中心一直重视雷达站的雷电防护，在2000年广东（湛江）就和海南、深圳的VTS中心联合编写了《VTS系统中心及雷达站防雷技术规范》，近年来亦逐步完善防雷系统和设备，目前运转良好，防雷效果明显。2019年，湛江VTS海上大都汇雷达站正在迁建中，雷达站的雷电防护是迁建工程的重点，湛江海事局严阵以待，多次探讨，力求将雷电影响降到最低。本文从湛江海事局VTS雷达站防雷和接地技术实际出发，阐述近年来防雷实践、雷电侵入雷达站的主要途径，具体介绍运行良好的雷达站防雷系统，明确加强防雷技术管理工作，以求最大限度地减少雷电对VTS的破坏，给予类似地区VTS雷达站防雷接地管理工作提供参考和借鉴。

1 近年来湛江VTS雷达站防雷情况

湛江海事局VTS中心设备管理人员在管理维护过程发现的因雷暴过后引发的一些现象：①发生过一起TERMA雷达收发信机调制解调模块损坏，需维修更换;②雷达天线停转，雷达收发信机死机，重启运转命令后解决;③PCM、VHF收发信机、UPS设备死机，重启电源后恢复正常;④DU、维护终端等电脑主机进程DOWN，重启电脑后进程恢复正常;⑤空调、航空灯被雷击发生故障次数相对较多，需维修。

主要存在以下原因和措施：

（1）广东省湛江市的年平均雷暴日数Td=112，属于雷暴区，雷达站雷击计数器记录的雷击次数较多，特别越靠近外海越空旷位置受雷电影响越大;

（2）感应雷防护不到位：如市电进线端要多级防护、雷达天线、航空灯电源线、室外信号配电箱、监控系统等设备进入机房端加装了电源电涌保护器进行防护;同时塔顶雷达控制线至机房收发信机柜前端、室外信号箱、（UPS信号线两端）监控系统等进入机房端都应串联安装信号电涌保护器，全部雷达加装后未再次发生调制解调器故障;

（3）等电位连接不规范：雷达站机房内新增无线主干网、CCTV等等设备，未按照等电位连接入机柜和地板下均压环铜带上，机壳部分线路和电位地未连接，接线不规范、光端机没有接地、使用的地线直径不符合规格等，后期进行了整改;

（4）空调、发电机未实现防雷防护，由于发电机、空调压缩机瞬间启动功率较大，容易造成UPS、机房设备等电压不稳，故而空调电路采用单独电源线路供电，在UPS前端就独立出来，防雷保护力度较弱，且空调室外机和航空灯在机房外部，容易被雷击，后在航空灯加装电涌保护器，空调增加接地点，故障情况有所改善;

（5）各类型设备出现死机等现象，但未出现硬件性能故障，说明设备线路在雷暴甚至直击雷情况下，经过全方位的防雷保护，将过电压降到了设备能承受的水平。

2 雷电侵入雷达站的主要途径

2.1直接雷击

雷电直接击中雷达站铁塔或混凝土塔、空中机房、变压器，裸露在外部的雷达天线、VHF天线、气象传感器、能见度仪、微波、无线主干网设备、CCTV监控头、航空灯、空调室外机、线缆等，因高电压、大电流引起的热效应、机械效应造成建筑物或设备破坏性损坏。

2.2电源雷电波冲击

电力系统发生雷电感应时，沿电力线路将有很大的不平衡电流流动，雷电波沿着电源线路侵入，造成变压器、UPS设备、发电机、空调、照明、环境监控等供电设备损坏。

2.3感应电磁脉冲

云层对地面或云层对云层之间流动的雷电流，会在雷击点附近的架空或地下线路中产生感应电磁脉冲，电源线、光缆、雷达波导管、雷达电源及信号线、架空线缆、光缆、VHF馈线、环境监控设备传输线、金属线槽，CCTV信号线等等架空或者其他金属管线受到强大的电磁脉冲影响，导致连接在线路上的设备损坏。

2.4地电位反击

雷击时在接地装置的地电位会瞬间增强到数万或数十万伏，流向供电系统或各种网络信号系统，形成的电势差导致雷达站设备受损。

3  雷达站综合防雷设计和实施方法

按照《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》GB 51120-2015规范和《海事系统助航设施防雷技术规范》进行防雷系统建设，保护系统设备不受雷电损坏。图1是湛江VTS雷达站现行电子收发设备的防雷系统的示意图，在湛江雷暴区能够保持设备运转良好，防雷效果比较明显，可供参考。

3.1接地方式

雷达站及机房的接地和防雷系统首先要符合规范要求，电源接地、防雷接地、保护接地和信号接地采用联合接地方式共用接地装置，接地电阻应小于1Ω。[2]

雷达站地网根据雷达站所在地地质情况，雷达站离海比较近，土壤腐蚀性较强，埋入土壤中的人工垂直接地体间距宜为5m，宜选用热镀锌角钢或圆钢。针对部分雷达站的石头地或者沙地等高土壤电阻率区，可采用降阻剂、接地模块以及接地体延伸到海中等措施降低接地电阻。

发电机房、储油间、箱变电房、UPS设备间等大型设备房，直接或通过接地干线与基础接地装置连通，其接电点采用专用的接地干线穿塑料管与基础接地连通。

雷达设备间、大型弱电机房、屋面提前放电避雷针等，其接地点采用40*4铜带作为专用接地干线，暗敷于柱子内，从专门接地装置引至机房架空地板下方。所有电力设备、用电设备的金属外壳、电器安装金属支架、电缆的金属外皮、插座用接地专用接地保护线与接地系统连通。

机房的地线等电位连接还要消除高频的电位差，高频电流的趋肤效应更明显，要求铜带等材料不仅要横截面大，同时表面积也要比较大。机房防静电地板下方布设高纯度紫铜带并与地网连接，紫铜带呈井字网格状铺设，并用绝缘端子支撑。

3.2天线、馈线防雷

天馈系统防雷以预防直击雷和空中的感应雷为防雷的主要方向，采用安装避雷针、同轴馈线避雷器、信号防雷器、屏蔽及防护接地方式。

馈线等同轴馈线进入机房处采用串联方式安装馈线避雷器，VHF天线馈线避雷器接地接口端子，就近接到铁塔室外馈线入口处接地地线上。[3]馈线上部、下部和入室折弯处三点就近接地，并在收发信机端接信号防雷器。VHF同轴电缆金属外护层应分别在两端就近接地。另外在架空线建设时应考虑用抗风、防腐强的材料。

雷达天线底座、雷达天线波导的两端就近接地处理和等电位连接;雷达收发机與雷达天线间的控制信号线和电源线等外部缆线应采用金属屏蔽电缆线。[4]

2015 年“彩虹”登陆湛江，登陆风力强度为15 级，瞬时风力18级，造成部分雷达站线槽掀开，内部走线线缆几乎全部吹断，台损修复时已经全部改装成横截面小一点的不锈钢线槽，受风面积变小，升级了线槽锁扣，同时也加强了线槽的接地，这部分也是要注意的。

3.3电源系统防雷

供配电系统的交流电，采用电涌保护器（SPD）保护。在进线端、分配端和设备端应设Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级防护，通过选择多级保护电路和合理地设置各级元器件的参数可以实现整体保护性能的优化[5]，针对专门的雷达站传感器，室外设备部分也要加装电源电涌保护器。

雷达站机房设备、雷达站配电房及雷达站内建筑物（包括室外架设设备）等部位，从电力传输角度，自内向外划分为三级保护区，最内层区最安全但雷电承受能力差，越往外，危险性越高，最外层是最容易受直接雷击区域。[5]而机房通信设备受电涌和感应雷等雷电冲击主要是通过电源线路窜入的，故从最内层到最外层保护区，必须实行分级过电压保护，从而将过电压降到雷达站设备所能承受的水平。[6]

3.4信号线路防雷

雷达信号控制和电源线、CCTV监控线，UPS和视频等环境监控线、气象传感器采集线、网络传输线等等外部缆线包括电源线缆，特别是架空线缆，应采用金属屏蔽缆线，如材料所限无金属屏蔽，则电源和信号缆线应分别加上金属管道，并在金属管道两端就近接地，并根据管道长度添加接地点，所有备用的留空线两端也均应接地处理。[4]且在信号线设备端宜加装信号电涌保护器，信号电涌保护器是串联应用于数据线路设备前端。

雷达站机房内外所有的网线宜采且带屏蔽网线和接驳金属屏蔽RJ45接头，同时与网线相连的设备和交换机的接地接口必须就近接地。所有网络线应根据所其连接设备的重要性和价值、设备位置、设备自身防雷措施、电涌敏感度等选择是否在设备端串联加装网络信号防雷器。如网线或信号线较长，宜敷设在金属屏蔽线槽内，线槽两端和中间部分就近接地。

租用的电信运营商光缆线路的所有金属接头、加强芯等，在机房入户处接地，光猫或光端机壳接地。

3.5信息设备防雷

应将各类机柜、设施和信息化设备等通过接地系统安全接地，在机柜内部设置，汇流排与多股铜线之间的连接形成等电位连接，接入地板下方铜带上。

4 防雷技术管理

4.1重视完善雷达站建设初期方案

现在雷达站存在的一些缺陷与不足都是雷达站在建造之初就埋下的，比如防雷引下线的设置问题，接地系统的建设情况等等，最近某雷达站出现雷电事件，主要原因就是在雷达站设计雷达塔顶避雷针时采用铁塔结构钢材代替，依靠铁塔本身接地，无专门的下引线连接地网。因此在建设方案初期就要与土建设计公司、主要设备设计公司、防雷公司进行充分沟通，重点参考雷达站所处地理、地质、气象、环境等条件的实际环境情况进行方案设计与修改工作，并严格根据方案中的具体要求来进行相关器材的选择与使用，保证雷达站的防雷设备符合国家和行业的相关规范以及相关要求。

4.2扎实日常防雷维护工作

坚持“预防为主，安全第一”的原则，做实做细日常防雷维护工作。日常维护管理过程中，要定期对相关的设备、地阻值进行检测工作并记录到维护、巡检记录本上，在雷雨天气之后一定要进行防雷设备的检查与维修工作，及时做好检测、维护和保养，避免接地网在使用过程中逐渐老化和腐蚀，针对地质条件为石头、沙地等高土壤地租率区的雷达站，更要重点关注，当接地电阻值升高无法达到要求时，需采用添加降阻剂、回填土等方法使接地电阻降低。[7]

4.3 雷达站机房设计布置与防雷吻合

雷达站机房防雷系统在设计和安装布设阶段，就要充分考虑走线和防雷器的安装位置，不能因为走线符合某种美学，看起来比较统一和规整而延长走线，实际布线安装过程中尽可能就近安装防雷装置，特别是机房电子通信设备精密度比较敏感的场所，尽量缩短设备、防雷器和接地引线的长度，以缩短防雷器与被保护端口连线及防雷器与接地汇接板连线的长度，主要是引线电感会产生额外的残压。

VTS雷达站防雷和接地是一个系统工程，是保证VTS系统正常工作、信号传输通畅、人员和设备安全的重要工作。做好VTS雷达站的防雷管理工作，应根据国家和行业相关防雷规范，做到既有针对性，又有全面性，需要加强对雷达站工程的整体设计、施工和日常管理维护，才能提高雷电保护工作的成效，确保船舶交通管理系统正常，保障海上船舶交通安全，服务好当地的经济社会发展。

参考文献：

[1]夏亮，余明友，金建伟，王光，余娟.空管雷达站避雷针研究与设计[J].电瓷避雷器，2015（2）：119-123

[2]朱晓锋.关于弱电机房安全运行的主要设计思路[J].科技资讯，2008（30）：108.

[3]钟昭香，伍祥清，黄徐燕.移动通信基站的直击雷和感应雷防护[J].科技创新与应用，2013（06）：43.

[4]龚瑞卿，汤同明.海事VTS系统防雷技术[J].中国水运，2007（12）：56-57.

[5]夏亮，杨江平，邓斌，杨红梅，伍暘，郑玉军.雷达站电源综合防雷系统研究与设计[J].电力系统保护与控制，2019（16）：143-150.

[6]尤卫华.关于变电站综合自动化系统设计中若干问题的探讨[D].华北电力大学（北京），2008.

[7]陈一路.浅谈如何提高甚高频（VHF）通信系统的防雷成效[J].珠江水运，2013（13）：20-21.