罗兰C系统发射机过压防护研究与实现

周早君

摘 要：罗兰C导航系统[1]是一种脉冲相位调制的陆基中远程低频无线电导航系统，而无线电导航系统的地面发射台[2]是无线导航系统的主要组成部分，它极易受强雷雨等外部恶劣环境因素影响。为了系统地面发射台可靠工作，研究罗兰C系统发射机过压防护能力问题对罗兰C系统稳定性、信号利用率和提高军事应用能力具有很大价值。本文就针对罗兰C系统发射机过压防护问题进行了详细的研究。

关键词：罗兰C导航系统;固态发射机;过压防护

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0082-02

导航台站作为系统地面发射台起着决定性作用，曾发生多起因雷击导致发射机房设备、接收系统设备、台内供电线路等设备、模块、板件或器材损坏情况。针对导航台目前的建筑结构划分、设备情况及雷电损害的实际情况，依据现行国标、军标、行业规范的要求，通过对建筑物、构筑物、供配电系统、通信等系统接地系统的完善，并在电源、通信网络加载相应的防雷设备，实现在雷电气象条件下建筑物、供配电系统、通信系统的正常运行，以确保导航台设备正常工作。

1设计内容

依据IEC61312-1、2、3及IEC61024，并结合相关国家标准如GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）等国内主流标准、规范，针对场区发射机、发射机房、控制机房、配电室的防直击雷系统、供配电线路防雷系统、通信系统防雷现状，以建筑物内的低压电路保护为主（不涉及高压防雷保护）设计该方案。

导航台综合防雷工程参照A级保护分级，按三级防护进行设计，包含：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）、良好的等电位连接三个有机的整体。IEC/TC-81将整体防雷总结为：DBSE技术，即分流（Dividing）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）、等电位连接（安装防雷器）、四项技术的综合，从合理安装避雷器、改善接地系统等角度入手解决问题。按照全面防护，综合治理的原则进行设计。

1.1分流

就是室外直击雷防护，常见的分流措施有：设置避雷塔、避雷针、避雷带、避雷线，包括防直击雷设施的引下线敷设这些方法。

台现状：经实地勘察，台所有建筑物、构筑物防直击雷系统均安全、可靠。此方案不涉及此部分设计。

1.2接地

顾名思义就是室外全保护接地体，通过新建接地的方式为建筑物内部机房、设备、人员等提供一处安全可靠接地端，提高安全可靠性。

台现状：场区内使用联合接地系统。GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）和GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》对于接地电阻阻值的要求为≤4Ω。实测台场区联合接地电阻<1Ω，优于国家标准的技术要求。

营区办公楼接地电阻8Ω-12Ω，不符合上述标准要求，需进行整改。本次防雷工程场区继续使用现有接地体，营区需对现有接地体进行整改。

营区办公楼新建安全保护接地体采用“垂直法”进行设计。即在营区办公楼外距落水坡3米外的土壤中，按要求垂直埋入6根W50mm×L2500mm镀锌接地棒作为接地电极，接地棒间隔3-5m。接地棒顶部距离土壤表面大于0.7m，各接地棒通过3×40mm镀锌扁铁焊接，焊接处焊点长度为镀锌扁铁宽度的2倍。相连后至土壤外通过接地汇流转接盒与接地下引线连接，接地下引线采用绝缘电线BV25mm2顺墙壁垂直而上，每间隔1.5米用固定卡固定与墙壁上，引入机房后接在接地汇流铜排上，焊接处进行有效防锈、防腐处理。实测接地体接地冲击电阻值小于4欧姆时，进行回填。回填时，接地体使用100kg离子降阻剂，与土壤均匀混合，进行回填处理。

1.3屏蔽

分为室外建筑物、构筑物屏蔽与室内屏蔽两部分，基于建筑物而言，法拉第笼体是一个等位体，内部电位为零，电场为零，当外部产生电荷时，笼体直接将电荷泄放入地，以减少建筑物内部的磁场强度。保证内部设备、人员安全。

台现状：建筑物利用自身建筑墙内钢筋进行屏蔽，由于机房均在一处建筑物内，不存在穿越不同防雷分区敷设线路的情况。现有屏蔽措施可用。

对于进出监控值班室的部分电缆以及光缆采用T2 0.05×40mm2紫铜带紧贴其进行缠绕的方法对电缆进行屏蔽处理，并在信号线缆进入建筑物前使用BV6mm2护套铜线分别對紫铜带、线缆屏蔽层良好接地。

进入监控值班室的通信光缆的加强芯，通过BV6mm2护套铜线进行接地处理。

1.4等电位连接（安装防雷器）

等电位的目的是为了避免因地电位反击电压导致电击事故，同时可减少电位差、电弧、电火花发生的机率。针对无法直接接地等电位的线路通过安装防雷保护器来进行等电位连接。防雷器的作用是用来保护供电、信号、馈线等系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。

1.4.1供电系统防雷措施

为防止和减少雷电涌对被保护设备造成的危害，保护人民的生命和财产安全，依照相关标准及规范的要求，结合用户的实际情况，对台防雷工程进行设计、施工，确保概率超过99%以上的雷电气候条件下被保护的供配电系统及通信系统的设备能够正常工作、人员的安全。

电源第一级防雷：分别在场区低压配电房1#变压器输入柜、低压配电房2#变压器输入柜以及营区低压配电室总开关输出端各安装一套德国OBO MCD50-B/3+MCD125-B/NPE+V20-C/3+NPE-AS高能量三相电源防雷器。

分别在L-N、N-PE间进行保护，对上述低压配电室后端所有用电设备进行电源的第一级防护;同时配备UC-2000雷电流记录装置，用来检测防雷器工作状态，并24小时不间断统计防雷器工作数据。

电源防雷器工作原理：供电系统防雷设备其核心保护单元为氧化锌压敏电阻材料，氧化锌压敏电阻片具有良好的非线性伏安特性。在系统电压低于其压敏电压时，呈高阻状态，只有以容性电流为主的很小的（μA级）电流通过;当电压超过氧化锌电阻片压敏电压时，会立即导通氧化锌电阻片，使其呈低阻状态，吸收过电压产生的能量，限制过电压的幅值，因其良好的非线性伏安特性，即使通过的电流达到几kA，其两端的残压仍被限制在规定的范围内。采用这种高性能的氧化锌电阻片作为限压释能元件而制造的氧化锌避雷器，可有效保证系统和设备的安全。

电源第二级防雷：在场区控制机房配电箱内、发射机房配电箱内、空调機房配电箱内、营区办公楼一层低压配电总柜内分别安装一套德国OBO V20-C/3+NPE-AS三相电源防雷器，附带AS声光报警功能。

分别在L-N、N-PE间进行保护，对上述低压配电室后端所有用电设备进行电源的第二级防雷。

电源第三级防雷：对重点设备增加电源第三级防雷措施（精细级电源防雷插座），进一步降低线路过电压，并且将电压嵌位到安全水平。

在场区控制、发射、值班室、营区通信机房设备等各类用电终端设备的电源前端，分别加装德国OBO单相插板型低残压防雷插座CNS 3-D-PRC（10A三孔）最大通流量为7.5kA/线。

1.4.2场区控制机房防雷措施

在场区控制机房的GPS接收机3个馈线端口处、北斗信号接收1个馈线端口处以及天线电流取样设备1个馈线端口处分别加装1套德国OBO DS-BNC同轴线信号防雷器，共5套。在场区控制机房的远导2#接收机3个馈线端口处、GPS信号1个馈线端口处分别加装1套德国OBO DS-N同轴线信号防雷器，共4套。DS-N传输功率400W，放电电流10kA（8/20us）和5kA（10/350us），传输频率0-5.3GHz。在场区控制机房的同步监测机柜、时频机柜、控制授时机柜电源前端各加装1套德国OBO V10-C/2+K3*10-16A单相电源防雷插座箱，共6套。

信号防雷器工作原理：信号防雷器其核心保护单元采用晶体二极管，晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

1.4.3场区发射机房防雷措施

导航台发射系统设备自身已有比较完善的防雷系统，加之发射系统在日程工作中所承担的任务非常重要，不允许对现有防雷系统进行改造。所以，此次方案设计建议发射系统继续使用现有防雷系统即可。仅在发射设备静电地板下方加装德国OBO 1801接地汇流排来完善现有发射设备等电位系统。

接地汇流排工作原理：在内部防雷系统中（或者电气系统）接地汇流排主要作用是均压。一般接地汇流排安装在机房至地网的地线前端，而机房里所有设备的接地线汇集到这个汇集排上，当然，如果机房设备过多，一般是在静电地板下制作均压环，设备接地线和静电地板接地线就近连接至均压环上，防止地电位反击事故反生。

1.4.4雷电峰值记录系统

在导航台动力配电室、各通信机房所在建筑物总配电室、各建筑物内接地汇流总排上分别安装一套雷电流峰值记录卡，可以监测到建筑物接地装置上向地泄放雷电强度的大小。雷电峰值记录系统工作原理：使用雷电计数器和雷电流峰值测试系统，通过一个或几个雷雨季节的持续观测，分析得到的数据，可以客观地评价导航台的雷暴实际情况，为导航台的雷击风险评估、被保护设备的雷电防护等级的确定以及今后设备受损赔偿提供依据。

2防雷系统在饶平导航台安装试验情况

饶平导航台位于广东省东端沿海饶平县，在东经116°35′～117°11′，北纬23°28′～24°14′处，北回归线在县境南部穿过。该地区属海洋副热带季风气候区，气候温和，季风明显，雨量充沛，年平均气温21.4°C，降雨量1475.9毫米。饶平县属全国雷电灾害多发区，每年6月至10月是雷击事故高发期。根据近40年的气象资料统计，年平均雷暴日数52.6天，雷击频率和强度属于高雷区，每年因遭雷击伤亡人数达40至50人，直接经济损失数千万元。饶平导航台也多次遭雷击损坏装设备。

经组织北京天佑雷诺科技有限公司在饶平台进行了综合防雷设备的安装。两年以来，经强雷雨等恶劣环境的检测和实测防雷设备运行参数，达到了系统防强雷电的预期效果。但由于前期勘察现场不细致，设计方案仍有缺陷，并做了部分调整： （1）原方案天线电流取样信号线（在室内由发射机房引至控制机房）加装防雷意义不大，调整为接收天线馈线防雷;（2）原方案发射天线安装OBO地极平衡保护器的设计，对连续发射大功率信号和保护器的性能指标论证分析不足，导致安装失败，烧毁保护器，况且在发射天线人为加接一个高阻设备是否对天线电参数造成变化更需科学地分析和论证，经双方现场协商，调整为将保护器安装在通信机房新建地与原接地体之间，进行有条件联合接地;（3）为了避免防雷器对信号的延迟，取消对卫星双向接收机安装信号防雷器。经综合分析，取消了这一项，防雷器作为备品留存导航台。

参考文献

[1] 黄智刚，孙国良.无线电导航原理与系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 刘钝，甄卫民，冯健，等.长河二号东、北海台组发射机线路图集[D].西安：西安电子科技大学，2014.