+ 林爾雄(廣東廣播電視衛(wèi)星地球站)

一、概述

雷電發(fā)生在因強(qiáng)對(duì)流天氣而形成的雷云之間、云對(duì)地之間強(qiáng)烈瞬間放電的自然物理現(xiàn)象。隨著社會(huì)的進(jìn)步和微電子業(yè)的迅猛發(fā)展，雷電災(zāi)害也隨之呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由此帶來(lái)的損失也日益增大，因此被國(guó)際電工委員會(huì)稱為“電子化時(shí)代的一大公害”。廣州是雷雨多發(fā)地區(qū)，廣播電視衛(wèi)星發(fā)射傳輸系統(tǒng)由于微電子設(shè)備集成度高，各種信號(hào)源線路和播出設(shè)備非常多，同時(shí)播出設(shè)備普遍存在的絕緣強(qiáng)度低，過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差，對(duì)雷電引起的外部侵入造成的電磁干擾較為敏感等弱點(diǎn)，特別容易遭受雷電侵害。一旦遭受雷電侵害，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成重大的政治影響。因此，廣播電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)雷電防護(hù)十分重要，是保障衛(wèi)星發(fā)射傳輸系統(tǒng)工作的重要一環(huán)。下面根據(jù)工作實(shí)踐簡(jiǎn)單談?wù)勑l(wèi)星地球站的防雷系統(tǒng)。

二、雷電破壞途徑

對(duì)廣播電視衛(wèi)星傳輸發(fā)射系統(tǒng)造成破壞的雷擊主要有兩類，即直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷主要破壞的是建筑物及天線等室外設(shè)備，而室內(nèi)的儀器設(shè)備則易遭受感應(yīng)雷的侵害。

直擊雷：雷電若直接擊中建筑物，50%左右的能量將會(huì)從引下線等外部避雷設(shè)施泄放到大地，其中接近40%的能量將通過(guò)建筑物的供電系統(tǒng)分流， 5%左右的能量通過(guò)建筑物的通信網(wǎng)絡(luò)線纜分流，其余的雷擊能量通過(guò)建筑物的其他金屬管道、纜線分流。雷電流經(jīng)過(guò)具有電阻或電感的物體時(shí)產(chǎn)生很大的電壓降和感應(yīng)電壓，破壞絕緣，使雷電流通過(guò)，所到之處物體受熱汽化、劇烈膨脹，產(chǎn)生超強(qiáng)大沖擊性機(jī)械力，破壞人體組織、建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等。

感應(yīng)雷（雷電波感應(yīng)）：感應(yīng)雷又叫二次雷擊，它對(duì)設(shè)備的損害沒(méi)有直擊雷來(lái)得猛然，但它要比直擊雷發(fā)生的機(jī)率大得多。感應(yīng)雷可以通過(guò)自動(dòng)站的電力電纜、數(shù)據(jù)采集線路等侵入，由于電力電纜的距離長(zhǎng)且對(duì)雷電波的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應(yīng)雷造成的危害十分突出。感應(yīng)雷可以分為雷電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)兩種。衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的電子設(shè)備主要會(huì)受到感應(yīng)雷擊造成的損壞。電磁感應(yīng)雷是由于雷電放電時(shí)，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場(chǎng)引起的，這種迅速變化的磁場(chǎng)可以在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，從而損壞設(shè)備，“電磁感應(yīng)雷”占雷擊率近90%，危害范圍甚廣。靜電感應(yīng)雷是由于帶電積云接近地面，在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部感應(yīng)出大量電荷引起的。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，精密儀器、通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因而感應(yīng)雷造成的雷擊事故也越來(lái)越多，除直接造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，因重要設(shè)備損壞使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。

三、各種雷擊的防護(hù)措施

國(guó)際電工委員會(huì)IEC61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》把雷電保護(hù)區(qū)從外到內(nèi)劃分成LPZ OA、LPZ OB、LPZ1、LPZ2、LPZ3等，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，不同的雷電防護(hù)分區(qū)采用不同的防護(hù)方法，設(shè)置各部分的等電位體，劃分B、C、D三級(jí)浪涌保護(hù)防雷界限。具體到防雷措施時(shí)，雷電防護(hù)一般分為外部防雷保護(hù)和內(nèi)部防雷保護(hù)，外部防護(hù)主要是防護(hù)直擊雷，保護(hù)的是LPZ OB區(qū)，采用的技術(shù)包括接閃、引下線、接地和建筑物的屏蔽。內(nèi)部防護(hù)主要是防護(hù)感應(yīng)雷，保護(hù)的是LPZ1、LPZ2、LPZ3區(qū)，基本的防護(hù)技術(shù)包括等電位均壓、屏蔽、分流(浪涌保護(hù))。

（1）接閃

接閃器，是用來(lái)接受直接雷擊的金屬導(dǎo)體，其作用是將雷電引向自身，為雷云的放電提供通路，并將雷電流泄入大地，從而使受保護(hù)的物體免受雷害的裝置。接閃器分為避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)，其接閃原理都是一致的。

（2）接地

接地就是讓已經(jīng)進(jìn)入防雷系統(tǒng)的雷電電流順利地流入大地，良好的接地才能有效地泄放雷電能量，降低引下線上的電壓，避免發(fā)生地電位反擊。防雷接地是防雷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，也是防雷安裝驗(yàn)收規(guī)范中最基本的安全要求。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能發(fā)揮出效應(yīng)。

（3）等電位均壓

接閃裝置在接閃雷電時(shí)會(huì)吸引強(qiáng)大的雷電流，因?yàn)橐戮€接地電阻的存在，所以會(huì)在引下線產(chǎn)生很高電位，同時(shí)也會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)，并使其電位升高，進(jìn)而對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成危害。為了減少這種閃絡(luò)危險(xiǎn)，最簡(jiǎn)單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導(dǎo)體等電位連接起來(lái)，共同接地，這樣在雷電流通過(guò)時(shí)，室內(nèi)的所有設(shè)施形成一個(gè)等電位體，確保導(dǎo)電部件之間不產(chǎn)生有害的電位差。完善的等電位連接還可以防止雷電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊。

（4）屏蔽

屏蔽是防止雷電電磁脈中輻射對(duì)電子設(shè)備影響的最有效方法，利用金屬網(wǎng)或者金屬殼等導(dǎo)體把需要保護(hù)的對(duì)象包圍起來(lái)，截?cái)嗬纂婋姶琶}沖波直接入侵的通道。所有的屏蔽套、殼等均需要接地，但要真正對(duì)所有設(shè)備有效地屏蔽存在很大的困難。

（5）分流

這是現(xiàn)代防雷技術(shù)迅猛發(fā)展的重點(diǎn)，是保護(hù)各種電子設(shè)備或電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵措施。所謂分流就是在一切從室外來(lái)的導(dǎo)體與防雷接地裝置或接地線之間并聯(lián)一種適當(dāng)?shù)睦擞恳种贡Ｗo(hù)器(SPD)，當(dāng)直擊雷或雷擊效應(yīng)在線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓波沿這些導(dǎo)線進(jìn)入室內(nèi)或設(shè)備時(shí)，SPD避雷器的電阻突然降到近似短路的低值，雷電流就由此處分流入地了。雷電流在分流之后，仍會(huì)有少部分沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備，這對(duì)于一些不耐高壓的微電子設(shè)備來(lái)說(shuō)是很危險(xiǎn)的，所以對(duì)于這類設(shè)備在導(dǎo)線進(jìn)入機(jī)殼前，應(yīng)進(jìn)行多級(jí)分流。

四、衛(wèi)星地球站防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）外部防雷

主要防止建筑物、樓頂天線陣和凸出物受直擊雷侵害，由接閃器、引下線和接地裝置組成。

1) 樓頂避雷針的設(shè)計(jì)

圖1 廣東廣播電視衛(wèi)星地球站的避雷針設(shè)置

我站的接收天線陣位于機(jī)房樓頂根據(jù)樓頂建筑結(jié)構(gòu)和天線陣的分布(如圖 1)，我們采用在樓頂架設(shè)兩根附屬避雷針的方法，構(gòu)成樓頂聯(lián)合防護(hù)系統(tǒng)，這樣可達(dá)到更好的防護(hù)效果又便于施工和降低成本。避雷針位于樓房的頂層，其根部和樓板鋼筋結(jié)構(gòu)相連通，再通過(guò)樓房四周的柱體鋼筋結(jié)構(gòu)分流，將雷電流經(jīng)過(guò)引下線導(dǎo)入環(huán)形地網(wǎng)下面的接地極泄放電流。避雷針的防護(hù)范圍既能覆蓋機(jī)房建筑物，也能覆蓋到天線陣的凸出設(shè)施，同時(shí)，又能避免避雷針作為主動(dòng)引雷裝置。當(dāng)安裝獨(dú)立的避雷針時(shí) ,衛(wèi)星發(fā)射、接收天線與防雷裝置的距離必須大于3米。

2) 引下線

避雷針和樓頂避雷帶到地網(wǎng)之間的導(dǎo)體稱為引下線，引下線用來(lái)泄放強(qiáng)大的雷電電流，根據(jù)防雷規(guī)范的要求，從接閃器到接地體應(yīng)沿著建筑物四個(gè)角落引下線，多點(diǎn)下地可減少接地電阻，提高接地的可靠性，同時(shí)，減少?gòu)?qiáng)大雷電流在下地過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁感應(yīng)危害。我們使用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼引接下地，引下線離其他導(dǎo)體和人體走動(dòng)的地方最少3米的距離，在下地之前應(yīng)做好屏蔽保護(hù)措施，并涂上黑色標(biāo)志。每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于4Ω。

3) 構(gòu)建有效的環(huán)形接地體

良好的接地體（接地極），是有效防雷的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。接地體的“地”指的就是大地，當(dāng)金屬導(dǎo)體接入大地，導(dǎo)體對(duì)地泄放電流，接地電流會(huì)輻射狀流入大地，在距離接地體15～20米處電流基本減少為零，也就是說(shuō)在離接地極15～20米處的電位差幾乎為零，接地點(diǎn)到大地土壤的接地電阻及散流路徑上土壤的電阻構(gòu)成，要實(shí)現(xiàn)可靠的接地就應(yīng)盡量地減少接地電阻。接地體首先應(yīng)充分利用建筑物的自然接地體，建筑物內(nèi)部的鋼筋通過(guò)焊接和埋地基構(gòu)成自然接地體，同時(shí)也對(duì)室內(nèi)構(gòu)成雷電防護(hù)的法拉第屏蔽網(wǎng)。在接地要求較高的地球站，因?yàn)橥寥缹?dǎo)電率較低，為了降低接地電阻，還應(yīng)構(gòu)建可靠的環(huán)形接地網(wǎng)，在距離機(jī)房大樓3～5米的環(huán)形帶上(如圖2)，每隔15～20米的距離挖掘深度約2.5米的坑(如圖3)，把星狀地極埋入深坑，在比較干燥的地方放入適當(dāng)?shù)哪咎炕蛘呤秤名}等降阻劑，并在離地面不少于0.7米溝內(nèi)，用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼把各個(gè)地極焊接連成環(huán)形地網(wǎng)，然后恢復(fù)土層和草皮覆蓋，確保地網(wǎng)與大地有效地融合。

(2)內(nèi)部防雷

衛(wèi)星發(fā)射機(jī)房?jī)?nèi)部雷害主要是雷擊電磁脈沖(LEMP)和雷電沿各種管線侵入 ,造成干擾衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)或線路侵入損壞設(shè)備以及人員的傷害。根據(jù) IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)能量逐級(jí)吸收的理論,及防護(hù)區(qū)間量級(jí)分類的原則 ,需要做多級(jí)防護(hù)。在地球站有著大量精密的設(shè)備，抗干擾能力較弱，室內(nèi)外的通訊和供配電線路多，存在多種感應(yīng)雷的侵入通道，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅。內(nèi)部防雷的目的是減少和防止雷電流在需防空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，采用浪涌保護(hù)器、屏蔽和等電位連接方法，主要防護(hù)設(shè)施包括供配電系統(tǒng)和進(jìn)入室內(nèi)的各種小信號(hào)傳輸路徑。

（1）采用浪涌保護(hù)器

浪涌保護(hù)器在現(xiàn)代防雷中的應(yīng)用非常廠泛，它采用高吸收能量的分流限幅避雷器將雷電過(guò)電壓脈沖能量分流泄入大地，達(dá)到保護(hù)的目的?，F(xiàn)在大多采用的是氧化鋅壓敏電阻器(MOV)，氧化鋅壓敏電阻的特性是在電壓超過(guò)一定上限的時(shí)候，電阻呈近似擊穿的低值，從而泄放過(guò)電壓的雷電流，而且泄壓過(guò)后又可恢復(fù)高阻狀態(tài)，利用這一特性，人們開發(fā)了各種用途的SPD，包括電源防護(hù)SPD和小信號(hào)防護(hù)SPD。不同用途的浪涌保護(hù)器有不同的參數(shù)，主要的參數(shù)有：標(biāo)稱電壓Un、額定電壓Uc、額定放電電流Isn、最大放電電流Imax、響應(yīng)時(shí)間tA等。在不同的應(yīng)用地方，可選擇不同工作參數(shù)的保護(hù)器。

首先是供配電系統(tǒng)分級(jí)防雷，IEC61312定義了防雷的保護(hù)分區(qū)，根據(jù)《建筑物防雷規(guī)范》(GB50057—94)要求需要在每個(gè)分區(qū)的交界處，安裝相對(duì)應(yīng)的防雷器，在電源線進(jìn)入技術(shù)樓配電柜前安裝B級(jí)(即首級(jí))防雷器.在電源進(jìn)入U(xiǎn)PS機(jī)房之前安裝C級(jí)(即次級(jí))防雷器，在機(jī)房配電柜的設(shè)備前端安裝D級(jí)(即末級(jí))防雷器。利用分級(jí)的防雷器，層層泄放雷電或感應(yīng)過(guò)電壓，逐級(jí)減低浪涌殘壓，從而保護(hù)用戶端設(shè)備，一般電源線路可逐級(jí)選用額定放電電流為60KA、40KA、20KA的保護(hù)器SPD，同時(shí)為了防止持續(xù)過(guò)壓電流燒毀保護(hù)器，電源保護(hù)SPD還應(yīng)和空氣開關(guān)串聯(lián)使用。另外，按照高壓防雷標(biāo)準(zhǔn)，高壓防雷一般采用陶瓷閥值浪涌防雷器，在架空高壓線路受雷電侵入時(shí)，泄放過(guò)高的雷電壓。在高壓配電房、綜合配電和發(fā)電機(jī)房的輸入端都應(yīng)該安裝浪涌防雷器SPD，減少不同建筑物之間電源線路受到的雷電侵害。天線陣引入電纜，雖然天線陣受到樓頂避雷針的保護(hù)，同軸電纜受金屬橋架的屏蔽保護(hù)，但如果受到強(qiáng)大的雷電磁波的感應(yīng)，仍可能在引入電纜上疊加過(guò)電壓，對(duì)于高阻抗的接收機(jī)和高頻頭仍存在潛在的威脅，因此.電纜的入戶地方可選用小信號(hào)浪涌避雷器，減少雷電流進(jìn)入機(jī)房造成危害。一般可以選擇適合通路工作頻率，放電電流10KA或者5KA的小信號(hào)SPD。

(2)等電位連接，防止地電位的反擊

等電位連接的目的在于減少需要防雷的空間內(nèi)各金屬物與各系統(tǒng)之間的電位差。當(dāng)感應(yīng)過(guò)電壓通過(guò)某一接地導(dǎo)體侵入室內(nèi)，因?yàn)檫@一接地導(dǎo)體的接地電阻和分布在引下線的電感的存在，致使這一接地導(dǎo)體的電壓瞬間抬高。如果沒(méi)有等電位連接，一方面可能擊穿這一接地導(dǎo)體所連接的設(shè)備；另一方面，瞬間的高壓也會(huì)引起這一導(dǎo)體對(duì)其他導(dǎo)體或者附近的人體放電，造成人身危險(xiǎn)和到處打火現(xiàn)象，所以，必須對(duì)各接地體進(jìn)行等電位連接。當(dāng)某一接地體受到過(guò)電壓侵入或者受地電位的反擊時(shí)，能同時(shí)抬高整個(gè)等電位體的電壓，從而消除各導(dǎo)體之間有害的電位差。但是，并不是進(jìn)行了等電位連接就能消除入侵的雷害。過(guò)高的等電位過(guò)電壓仍可能造成過(guò)電壓對(duì)設(shè)備中的電源放電，致使設(shè)備被擊穿。如何解決等電位電壓過(guò)高的問(wèn)題呢？最有效的方法是等電位體有效的多點(diǎn)接地，盡量降低等電位體的接地電阻。各種設(shè)備、各種接地體星型連接到總的等電位體或者局部等電位體，總的等電位體多點(diǎn)重復(fù)下地，并形成閉合的接地環(huán)，局部等電位體有效地多點(diǎn)連接到建筑物地體，并多點(diǎn)連接到總的閉合等電位體，從而有效的降低接地電阻和減少引下線的電感效應(yīng).減少地電位的反擊。地球站的機(jī)房在二樓，我們通過(guò)環(huán)機(jī)房建筑物構(gòu)建環(huán)形等電位接地環(huán)，機(jī)房通過(guò)20mm×2mm 銅皮構(gòu)成局部等電位體，確保等電位體的接地電阻都在1歐以下。

接地的種類除防雷接地外，還有交流工作接地、保護(hù)接地、直流接地、過(guò)電壓保護(hù)接地、防靜電接地、屏蔽接地等，在等電位連接中，均應(yīng)共同接地，形成等電位連接體。

綜上所述，衛(wèi)星地球站防雷系統(tǒng)應(yīng)采取綜合防雷措施，即直擊雷防護(hù)措施、等電位連接措施、屏蔽措施，規(guī)范地綜合布線、設(shè)計(jì)安裝SPD、接地系統(tǒng)。避雷針是引雷針，可防直擊雷，但也把雷引過(guò)來(lái)，增加了電子設(shè)備的感應(yīng)雷擊次數(shù)，不安裝防感應(yīng)雷擊器件，電子設(shè)備會(huì)更容易被雷擊。天線場(chǎng)到室內(nèi)設(shè)備的電源線、信號(hào)線、天饋線兩端都應(yīng)當(dāng)增裝防感應(yīng)雷擊的浪涌保護(hù)器。

1. GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(2000年版)。

2. GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》。

3. GB50200-94《有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》。

4. IEC 61024-1：1990《建筑物防雷》 第1部分通則。

5. IEC 61312-1：1995《雷電電磁脈沖的防護(hù)》 第1部分通則。

6. IEC/TS 61312-2：1999《雷電電磁脈沖的防護(hù)》第2部分建筑物的屏蔽、內(nèi)部等電位連接和接地。