海南衛星地面站綜合防雷措施的研究

辛 進，蒙 康，朱叢笑，閆耀輝，孫肇志，吳 濤，吳承峰

(中國西安衛星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

雷電是一種破壞力極強的自然災害,通常以直擊雷、感應雷、雷電流侵入和地電位反擊等形式破壞衛星地面站的建筑物和電子信息系統[1]。其中,直擊雷以強大的雷電流和電磁輻射損壞放電通路上的各類物體,衛星地面站通常采用接閃桿作為天線塔基最主要的防直擊雷措施[2]。感應雷(雷電電磁脈沖)使金屬導體感應出與雷雨云相反的電荷,通過電纜、機柜和接口等介質引入電子設備,造成通信和電子設備故障,采取地埋敷設、屏蔽隔離和重復接地等辦法,可以最大限度防止各類導體將感應雷引入機房設備[3]。雷電流侵入一般會使侵入線路本身和所連接設備遭到破壞,杜絕線路傳導雷電流需要將線路兩端接地,以及在線路上加裝浪涌保護器[4-5]。地電位反擊是指雷電流通過引下線和接地裝置匯入大地時,雷電流在接地裝置產生暫態高電位,如果周圍電子設備與接地裝置不共地,則二者之間會出現很高的電壓并會發生電擊穿,造成電子設備嚴重破壞,采用聯合接地方式是避免地電位反擊的有效方法[6-7]。

海南屬于熱帶海洋性氣候[8-9],雷電災害發生極為頻繁[10-11],年平均雷暴日超過100 d[12]。海南衛星地面站遭受雷擊的風險相對較高,特別是天線塔基通常是附近最高的建筑物[13],容易招引雷電[14]。另外,地面站負責的上行遙控注入、下行遙測遙感接收和上下行測量定軌業務[15],還有衛星通信、導航監測等業務[16],需要保證星地通信鏈路穩定,避免地面站遭受雷電破壞而導致業務中斷,所以加強海南衛星地面站綜合防雷系統的研究很有必要。所謂綜合防雷系統,就是外部和內部雷電防護系統的總稱[17]。外部雷電防護系統由接閃器、引下線和接地裝置組成,用于直擊雷的防護;內部雷電防護系統由等電位連接、共用接地裝置、屏蔽保護、合理布線和浪涌保護器等組成,用于減小和防止雷電流在防護空間內產生電磁效應[18]。本文利用Matlab對近30年的雷暴數據進行可視化處理;基于雷暴數據統計分析和電子設備實際情況,計算海南衛星地面站年預計雷擊次數和雷電防護等級;圍繞外部和內部防雷系統,研究提出海南衛星地面站綜合防雷的措施。

1 雷暴數據處理與分析

1.1 全國主要城市雷暴數據對比

按照《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(GB 50343—2012)規定,根據年平均雷暴日Td的大小將地區雷暴日等級劃分為4個等級:①少雷區(Td≤25 d);②中雷區(25 d90 d)。根據中國氣象局雷電防護管理辦公室發布的數據資料[17],對全國主要城市年平均雷暴日進行統計分析和等級劃分,如圖1所示。經過對比,?？谀昶骄妆┤崭哌_90 d以上,遠大于其他主要城市,屬于強雷區,一定程度上說明了海南地區雷電防護的必要性和嚴峻性。

圖1 全國主要城市年平均雷暴日和等級劃分Fig.1 Annual average thunderstorm days and level classification in major cities

1.2 海南年平均雷暴日空間分布

根據海南最近30年(1981—2010年)的雷暴觀測數據[11],利用Matlab進行可視化處理和統計分析,得到海南年平均雷暴日空間分布信息。研究發現,除三沙以外,整個海南各個市縣年平均雷暴日都大于40 d,屬于多雷區和強雷區,其中三亞年平均雷暴日59 d,陵水81 d。海南衛星地面站天線場區主要分布在海南島南端和東南海岸,因此選取三亞、陵水的數據作為分析基準,按照最壞情況考慮,海南衛星地面站所在區域的年平均雷暴日取81 d。

1.3 海南月平均雷暴日統計分析

按照《建筑物防雷裝置檢測技術規范》(GB/T 21431—2015)規定,衛星地面站防雷裝置應當每年檢測1次[19]。為根據雷暴規律開展防雷裝置檢測維護,又計算了月平均雷暴日數占全年的百分率,如圖2所示?？梢钥闯?海南一年四季都有雷暴發生,冬季最少,春季開始增多,夏季最為頻繁,秋季逐漸減少;海南雷暴月際變化呈雙峰型,1—3月較少,4月之后迅速增多,5月達到第一個雷暴峰值,平均16.9 d,6—7月略有回落,8月達到第二個雷暴峰值,平均19.0 d,10月以后開始迅速下降,4—10月雷暴日數約占全年雷暴總日數的97.0%,這期間海南衛星地面站需要及時關注雷暴預警和做好雷電防護。

圖2 海南各月平均雷暴日數占全年的百分率Fig.2 The percentage of monthly thunderstorm days to annual thunderstorm days

2 地面站雷電防護等級

2.1 計算地面站年預計雷擊次數

按照《建筑物防雷設計規范》 (GB 50057—2010)規定,海南衛星地面站年預計雷擊次數N包括建筑物本身的年預計雷擊次數N1和入戶導電設施(如電源線纜、信號線纜等)的年預計雷擊次數N2。

建筑物本身的年預計雷擊次數N1:

N1=K×Ng×Ae,

(1)

式中:K為校正系數,由于海南衛星地面站既不處于曠野孤立區,也不處于潮濕地帶,所以K=1;Ng為建筑物所在地區雷擊大地密度(次/km2·年),Ng=0.1×Td,Td為年平均雷暴日,通過上述雷暴數據分析得到海南衛星地面站年平均雷暴日為81 d,所以Ng=8.1次/km2·年;Ae為建筑物本身截收相同雷擊次數的等效面積(km2)。

當H<100 m,且2D范圍內沒有其他建筑物式,等效面積Ae的計算如下:

(2)

(3)

當H<100 m,且2D范圍內有等高或比其低的建筑物時,等效面積Ae的計算如下:

Ae=[LW+(L+W)D+πD2/4]×10-6,

(4)

式中:L、W、H分別為建筑物的長寬高(m),D為擴展寬度(m)。海南衛星地面站包含天線陣地、設備機房等建筑物,所有建筑物高度均不超過100 m,其中最高的建筑物為口徑12 m的天線塔基和結構體,高度21 m,天線俯仰轉動到最高點時可達27 m,最低的建筑物僅為3 m。這些建筑物既有獨立存在的(2D范圍內沒有其他建筑物,H=27 m),又有成群分布的(2D范圍內有等高或比其低的建筑物,H=19 m)。將建筑物長寬均按50 m×20 m計算,按照式(3)和式(4)計算得到建筑物等效面積Ae為0.007 8～0.025 km2。然后按照式(1)計算得到海南衛星地面站建筑物年預計雷擊次數N1=1×8.1×Ae,即0.06～0.20次/年,取較大值0.20次/年。

計算入戶設施年預計雷擊次數N2:

N2=Ng×(A′e1+A′e2),

(5)

式中:A′e1為電源線纜入戶設施的截收面積(km2),海南衛星地面站使用低壓埋地電源線,計算方法為A′e1=2×ds×L×10-6,其中ds表示埋地電源線計算截收面積時的等效寬度(m),其數值等于土壤電阻率(200 Ω·m),L為低壓埋地電源線長度(取150 m),計算得到A′e1為0.06 km2;A′e2為信號線纜入戶設施的截收面積(km2),海南衛星地面站使用埋地信號線,計算方法為A′e2=2×ds×L×10-6,其中L為埋地信號線長度(取50 m),計算得到A′e2為0.02 km2。然后按照式(5)計算得到海南衛星地面站入戶設施年預計雷擊次數N2=8.1×(0.06+0.02),即0.65次/年。

海南衛星地面站年預計雷擊次數N=N1+N2=0.20+0.65,即0.85次/年。

2.2 評估地面站雷電防護等級

海南衛星地面站雷電防護等級可以按照防雷裝置的攔截效率進行確定[17]。

建筑物電子信息系統可接受的年平均最大雷擊次數NC:

NC=0.58/(C1+C2+C3+C4+C5+C6),

(6)

式中:C1、C2、C3、C4、C5、C6分別為建筑物結構材料因子、電子設備重要程度因子、電子設備耐沖擊電壓因子、電子設備所屬雷電防護區因子、雷擊事故產生后果因子、所屬區域雷暴等級因子。根據C因子的取值說明[17],結合海南衛星地面站所在區域雷暴等級和設備防雷需求,C1、C2、C3、C4、C5、C6分別取1.0、2.5、3.0、1.0、2.0、1.2。然后按照式(6)計算得到海南衛星地面站可接受的年平均最大雷擊次數NC為0.054次/年。

然后,根據防雷裝置攔截效率E=1-NC/N將雷電防護等級劃分為4個等級:①A級(E>0.98);②B級(0.90

最后,海南衛星地面站防雷裝置攔截效率E=1-0.054/0.85,即0.94,所以海南衛星地面站雷電防護等級屬于B級,需要按照B級要求做好綜合防雷措施。雷電防護等級A、B、C、D在雷電防護水平、地網尺寸、引下線間距和首次雷擊電流峰值等參數要求上是有區別的,例如A、B、C、D四個等級的地網尺寸分別為5 m×5 m、10 m×10 m、15 m×15 m、20 m×20 m,引下線間距分別為10、10、15、20 m,具體可以參考GB/T 21714.3—2008 相關防雷參數設計?？傮w而言,影響雷電防護等級評定的因素主要是該地區年平均雷暴日數、建筑物本身和入戶導電設施的雷電截收面積。當前,海南衛星地面站防雷裝置嚴格按照B級防護等級進行了設計安裝。

3 地面站綜合防雷措施

3.1 接閃針防護面積

正確計算接閃針的防護面積,才能合理地為天線塔基安裝獨立的接閃針(避雷塔)。接閃針防護面積可以利用滾球法進行計算[18]。

獨立接閃針在hx高度的xx′平面上和地面上的保護半徑rx計算如下:

(7)

圖3 單根接閃針防護范圍示意Fig.3 Protection area of a single lightning rod

以海南衛星地面站某12 m口徑天線為例,為其安裝2個等高的獨立接閃針和計算防護面積。12 m口徑天線塔基和結構體收藏高度21 m,豎直高度27 m,在距離天線中心點13 m處各布設一根高度為37 m的接閃針。通過Matlab計算和仿真得到2根等高接閃針聯合防護范圍示意,如圖4所示。單根接閃針在地面的保護半徑為44.28 m,2針接閃在地面的聯合保護半徑為114.56 m,2根接閃針之間聯合保護半徑最低點高度為29.74 m,大于天線豎直高度27 m,所以該天線處于2根接閃針聯合保護范圍之內。

圖4 2根等高接閃針聯合防護范圍示意Fig.4 Joint protection area of two equal height lightning rods

3.2 天線塔基避雷措施

除了為天線塔基安裝獨立的接閃針(避雷塔)外,還可以采用天線自避雷的措施防止直擊雷破壞。天線機械結構和塔基的自避雷裝置由避雷針、引下線和接地裝置等組成,如圖5所示。對于未加裝天線罩的天線塔基,避雷針分別安裝于副反射面頂端和主反射面邊緣,引下線通過天線機械結構、俯仰、方位和第三軸,隨后接入天線塔基避雷地線,再由塔基避雷地線連接至塔基地網。對于加裝天線罩的天線塔基,在天線罩基礎墻體施工時設置一圈金屬避雷環帶,該金屬環帶與塔基地網連接,作為天線罩避雷引下線的接入點,然后在天線罩頂部安裝避雷針,通過天線罩內間隔120°均勻布設的3根引下線連接金屬避雷環帶,從而實現天線自避雷。

圖5 天線自避雷示意Fig.5 Lightning protection of antenna tower base

安裝獨立接閃針(避雷塔)與天線塔基自避雷措施各有優缺點。獨立避雷塔的雷電防護面積較大,能夠靈活設計塔高和數量,增大防護面積,有效避免直擊雷破壞,但缺點是成本較高、工期較長。對于有天線罩的塔基,天線自避雷措施是常用的防雷手段,只要天線塔基施工時按要求預留接地裝置,天線罩吊裝時安裝接閃針和布設引下線,自避雷措施同樣能夠起到防直擊雷的作用。有條件的衛星地面站,特別是對于沒有安裝天線罩的天線塔基,可以采用安裝獨立避雷塔和天線自避雷措施相結合的方式,極大程度降低天線設備遭受雷擊的風險。

3.3 機房等電位連接

等電位連接和統一接地能夠有效防止感應雷、地電位反擊對機房電子設備的破壞。① 在機房防靜電地板下面布設銅排,確保銅排與地面絕緣,構成機房等電位網格,在等電位網格匯集排處與機房接地點連接,然后由機房接地點統一接入機房地網;②將機房內的機柜、監控臺等金屬箱體的接地排就近連接到機房等電位網格上,然后將機柜、監控臺上的電子設備使用銅線逐一接入箱體接地排,從而避免產生電位差,保護電子設備;③ 將進入機房的金屬電纜屏蔽層、金屬線槽與機房等電位網格帶進行就近連接;④ 等電位連接可以有效減小防雷空間內各金屬部件、電子設備之間的電位差,原則上機房內的主機金屬外殼、金屬門窗和電纜橋架等均應做等電位連接,并以最短的線路連接到等電位連接帶上,防止出現雷電反擊。

3.4 浪涌保護器選型安裝

衛星地面站浪涌保護器布設包括電源線路浪涌保護器、信號線路浪涌保護器和天饋線路浪涌保護器的選型安裝。① 海南衛星地面站有2路10 kV高壓市電進線,經過高壓柜、變壓器,然后進入低壓進線柜,在供配電機房低壓進線柜安裝第一級浪涌保護器:沖擊電流limp=25 kA,電壓保護水平Up≤1.6 kV;UPS機房一路進線由供配電機房引入,在UPS機房進線柜同樣安裝第一級浪涌保護器;在設備機房配電箱、層配電箱、塔基配電箱和通信機房配電箱等安裝第三級浪涌保護器,標稱放電電流In=10 kA,電壓保護水平Up≤1.3 kV;② 根據信號傳輸設備的工作頻率、工作電壓、傳輸帶寬、傳輸速率、接口形式和特性阻抗等參數,選擇接入損耗小、分布電容小、近端串擾適配的信號浪涌保護器,例如在RS485、RS424等信號串口處安裝信號浪涌保護器,防止雷電流經串口進入設備,安裝RJ45系列網絡信號浪涌保護器,為PC機、服務器及其連接網絡提供較好的防雷電浪涌保護;③ 天饋線路多為波導器件,需要根據天伺饋設備的上下行頻率、輸入輸出功率、特性阻抗等參數,選擇接入損耗小、電壓駐波比小、阻抗適配的天饋浪涌保護器,當天饋系統采用波導管進行傳輸時,需要確保波導管金屬外壁與天線金屬架、波導支撐架等金屬導體電氣連通,其接地端與等電位接地端子板進行就近連接。

3.5 屏蔽保護和光纖傳輸

衛星地面站感應雷破壞有2種:① 閃電過程產生的電磁場通過感性耦合由電源線、信號線和天饋線進入機房設備;② 帶電雷雨云對地電場通過容性耦合產生電荷,當雷雨云消失瞬間,這些電荷形成電流對機房設備造成干擾和破壞。為防止雷電感應進入機房和破壞電子設備,將天線塔基與監控機房之間的全部電纜通過光纜代替,在塔基和機房分別安裝光端機,使用光纖傳輸射頻信號、網絡信號、B碼信號、10 MHz頻標等信號,減少感應雷通過導電線路進入機房的可能性。為有效防止雷電電磁波和靜電感應干擾機房設備,需要將機房建筑物鋼筋網和其他金屬材料連接形成一個屏蔽籠,并將進入機房的電力電纜、通信電纜和信號線采用屏蔽線或者使用金屬線槽進行屏蔽保護。

3.6 防雷裝置檢測維護

根據海南4—10月為雷暴活躍期的規律特點,每年4月之前對防雷裝置進行1次檢測維護,主要包括:① 使用接地電阻測試儀檢測各點位接地電阻是否符合要求,設備機房、通信機房和天線塔基的接地電阻值不大于4 Ω,獨立避雷塔的接地電阻值不大于10 Ω;② 檢查浪涌保護器有無故障,特別是每次雷暴天氣之后對供配電機房低壓進線柜、UPS機房配電箱、設備機房配電箱等安裝浪涌保護器的地方進行檢查,通過觀察浪涌保護器的狀態指示判斷是否被擊穿;③ 檢查電子設備與機柜之間、機柜與等電位網格之間、等電位網格與機房接地點之間的等電位連接線是否銹蝕松動,使用微歐計測量等電位連接線的過渡電阻,過渡電阻一般不大于0.2 Ω;④ 對于新增加的監控計算機、多功能數字基帶、網絡交換機等電子設備,檢查其接地點是否連接機柜接地排或者機房等電位網格,確保機房內所有電子設備共用接地系統。

4 結束語

利用Matlab對雷暴數據進行可視化處理,得到海南衛星地面站所在區域年平均雷暴日為81 d。在雷暴數據統計分析的基礎上,結合天線高度、機房分布、電源和信號線纜布設方式等信息,計算得到海南衛星地面站預計雷擊為0.85 次/年,按照防雷裝置的攔截效率確定雷電防護等級為B級。針對海南雷暴發生規律和地面站電子設備防雷需求,研究提出海南衛星地面站綜合防雷的措施。根據接閃針防護面積布設獨立的避雷塔或者采取天線塔基自避雷措施,可以有效防止直擊雷破壞;將電子設備、機柜、監控臺與等電位網格連接,等電位網格與機房地網連接,消除機房電位差,防止出現雷電反擊;通過安裝電源線路浪涌保護器、信號線路浪涌保護器和天饋線路浪涌保護器,快速泄放雷電流;機房與天線塔基之間采用光纖傳輸,減少感應雷通過導電線路進入機房的可能性;結合4—10月雷暴日數占比97.0%的規律特點,每年4月之前對海南衛星地面站防雷裝置進行1次檢測維護。