衛星地球站天饋電子設備防雷研究

1、 衛星通信簡(jiǎn)述

衛星通信是以人造衛星為中繼站的無(wú)線(xiàn)電通信。它工作于微波波段。衛星通信已成為重要的現代化的通信手段，在國內外獲得了廣泛的應用。美國在海灣戰爭期間，采用衛星通信處理美軍戰區約90%的通信業(yè)務(wù)。衛星通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠，建站成本與通信距離無(wú)關(guān)，以廣播方式工作，便于實(shí)現多址聯(lián)接，通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類(lèi)型多，性能穩定可靠，不受地理條件限制，靈活機動(dòng)等特點(diǎn)。我國的衛星通信發(fā)展迅速，固定式衛星通信地球站，車(chē)載式衛星通信地球站，便攜式衛星通信地球站，移動(dòng)衛星通信地球站等等大量應用于國內軍用民用衛星通信網(wǎng)中。隨著(zhù)衛星通信技術(shù)的發(fā)展和衛星通信業(yè)務(wù)的需求，國內衛星通信已從單一的C波段發(fā)展為C、UHF、Ku多波段的衛星通信。在抗震救災中，便攜式衛星通信地球站，移動(dòng)衛星通信地球站充分發(fā)揮了它的作用。本文僅對地面某固定衛星通信地球站防雷問(wèn)題進(jìn)行探討。

2、 某衛星站電子設備多次被雷擊壞

某衛星通信地球站機房樓頂架了避雷針，離地高度約27米，以保護機房通信設備。天線(xiàn)場(chǎng)并排架了三座鐵塔避雷針，離地約32米。以保護天線(xiàn)場(chǎng)的天線(xiàn)饋線(xiàn)系統級及天線(xiàn)尾部的高頻設備（低噪聲放大器LNA和高功放HPA）。幾年來(lái)，天饋系統的高頻部分設備多次被雷擊壞，不是在這部天線(xiàn)被擊壞，就在另一部天線(xiàn)被擊壞。為什么約32米高的鐵塔避雷針卻不能使2—5米高的高頻電子設備避雷而被雷電擊壞呢？先后被雷電擊壞的某衛星站高頻電子設備的天線(xiàn)如圖1所示。圖1中右邊C波段天線(xiàn)尾部中心體內的2個(gè)低噪聲放大器（LNA）在一次雷擊時(shí)損壞，中間和左邊的2個(gè)Ku波段天線(xiàn)高頻設備在另一次雷擊時(shí)被損壞。下面對雷電產(chǎn)生和防雷進(jìn)行探討。

圖1 先后雷擊壞某衛星站高頻電子設備的天線(xiàn)

3、 雷電

3．1閃電是速變電磁場(chǎng)

對閃電有幾種觀(guān)點(diǎn)，一種認為是恒壓電路，另一種認為是恒流電路，第三種認為是速變電磁場(chǎng)，它輻射的電磁波極寬，包括比微波頻率更高的光波。筆者比較認同第三種觀(guān)點(diǎn)，即閃電是一種速變電磁場(chǎng)。閃電的電磁場(chǎng)能量轉變?yōu)楣饽?、聲能和電磁?chǎng)中物體的熱能。

3．2 雷電的形成

雷電的形成。由于大氣空間場(chǎng)的作用下，云層分離從而帶電。雷云中電荷的分布是不均勻的，形成多個(gè)堆積中心。不論在云中或云對地間，電場(chǎng)強度是不一致的，當云中電荷密集處的電場(chǎng)強度大到一定程度，就會(huì )由云開(kāi)始先導放電，當先導通道的頂端接近地面時(shí)，可誘發(fā)迎面先導，先導與迎面先導會(huì )合時(shí)，形成云到地面的電離通道。其為雷電的主放電階段，伴有電閃雷鳴。該地物就遭到雷擊。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當帶電荷云層逐步積累到足夠的電荷量時(shí)，便擊穿空氣，產(chǎn)生閃電現象，形成雷電。

4、避雷針

4．1 避雷針是引雷針

避雷針實(shí)際是引雷針。俄羅斯叫其為“接閃器”，美、英稱(chēng)為“導電針”。接受直擊雷的防雷裝置稱(chēng)為接閃器，例如：避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線(xiàn)、法拉第籠等等。避雷針是接閃器的一種。避雷針的保護作用是攔截閃電，使閃電打在自已身上，從而使建筑物避免遭受直接雷擊而受到保護。避雷針把雷電的能量沿鐵塔或引下線(xiàn)安全地導入地中。避雷針的保護范圍采用滾球法。避雷針的上部空間是其引雷空域，下部空間是其保護范圍，使不直接遭受雷擊。

4．2避雷針應用環(huán)境

4．2．1避雷針?lè )览撞灰擞迷谏絽^建筑物

在雷雨低于山頭的坡地上往往產(chǎn)生側向雷擊。應采用避雷帶或避雷網(wǎng)。

4．2．2避雷針?lè )览撞灰擞迷诟邔咏ㄖ?/p>

按防雷《規范》，避雷針高度大于60米，其滾球法保護范圍已無(wú)效。高架避雷針上部有一段落可能自身受側向雷擊的空間（稱(chēng)為對針桿的側擊區）。高架避雷針引雷能力強，使得高架避雷針附近地面的落雷密度較該處平均落雷密度大，（稱(chēng)為雷電閃擊區）。防雷應盡量采用避雷帶或避雷網(wǎng)，只有天線(xiàn)等用短針?lè )览住?/p>

4．2．3避雷針宜用于平原地區矮小建筑物防雷

5、雷電感應高電壓和和雷電電磁脈沖

5．1雷電產(chǎn)生雷電感應高電壓和和雷電電磁脈沖

避雷針可防直擊雷，保護建筑物。但隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現在大量的使用電氣、電子、微電子設備。 在打雷閃電時(shí)，在放電通道周?chē)a(chǎn)生電磁感應、雷電電磁脈沖使電源線(xiàn)，信號傳輸線(xiàn)、天饋線(xiàn)等感應的雷電高電壓通過(guò)這些線(xiàn)路造成放電，損壞電氣、電子、微電子設備。

5．2防雷電感應用高電壓和和雷電電磁脈沖采用浪涌保護器（SPD）。

浪涌保護器安裝在電子設備的外連線(xiàn)路（電源線(xiàn)路、信號線(xiàn)路、天饋線(xiàn)路）中，將雷電過(guò)電壓、過(guò)電流泄放入地，起到保護設備目的。防雷器件主要由放電間隙、放電管、高頻二極管、壓敏電阻、瞬態(tài)二極管、晶閘管高低通濾波器根據不同頻率、功率、傳輸速率、阻抗、駐波、插損、帶寬、電壓、電流等要求，做成各系列浪涌保護器。

5．2．1 波導分流器型電子避雷器

傳統避雷器在工作頻率（F）、承受功率（W）、通流容量（I）三者之間不能兼顧、不可調和、互相制約。眾所周知，雷電沖擊波能量的99%以上分布在 100KHz以下頻域，而有用信號波的能量分布在幾百仟赫以上頻域，因此，完全可以用由集中或分布參數電路元件構成高低通濾波器組合網(wǎng)絡(luò )（無(wú)源、互易網(wǎng)絡(luò )）。將雷電波和有用信號分流，使雷電波入地，有用信號正常傳輸。

6、電子信息防雷系統必須有一個(gè)合格的接地網(wǎng)

接地系統有多種做法。比較好的一種是選用中光防雷公司的低電阻非金屬接地模塊。其優(yōu)點(diǎn)是適合于高土壤電阻率的土壤，腐蝕性強的土壤，高寒地區凍土。西藏乃堆拉某哨所海拔4500米高，屬高寒火山石地面，如圖2所示。以前該地區多次做的電子設備或營(yíng)房建筑的防雷地網(wǎng)，多的到960Ω，低的到180Ω。經(jīng)多車(chē)泥土和降阻劑，最低的也只能做到53Ω。遠達不到國家標準小于4Ω的要求。采用中光防雷公司低電阻非金屬接地模塊。經(jīng)計算，用了60個(gè)模塊。經(jīng)用日本儀表4102型地阻儀測試，地網(wǎng)電阻由原來(lái)的53Ω降低至3.5Ω，達到了避雷針地網(wǎng)電阻小于 10Ω，設備地網(wǎng)電阻小于4Ω的國家標準。攻克了西藏高海拔火山石質(zhì)地面長(cháng)期未能解決的防雷地網(wǎng)問(wèn)題。

圖2 海拔4500米西藏乃堆拉火山石質(zhì)地面

7、綜合防雷

近年來(lái)，雷電防護由富蘭克林式的避雷針?lè )乐睋衾?，發(fā)展到綜合防雷工程新階段。電子信息防雷系統應該是一個(gè)綜合防雷工程。由直擊雷防護措施、等電位連措施、屏蔽措施、規范的綜合布線(xiàn)、設計安裝SPD、完善合理的接地系統。

8、雷擊原因勘察探討

根據前述綜合防雷的六個(gè)要素，對雷擊原因進(jìn)行了勘查。并主要對防直擊雷，防感應雷擊和地網(wǎng)進(jìn)行了重點(diǎn)勘查。地網(wǎng)電阻符合《規范》。三個(gè)高高的鐵塔避雷針正常。配電房，主機房設備，天線(xiàn)場(chǎng)高功放設備正常。配電房進(jìn)行了電源一級防雷，主機房進(jìn)行了二級電源防雷，天線(xiàn)場(chǎng)高功放機房進(jìn)行了三級電源防雷。被雷擊壞的是2個(gè)KU波段天線(xiàn)的電子設備，其工作頻率為12GHZ頻段。經(jīng)查，連接該電子設備的電源線(xiàn)路、信號線(xiàn)路、天饋線(xiàn)路都沒(méi)有安裝防感應雷擊的避雷器件（即SPD）。避雷塔離傳輸電纜距離不到2米。

避雷針是一個(gè)接閃器，即引雷器。它可以防直擊雷，但不能防感應雷擊。良好的地網(wǎng)可以使雷電流經(jīng)避雷針及塔或引下線(xiàn)進(jìn)入地。閃電產(chǎn)生的雷電波是速變電磁場(chǎng)，會(huì )在信號線(xiàn)路、電源線(xiàn)路、天饋線(xiàn)路感應出過(guò)電壓，傳入線(xiàn)路兩端的電子設備；變化的雷電流經(jīng)避雷針塔或下引線(xiàn)入地時(shí)，會(huì )產(chǎn)生變化的感應電磁場(chǎng)，也會(huì )在信號線(xiàn)路、電源線(xiàn)路、天饋線(xiàn)路感應出過(guò)電壓，傳入線(xiàn)路兩端的電子設備。如果上述線(xiàn)路兩端電子設備不安裝浪涌保護器，感應的過(guò)電壓電流就會(huì )損壞電子設備。電子設備防雷，只安避雷針，不安裝防感應雷擊的防雷器件，是防不到雷擊的。避雷針越高，越容易把遠處的雷引過(guò)來(lái)，增加了感應雷擊次數，又不裝防感應雷擊的器件，無(wú)異于把雷引過(guò)來(lái)打電子設備。因此，找電子設備防雷工程的設計單位和施工單位都應當是有設計資質(zhì)和施工資質(zhì)的單位。施工過(guò)程應嚴格監督把關(guān)，竣工時(shí)要嚴格驗收?？⒐ず笠獧z查維護。

9、結束語(yǔ)

綜上所述，閃電的雷電波是速變電磁場(chǎng)。衛星地球站防雷系統應采取綜合防雷措施。即直擊雷防護措施、等電位連接措施、屏蔽措施、規范的綜合布線(xiàn)、設計安裝SPD、完善合理的接地系統。避雷針是引雷針，可防直擊雷，但也把雷引過(guò)來(lái)，增加了電子設備的感應雷擊次數，不安裝防感應雷擊器件，電子設備會(huì )更容易被雷擊。防雷工程設計及施工應找有設計資質(zhì)和有施工資質(zhì)的單位。施工中應嚴格監督把關(guān)，竣工時(shí)應嚴格驗收。某衛星站防雷系統應進(jìn)行改造。防直擊雷措施可進(jìn)行適當改造。避雷塔的位置、高度和數量可從新計算和施工。天線(xiàn)場(chǎng)到室內設備的電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、天饋線(xiàn)兩端都應當增裝防感應雷擊的浪涌保護器。