某车载雷达的防雷研究*

陈世荣，常继根

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某车载雷达的防雷研究*

陈世荣，常继根

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

针对车载雷达在高地势开阔、干燥地区容易受到雷击威胁的情况，分别介绍了直击雷和感应雷的车载雷达防雷措施，并通过MATLAB进行了单根避雷针保护范围的三维分析；采用更换土壤、深埋电极、添加降阻剂等多种措施降低干燥地区避雷针的接地电阻，有效地提高了干燥地区车载雷达的防雷效果。

车载雷达；防雷；干燥地区；接地电阻

引 言

车载雷达一般工作于地势较高的空旷地带，容易受到雷击的威胁，尤其在雷雨季节遭受雷击的概率大大增加。雷达属于大型复杂的电子设备系统，有大量的控制和通信设备，需要长时间开机运行对范围领空进行监测，而雷达的主要设备工作电压低，也容易遭受雷电电磁脉冲的干扰和破坏。因此雷达防雷是雷达工作必须要考虑的问题。本文以车载雷达为例，就车载雷达在我国西北干燥地区的避雷设计与仿真等相关问题进行分析研究。

1 防雷设计

在我国的西北部地区，地处内陆，为典型的大陆性气候，夏季炎热，冬季严寒，冬冷夏热温差大，降水稀少，终年干旱降雨少，蒸发强烈日照长，秋凉春旱风沙多；西北地区植被稀疏，土壤绝大部分是灌漠土，土壤质地以砂壤和轻壤为主，土地平坦。戈壁西北地区土壤分几类：一是黄土，主要在陕西北部、甘肃中北部，红土主要在甘南和新疆的盆地周边；沙土在各大盆地的中部。腐殖土在秦岭、祁连、天山等植被发育地区；砾石土在新疆封口地区。

1.1 直击雷的防护

在各类雷击危害中，直击雷所造成的危害往往是最大的。如果雷达遭到直击雷的袭击，将形成巨大的感应电流并伴随短暂的高电压，造成设备干扰和破坏。通常情况下，保护建筑免遭雷击的常规措施是设置避雷针、避雷网等，通过接闪器、引下线和接地装置将雷电流分流散入地下，避免设备遭受雷电流的破坏。对于车载雷达，为了保护其通信导航设备所在建筑免遭雷击，通常在雷达的工作场地上安装避雷针。

避雷针的保护范围和避雷针的安装位置及其安装高度关系密切。避雷针保护范围的计算方法，通常采用国际电工委员会(IEC)推荐的滚球法。该法比过去中国防雷规范中采用的折线法更加准确。所谓滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被用作接闪器的金属物)或接闪器和地面(包括与大地接触能承受雷击的金属物)，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。不同类别的防雷建筑物的滚球半径[1]hr为：第1类30 m，第2类45 m，第3类60 m。

当避雷针的高度h≤hr时，距地面hr处作一条平行于地面的平行线，以避雷针的针尖为圆心，hr为半径画弧，交水平线于A、B两点，又分别以A、B两点为圆心，hr为半径，从针尖向地面画弧。如图1所示，则图中曲线就是避雷针保护范围的边界，保护范围是一个对称的锥体。

图1 单根避雷针保护范围剖面图

以图1中O点为原点，地面为X轴，避雷针为Y轴，建立直角坐标系。那么B点的坐标为

以B为圆心，hr为半径的圆方程为

那么，避雷针在高hx的水平面上的保护半径rx为

因弧在下半圆上，故取负号，

当避雷针的高度h≥hr时，在避雷针上取高度为hr的一点代替单根避雷针针尖作圆心，其余做法同上。将单根避雷针保护范围计算方法通过MATLAB编程[2]，设置避雷针的高度和滚球半径即可计算避雷针的保护范围。

图2所示为通过MATLAB编程计算获得的35 m高避雷针的保护范围，车载雷达架设后在图示区域内即可实现雷击保护。

图2 单根避雷针保护范围三维图

1.2 感应雷的防护

相对于直击雷而言，感应雷的影响范围相对更大[3]。在采用了一定的防雷措施后，雷达设备遭受直击雷破坏的可能性已经大幅下降，而感应雷的影响和破坏范围要大很多，统计资料表明，感应雷造成的破坏占雷击事件破坏的八成以上。从感应雷防护机理的角度看，其措施主要是电位平衡、屏蔽或加装浪涌保护器等。

电位平衡是通过等电位连接的方式来消除电压差，消除或降低发生雷击时设备各部位之间的电位差。如果采用屏蔽的方式，其机理是通过加装两端接地的金属管等方式来实现。对于较为重要的设备或建筑，加装浪涌保护器可以防止感应雷从电源系统进入低压用电设备造成破坏，或是阻止感应雷从信号输入线路进入电子信息系统设备造成破坏。下面对车载雷达几个电子设备的感应雷防护方法进行讨论。

(1)电缆的防护

雷达天线接到设备舱的所有电缆应敷设在金属屏蔽槽(管)内，金属屏蔽槽(管)穿经设备舱处应与设备舱等电位连接并带电气连接。金属屏蔽槽(管)首尾应电气贯通。雷达天线至设备舱的电缆线入口处应用金属罩屏蔽并接地。

(2)数据传输系统的防护

通信网络线路的雷电防护原理与电源系统基本相同，对于不同的信号线路应加装相应的信号避雷器。这种放电器耦合阻抗的体积较小，可以在一个避雷器内实现多级防雷措施。

(3)供电系统的防护

雷达采用低压供电，全线宜采用穿金属管埋地或屏蔽电缆埋地引入，安装3级SPD进行多重保护。

(4)设备舱的防护

设备舱使用金属板门，窗上加设金属网，网孔不大于100 mm×100 mm。金属门和网与设备舱壁应做可靠电气连接[8]。设备舱内设备距舱壁的距离一般不应小于500 mm，条件不允许时应对设备采取电磁屏蔽措施。在设备舱电源进线端加装电涌保护器，防止电源进线引入雷电流时损坏设备。

(5)高频箱的防护

雷达的高频箱内安装了发射电源、发射组件、功分器等电子设备，这些设备都是低压设备，容易受到雷感应的影响，所以高频箱设计和安装应考虑将高频箱内部设备进行电磁场隔离，防止外部磁场对内部设备的影响。高频箱和高频箱门之间可以通过有弹性的电磁密封衬垫将缝隙填充满，消除导电不连续点，使高频箱成为一个完整的、连续的导电体，消除感应雷对高频箱设备的影响。

2 避雷针接地设计

接地问题是防雷措施中的关键环节之一，接地网需要满足雷电冲击电流的要求。考核接地网质量的两个因素是地网接地电阻和地网均压性能。对于雷达来说，由于安装有大量的弱电电子元件，在雷电流入地时地电位的升高会对这些电子元件造成影响，如果地网均压出现问题，可能导致雷电流入地时残压过高对弱电设备造成破坏。

西北干燥地区部分土壤为砂壤土质，气候干旱降雨少，蒸发强烈日照长，接地电阻很大，各种土壤的电阻率如表1[4]所示。

表1 各种土壤的电阻率平均值

为了降低接地电阻，采取以下措施：

1)更换土壤，采用电阻率较低的土壤(如粘土、黑土及砂质粘土等)替换原有电阻率较高的土壤(根据现场测算，土壤电阻率高达1.1×105)，置换范围在接地体周围0.5 m以内和接地体的1/3处。但这种取土置换方法对人力和工时耗费都较大，考虑到经济利益和时间利益一般不予采用。

2)深埋接地极。这种方法对含砂土壤最有效果。据有关资料记载，3 m深处土壤电阻系数为100%，4 m为75%，5 m为60%，6 m为60%，6.5 m为50%，9 m为20%。这种方法可以不考虑土壤冻结和干枯所增加的电阻系数，但施工困难，土方量大。

3)利用接地电阻降阻剂。在接地极周围敷设降阻剂，可以起到增大接地极外形尺寸、降低与周围大地介质之间的接触电阻的作用，因而能在一定程度上降低接地极的接地电阻。降阻剂用于小面积的集中接地、小型接地网时，降阻效果较为显著。

4)采取伸长水平接地体。结合工程实际，当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大，当接地体达到一定长度后，再增加长度，冲击接地电阻也不再下降。一般说来，水平接地体的有效长度不应大于接地体的有效长度。根据土壤电阻率确定水平接地体有效长度如表2所示。

表2 不同土壤电阻率下的水平接地体有效长度

在确定降低高土壤电阻率地区接地电阻的具体措施时，应根据当地原有运行经验、气候状况、地形地貌特点和土壤电阻率等条件进行全面、综合分析，因地制宜地选择经济合理的方法。这样，既可保障线路、设备的正常运行，又可避免接地装置工程投资过高。

将多方面因素综合考虑，车载雷达在干燥地区采取第2种、第3种和第4种方案相结合的方法解决避雷针接地电阻大的问题。

3 结束语

本文分析了直击雷和感应雷对雷达的影响和破坏，给出了直击雷和感应雷的雷达防护方法。通过架设避雷针避免直击雷的破坏，通过电位平衡、屏蔽或加装浪涌保护器等措施消除感应雷对雷达的破坏；以滚球法计算单根避雷针的防护范围，给出了单根避雷针的防护三维区域；提出了更换土壤、深埋电极、添加降阻剂、伸长水平接地体来降低干燥地区避雷针的接地电阻的方法。

[1] 中华人民共和国机械工业部. GB 50057—1994 建筑物防雷设计规范(2000版)[S]. 北京: 中国计划出版社, 2001.

[2] 谢进, 李大美. MATLAB与计算方法实验[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2009.

[3] 徐文, 陈红兵. 移动气象台防雷技术[J]. 气象科技, 2012, 40(4): 661-666.

[4] 杨凌, 张毓丰. 雷达站防雷系统设计及应用[J]. 现代电子工程, 2008(5): 29-33.

陈世荣(1979-)，男，高级工程师，主要研究方向为地面情报雷达结构总体。

Study on Lightning Proof of a Vehicle Radar

CHEN Shi-rong，CHANG Ji-gen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The vehicle radar is easy to get lightning strike when it works on dry and wide highland. The method of protection against direct lightning strike and indirect lightning strike is introduced. The three-dimensional model of the protection range of single lightning rod is obtained via MATLAB programming. Changing soil, embedding electrode deeply, adding resistance-reducing agents are introduced for reducing grounding resistance of lightning rod on dry land. The lightning proof of vehicle radar in dry land is improved effectively.

vehicle radar; lightning proof; dry land; grounding resistance

2014-01-12

TM862+.1；TN959.71

A

1008-5300(2014)05-0019-03