卫星地面站雷电防护探索

郭凤宇

【摘 要】本文提出了卫星地面站雷电防护需求，分析了雷电造成危害的原因，探索了雷电防护措施。

【关键词】地面站；雷电；防护措施

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一，每年给全球造成的经济损失高达数十亿美元，卫星地面站作为各国发展航天事业的重点建设项目，开展配套雷电防护设施建设和雷电防护理论、技术研究，已在世界各国达成共识，目前，我国在雷电监测和雷电机理以及成灾过程的研究方面已取得进展，雷电监测预警能力和规模已达到世界领先水平，本文针对地面站工程建设特点和卫星地面应用系统电磁兼容性的特殊要求，开展雷电防护措施探索，以期对地面站新建或扩建改造有所助益。

1 卫星地面站雷电防护需求

卫星地面站是卫星系统的重要组成部分，包括天线分系统、发射分系统、接收分系统、伺服跟踪分系统、监控分系统、电源分系统等，承担着卫星测控，卫星数据接收与处理等任务，设备昂贵，结构复杂，对设备安全性、可靠性以及星、地传输的数据质量要求高。为了满足天线接收仰角的技术指标要求，天线场通常建设在地势较高，视野开阔的地方，天线口径从几米到几百米不等，如德国的波恩天线直径100米，竖起近40层楼高，美国设在波多黎各的对天观测球面天线直径达到305米，我国的卫星地面站天线直径多数在几米到几十米之间，这些高达建筑极易受到雷击损害，从近年来的地面站工作实践来看，地面站建筑、设备因雷击造成损害的事件时有发生，因此，在地面站选址、天线场建设、设备安装中，必须进行建筑防雷、电源防雷、设备防雷需求论证，采取可靠的雷电防护措施，提高地面站建筑防雷、电源防雷以及设备防雷的能力，确保卫星地面接收测控系统稳定工作。

2 雷电造成卫星地面站损害的原因

2.1 雷电的概念

雷电学名闪电，是大气中发生的超长、超强的火花放电现象，按发生的部位可分为云内放电、云际放电和云地放电，云地放电也称地闪，对地面站建筑、设备影响最大。雷电传播服从电磁波传播规律，雷电在导线中以波的形式传播，在空气中以电磁波的形式传播，雷电危害主要表现在热效应、冲击波效应、电磁效应、电动力效应、过电压侵入等几个方面，遭到雷击的建筑物、电子设备可能会发生热熔、结构破坏、燃烧、电力设备绝缘损坏等严重后果。

2.2 雷电电磁脉冲及其危害

雷电电磁脉冲是地闪回击过程中产生的瞬时电磁场和强大的雷电流，雷电流能在流经路径周围产生暂态强磁场，从而导致磁场中的导体产生感应过电压，地面站建筑物内敷设有各类电源线、信号线、金属管道，当建筑物遭受雷击时，雷电流会在这些电缆、管道构成的回路感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏，同时，雷电电磁脉冲通过直接辐射或通过电源线、信号线、地线传导方式进入电子设备产生干扰。

2.3 静电感应及其危害

当地面站上空有雷云出现时，雷云下面的地面及建筑物会因静电感应而带上相反的电荷，从雷云出现到发生雷击所需时间相对于主放电过程的时间要长得多，建筑物充分积累电荷，当雷击发生后，局部感应电荷不能在同样短的时间内消失，形成局部高电压，这种感应电压对接地不良的电子设备危害极大。

2.4 电动力效应及其危害

当地面站受到雷击时，雷电回击电流产生的强大磁场能使附近的通电导体受到力的作用，被称作电动力效应，当该作用力超过导体的机械强度时，可将其拉断，因此，在安装避雷针引下线、屏蔽套管等可能流过大电流的导体时，应特别注意布线方式，避免出现直角或锐角转弯。

3 卫星地面站雷电防护措施

3.1 建筑物雷电防护措施

卫星地面站根据其规模大小和任务需求，通常建有一副或多副天线构成的天线场，由于天线主体结构高，因此最容易受到雷击损害，现在常用的做法是在天线周围适当位置，安装两座高于天线的避雷铁塔，铁塔顶部安装有接闪杆，避雷塔通过引下线与地网相连，这种避雷方式能起到较好的避雷效果，对于静止轨道卫星的地面接收测控天线尤其适用，对于低轨道卫星来说，由于天线跟踪卫星过程中旋转范围较大，当天线转向避雷塔时，避雷塔存在遮挡天线问题，在指标允许范围内仍然可以使用，最好的方法是把接闪器设计安装在天线体上，可解决遮挡问题。地面站机房和其他建筑物防雷，可采用在建筑物顶部安装避雷带或避雷网方式，并且在建筑物两侧对称安装数根引下线与地网连接，建筑物顶部的金属突出物如旗杆、射灯、金属爬梯等要与避雷网连成电气通路。地网是整个建筑物的接地体，用作把雷电流泄放入大地，地网由一些垂直接地体和水平接地体组成，接地电阻要符合设计指标要求，通常在10 欧姆以内。为防止因电位分布不均，导致金属部件和各系统之间存在电位差，在发生雷击时，设备因为地电位反击造成损坏，必须把防雷地、保护地、工作地进行联合接地处理，等电位连接。

3.2 电源防雷和接地措施

地面站供电系统由高压配电柜、变压器、低压配电柜、UPS配电柜、各机房配电柜组成，由于地面站防雷指标要求高，应采用三级避雷方式，第一级避雷器安装在10KV变压器输入端，第二级避雷器安装在低压配电柜输入端，第三级避雷器安装在机房配电柜输入端，为防止避雷器故障影响供电，电源避雷器应采用并联安装方式。接地是指把地面站设备与地球进行电气连接，使设备对地保持较低的电位差，分为工作接地、保护接地、防雷接地、静电接地，防雷接地可以起到防止雷电流，静电感应高电压造成损害的作用，为达到防雷减灾效果，地面站技术人员要定期对接地电阻进行测试，当阻值不符合要求时，要及时检修接地设备。

3.3 电磁脉冲防护措施

地面站电子设备精度高、灵敏度高、可靠性要求高，但耐压性能低，供电电压波动会导致设备损坏，计算机设备电压浮动值要求在±5V以内，当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07G时，就会引起计算机误动作，当磁场强度超过2.4G时，就会造成计算机永久性损坏，针对雷电电磁脉冲辐射干扰和传导干扰的特点，最有效的方法就是采取电磁屏蔽措施，机房建筑屏蔽可利用建筑物的钢筋和金属结构连接成一体化的法拉第笼，并与地网可靠连接，信号线、电力电缆应选用带金属屏蔽层的产品，室外线路应穿金属管埋地敷设。天线接收的射频信号通常经过波导或同轴电缆传输至机房信道设备，在雷暴天气，信号传输质量会受到雷电电磁脉冲的干扰，提高接收数据的误码率，为提高传输线路防范雷电电磁干扰的能力，建议在室内、外增加光收、发设备，采取光缆传输方式将天线接收的射频信号传输至机房设备。

本文从地面站防雷需求入手，分析了雷电对地面站建筑和设备造成危害的原因，提出并解决了地面站雷电防护的技术问题。地面站雷电防护是一项长期而复杂的任务，必须按照国家规定的雷击分级要求和建筑物防雷工程施工与质量验收规范要求，采用综合防雷技术措施，并且定期进行防雷装置检测，根据国家雷电监测预报信息，及时开展雷电防护工作。

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[责任编辑：王伟平]