海南卫星地面站综合防雷措施的研究

辛 进，蒙 康，朱丛笑，闫耀辉，孙肇志，吴 涛，吴承峰

(中国西安卫星测控中心，陕西 西安 710043)

0 引言

雷电是一种破坏力极强的自然灾害,通常以直击雷、感应雷、雷电流侵入和地电位反击等形式破坏卫星地面站的建筑物和电子信息系统[1]。其中,直击雷以强大的雷电流和电磁辐射损坏放电通路上的各类物体,卫星地面站通常采用接闪杆作为天线塔基最主要的防直击雷措施[2]。感应雷(雷电电磁脉冲)使金属导体感应出与雷雨云相反的电荷,通过电缆、机柜和接口等介质引入电子设备,造成通信和电子设备故障,采取地埋敷设、屏蔽隔离和重复接地等办法,可以最大限度防止各类导体将感应雷引入机房设备[3]。雷电流侵入一般会使侵入线路本身和所连接设备遭到破坏,杜绝线路传导雷电流需要将线路两端接地,以及在线路上加装浪涌保护器[4-5]。地电位反击是指雷电流通过引下线和接地装置汇入大地时,雷电流在接地装置产生暂态高电位,如果周围电子设备与接地装置不共地,则二者之间会出现很高的电压并会发生电击穿,造成电子设备严重破坏,采用联合接地方式是避免地电位反击的有效方法[6-7]。

海南属于热带海洋性气候[8-9],雷电灾害发生极为频繁[10-11],年平均雷暴日超过100 d[12]。海南卫星地面站遭受雷击的风险相对较高,特别是天线塔基通常是附近最高的建筑物[13],容易招引雷电[14]。另外,地面站负责的上行遥控注入、下行遥测遥感接收和上下行测量定轨业务[15],还有卫星通信、导航监测等业务[16],需要保证星地通信链路稳定,避免地面站遭受雷电破坏而导致业务中断,所以加强海南卫星地面站综合防雷系统的研究很有必要。所谓综合防雷系统,就是外部和内部雷电防护系统的总称[17]。外部雷电防护系统由接闪器、引下线和接地装置组成,用于直击雷的防护;内部雷电防护系统由等电位连接、共用接地装置、屏蔽保护、合理布线和浪涌保护器等组成,用于减小和防止雷电流在防护空间内产生电磁效应[18]。本文利用Matlab对近30年的雷暴数据进行可视化处理;基于雷暴数据统计分析和电子设备实际情况,计算海南卫星地面站年预计雷击次数和雷电防护等级;围绕外部和内部防雷系统,研究提出海南卫星地面站综合防雷的措施。

1 雷暴数据处理与分析

1.1 全国主要城市雷暴数据对比

按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343—2012)规定,根据年平均雷暴日Td的大小将地区雷暴日等级划分为4个等级:①少雷区(Td≤25 d);②中雷区(25 d90 d)。根据中国气象局雷电防护管理办公室发布的数据资料[17],对全国主要城市年平均雷暴日进行统计分析和等级划分,如图1所示。经过对比,海口年平均雷暴日高达90 d以上,远大于其他主要城市,属于强雷区,一定程度上说明了海南地区雷电防护的必要性和严峻性。

图1 全国主要城市年平均雷暴日和等级划分Fig.1 Annual average thunderstorm days and level classification in major cities

1.2 海南年平均雷暴日空间分布

根据海南最近30年(1981—2010年)的雷暴观测数据[11],利用Matlab进行可视化处理和统计分析,得到海南年平均雷暴日空间分布信息。研究发现,除三沙以外,整个海南各个市县年平均雷暴日都大于40 d,属于多雷区和强雷区,其中三亚年平均雷暴日59 d,陵水81 d。海南卫星地面站天线场区主要分布在海南岛南端和东南海岸,因此选取三亚、陵水的数据作为分析基准,按照最坏情况考虑,海南卫星地面站所在区域的年平均雷暴日取81 d。

1.3 海南月平均雷暴日统计分析

按照《建筑物防雷装置检测技术规范》(GB/T 21431—2015)规定,卫星地面站防雷装置应当每年检测1次[19]。为根据雷暴规律开展防雷装置检测维护,又计算了月平均雷暴日数占全年的百分率,如图2所示。可以看出,海南一年四季都有雷暴发生,冬季最少,春季开始增多,夏季最为频繁,秋季逐渐减少;海南雷暴月际变化呈双峰型,1—3月较少,4月之后迅速增多,5月达到第一个雷暴峰值,平均16.9 d,6—7月略有回落,8月达到第二个雷暴峰值,平均19.0 d,10月以后开始迅速下降,4—10月雷暴日数约占全年雷暴总日数的97.0%,这期间海南卫星地面站需要及时关注雷暴预警和做好雷电防护。

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

2 地面站雷电防护等级

2.1 计算地面站年预计雷击次数

按照《建筑物防雷设计规范》 (GB 50057—2010)规定,海南卫星地面站年预计雷击次数N包括建筑物本身的年预计雷击次数N1和入户导电设施(如电源线缆、信号线缆等)的年预计雷击次数N2。

建筑物本身的年预计雷击次数N1:

N1=K×Ng×Ae,

(1)

式中:K为校正系数,由于海南卫星地面站既不处于旷野孤立区,也不处于潮湿地带,所以K=1;Ng为建筑物所在地区雷击大地密度(次/km2·年),Ng=0.1×Td,Td为年平均雷暴日,通过上述雷暴数据分析得到海南卫星地面站年平均雷暴日为81 d,所以Ng=8.1次/km2·年;Ae为建筑物本身截收相同雷击次数的等效面积(km2)。

当H<100 m,且2D范围内没有其他建筑物式,等效面积Ae的计算如下:

(2)

(3)

当H<100 m,且2D范围内有等高或比其低的建筑物时,等效面积Ae的计算如下:

Ae=[LW+(L+W)D+πD2/4]×10-6,

(4)

式中:L、W、H分别为建筑物的长宽高(m),D为扩展宽度(m)。海南卫星地面站包含天线阵地、设备机房等建筑物,所有建筑物高度均不超过100 m,其中最高的建筑物为口径12 m的天线塔基和结构体,高度21 m,天线俯仰转动到最高点时可达27 m,最低的建筑物仅为3 m。这些建筑物既有独立存在的(2D范围内没有其他建筑物,H=27 m),又有成群分布的(2D范围内有等高或比其低的建筑物,H=19 m)。将建筑物长宽均按50 m×20 m计算,按照式(3)和式(4)计算得到建筑物等效面积Ae为0.007 8～0.025 km2。然后按照式(1)计算得到海南卫星地面站建筑物年预计雷击次数N1=1×8.1×Ae,即0.06～0.20次/年,取较大值0.20次/年。

计算入户设施年预计雷击次数N2:

N2=Ng×(A′e1+A′e2),

(5)

式中:A′e1为电源线缆入户设施的截收面积(km2),海南卫星地面站使用低压埋地电源线,计算方法为A′e1=2×ds×L×10-6,其中ds表示埋地电源线计算截收面积时的等效宽度(m),其数值等于土壤电阻率(200 Ω·m),L为低压埋地电源线长度(取150 m),计算得到A′e1为0.06 km2;A′e2为信号线缆入户设施的截收面积(km2),海南卫星地面站使用埋地信号线,计算方法为A′e2=2×ds×L×10-6,其中L为埋地信号线长度(取50 m),计算得到A′e2为0.02 km2。然后按照式(5)计算得到海南卫星地面站入户设施年预计雷击次数N2=8.1×(0.06+0.02),即0.65次/年。

海南卫星地面站年预计雷击次数N=N1+N2=0.20+0.65,即0.85次/年。

2.2 评估地面站雷电防护等级

海南卫星地面站雷电防护等级可以按照防雷装置的拦截效率进行确定[17]。

建筑物电子信息系统可接受的年平均最大雷击次数NC:

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

(6)

式中:C1、C2、C3、C4、C5、C6分别为建筑物结构材料因子、电子设备重要程度因子、电子设备耐冲击电压因子、电子设备所属雷电防护区因子、雷击事故产生后果因子、所属区域雷暴等级因子。根据C因子的取值说明[17],结合海南卫星地面站所在区域雷暴等级和设备防雷需求,C1、C2、C3、C4、C5、C6分别取1.0、2.5、3.0、1.0、2.0、1.2。然后按照式(6)计算得到海南卫星地面站可接受的年平均最大雷击次数NC为0.054次/年。

然后,根据防雷装置拦截效率E=1-NC/N将雷电防护等级划分为4个等级:①A级(E>0.98);②B级(0.90

最后,海南卫星地面站防雷装置拦截效率E=1-0.054/0.85,即0.94,所以海南卫星地面站雷电防护等级属于B级,需要按照B级要求做好综合防雷措施。雷电防护等级A、B、C、D在雷电防护水平、地网尺寸、引下线间距和首次雷击电流峰值等参数要求上是有区别的,例如A、B、C、D四个等级的地网尺寸分别为5 m×5 m、10 m×10 m、15 m×15 m、20 m×20 m,引下线间距分别为10、10、15、20 m,具体可以参考GB/T 21714.3—2008 相关防雷参数设计。总体而言,影响雷电防护等级评定的因素主要是该地区年平均雷暴日数、建筑物本身和入户导电设施的雷电截收面积。当前,海南卫星地面站防雷装置严格按照B级防护等级进行了设计安装。

3 地面站综合防雷措施

3.1 接闪针防护面积

正确计算接闪针的防护面积,才能合理地为天线塔基安装独立的接闪针(避雷塔)。接闪针防护面积可以利用滚球法进行计算[18]。

独立接闪针在hx高度的xx′平面上和地面上的保护半径rx计算如下:

(7)

图3 单根接闪针防护范围示意Fig.3 Protection area of a single lightning rod

以海南卫星地面站某12 m口径天线为例,为其安装2个等高的独立接闪针和计算防护面积。12 m口径天线塔基和结构体收藏高度21 m,竖直高度27 m,在距离天线中心点13 m处各布设一根高度为37 m的接闪针。通过Matlab计算和仿真得到2根等高接闪针联合防护范围示意,如图4所示。单根接闪针在地面的保护半径为44.28 m,2针接闪在地面的联合保护半径为114.56 m,2根接闪针之间联合保护半径最低点高度为29.74 m,大于天线竖直高度27 m,所以该天线处于2根接闪针联合保护范围之内。

图4 2根等高接闪针联合防护范围示意Fig.4 Joint protection area of two equal height lightning rods

3.2 天线塔基避雷措施

除了为天线塔基安装独立的接闪针(避雷塔)外,还可以采用天线自避雷的措施防止直击雷破坏。天线机械结构和塔基的自避雷装置由避雷针、引下线和接地装置等组成,如图5所示。对于未加装天线罩的天线塔基,避雷针分别安装于副反射面顶端和主反射面边缘,引下线通过天线机械结构、俯仰、方位和第三轴,随后接入天线塔基避雷地线,再由塔基避雷地线连接至塔基地网。对于加装天线罩的天线塔基,在天线罩基础墙体施工时设置一圈金属避雷环带,该金属环带与塔基地网连接,作为天线罩避雷引下线的接入点,然后在天线罩顶部安装避雷针,通过天线罩内间隔120°均匀布设的3根引下线连接金属避雷环带,从而实现天线自避雷。

图5 天线自避雷示意Fig.5 Lightning protection of antenna tower base

安装独立接闪针(避雷塔)与天线塔基自避雷措施各有优缺点。独立避雷塔的雷电防护面积较大,能够灵活设计塔高和数量,增大防护面积,有效避免直击雷破坏,但缺点是成本较高、工期较长。对于有天线罩的塔基,天线自避雷措施是常用的防雷手段,只要天线塔基施工时按要求预留接地装置,天线罩吊装时安装接闪针和布设引下线,自避雷措施同样能够起到防直击雷的作用。有条件的卫星地面站,特别是对于没有安装天线罩的天线塔基,可以采用安装独立避雷塔和天线自避雷措施相结合的方式,极大程度降低天线设备遭受雷击的风险。

3.3 机房等电位连接

等电位连接和统一接地能够有效防止感应雷、地电位反击对机房电子设备的破坏。① 在机房防静电地板下面布设铜排,确保铜排与地面绝缘,构成机房等电位网格,在等电位网格汇集排处与机房接地点连接,然后由机房接地点统一接入机房地网;②将机房内的机柜、监控台等金属箱体的接地排就近连接到机房等电位网格上,然后将机柜、监控台上的电子设备使用铜线逐一接入箱体接地排,从而避免产生电位差,保护电子设备;③ 将进入机房的金属电缆屏蔽层、金属线槽与机房等电位网格带进行就近连接;④ 等电位连接可以有效减小防雷空间内各金属部件、电子设备之间的电位差,原则上机房内的主机金属外壳、金属门窗和电缆桥架等均应做等电位连接,并以最短的线路连接到等电位连接带上,防止出现雷电反击。

3.4 浪涌保护器选型安装

卫星地面站浪涌保护器布设包括电源线路浪涌保护器、信号线路浪涌保护器和天馈线路浪涌保护器的选型安装。① 海南卫星地面站有2路10 kV高压市电进线,经过高压柜、变压器,然后进入低压进线柜,在供配电机房低压进线柜安装第一级浪涌保护器:冲击电流limp=25 kA,电压保护水平Up≤1.6 kV;UPS机房一路进线由供配电机房引入,在UPS机房进线柜同样安装第一级浪涌保护器;在设备机房配电箱、层配电箱、塔基配电箱和通信机房配电箱等安装第三级浪涌保护器,标称放电电流In=10 kA,电压保护水平Up≤1.3 kV;② 根据信号传输设备的工作频率、工作电压、传输带宽、传输速率、接口形式和特性阻抗等参数,选择接入损耗小、分布电容小、近端串扰适配的信号浪涌保护器,例如在RS485、RS424等信号串口处安装信号浪涌保护器,防止雷电流经串口进入设备,安装RJ45系列网络信号浪涌保护器,为PC机、服务器及其连接网络提供较好的防雷电浪涌保护;③ 天馈线路多为波导器件,需要根据天伺馈设备的上下行频率、输入输出功率、特性阻抗等参数,选择接入损耗小、电压驻波比小、阻抗适配的天馈浪涌保护器,当天馈系统采用波导管进行传输时,需要确保波导管金属外壁与天线金属架、波导支撑架等金属导体电气连通,其接地端与等电位接地端子板进行就近连接。

3.5 屏蔽保护和光纤传输

卫星地面站感应雷破坏有2种:① 闪电过程产生的电磁场通过感性耦合由电源线、信号线和天馈线进入机房设备;② 带电雷雨云对地电场通过容性耦合产生电荷,当雷雨云消失瞬间,这些电荷形成电流对机房设备造成干扰和破坏。为防止雷电感应进入机房和破坏电子设备,将天线塔基与监控机房之间的全部电缆通过光缆代替,在塔基和机房分别安装光端机,使用光纤传输射频信号、网络信号、B码信号、10 MHz频标等信号,减少感应雷通过导电线路进入机房的可能性。为有效防止雷电电磁波和静电感应干扰机房设备,需要将机房建筑物钢筋网和其他金属材料连接形成一个屏蔽笼,并将进入机房的电力电缆、通信电缆和信号线采用屏蔽线或者使用金属线槽进行屏蔽保护。

3.6 防雷装置检测维护

根据海南4—10月为雷暴活跃期的规律特点,每年4月之前对防雷装置进行1次检测维护,主要包括:① 使用接地电阻测试仪检测各点位接地电阻是否符合要求,设备机房、通信机房和天线塔基的接地电阻值不大于4 Ω,独立避雷塔的接地电阻值不大于10 Ω;② 检查浪涌保护器有无故障,特别是每次雷暴天气之后对供配电机房低压进线柜、UPS机房配电箱、设备机房配电箱等安装浪涌保护器的地方进行检查,通过观察浪涌保护器的状态指示判断是否被击穿;③ 检查电子设备与机柜之间、机柜与等电位网格之间、等电位网格与机房接地点之间的等电位连接线是否锈蚀松动,使用微欧计测量等电位连接线的过渡电阻,过渡电阻一般不大于0.2 Ω;④ 对于新增加的监控计算机、多功能数字基带、网络交换机等电子设备,检查其接地点是否连接机柜接地排或者机房等电位网格,确保机房内所有电子设备共用接地系统。

4 结束语

利用Matlab对雷暴数据进行可视化处理,得到海南卫星地面站所在区域年平均雷暴日为81 d。在雷暴数据统计分析的基础上,结合天线高度、机房分布、电源和信号线缆布设方式等信息,计算得到海南卫星地面站预计雷击为0.85 次/年,按照防雷装置的拦截效率确定雷电防护等级为B级。针对海南雷暴发生规律和地面站电子设备防雷需求,研究提出海南卫星地面站综合防雷的措施。根据接闪针防护面积布设独立的避雷塔或者采取天线塔基自避雷措施,可以有效防止直击雷破坏;将电子设备、机柜、监控台与等电位网格连接,等电位网格与机房地网连接,消除机房电位差,防止出现雷电反击;通过安装电源线路浪涌保护器、信号线路浪涌保护器和天馈线路浪涌保护器,快速泄放雷电流;机房与天线塔基之间采用光纤传输,减少感应雷通过导电线路进入机房的可能性;结合4—10月雷暴日数占比97.0%的规律特点,每年4月之前对海南卫星地面站防雷装置进行1次检测维护。