中國(guó)天繪衛(wèi)星中心 李松彬 陳 勃 秦 朗

遙感衛(wèi)星機(jī)動(dòng)站避雷方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

中國(guó)天繪衛(wèi)星中心 李松彬 陳 勃 秦 朗

機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)接收站（簡(jiǎn)稱機(jī)動(dòng)站）是基于車載的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)接收天線、數(shù)據(jù)接收車、數(shù)據(jù)處理車、配電車四部分組成。現(xiàn)有某型數(shù)據(jù)接收站避雷器屬單針避雷器，避雷器防護(hù)區(qū)不能做到對(duì)數(shù)據(jù)接收天線的有效覆蓋。本文分析了避雷器的工作原理及其覆蓋范圍理論模型，指出了現(xiàn)有避雷器的弊端，提出了改進(jìn)的避雷器布設(shè)方案，此方案可有效地提高機(jī)動(dòng)站在雷雨天氣下作業(yè)的安全系數(shù)。

避雷器；滾球法；防護(hù)范圍

1 引言

機(jī)動(dòng)站具有靈活、機(jī)動(dòng)的特點(diǎn),可以通過公路、鐵路等方式快速機(jī)動(dòng)到指定地點(diǎn),完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理任務(wù)[1]。受接收仰角限制,機(jī)動(dòng)站部署凈空區(qū)要求接收仰角5°以上無任何遮擋物,天線展開后高達(dá)11.5米,易遭受雷擊,為保障人員及設(shè)備安全,做好防雷措施至關(guān)重要。本文分析了避雷器的工作原理及其覆蓋范圍理論模型,指出了現(xiàn)有避雷器的弊端,提出了改進(jìn)的避雷器布設(shè)方案。

2 機(jī)動(dòng)站天線車防雷現(xiàn)狀

2.1 避雷器防護(hù)范圍的理論模型

根據(jù)GB50057-2010——《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,滾球法是計(jì)算其避雷器防護(hù)范圍的理論模型。所謂滾球法是以hr=45m為半徑的一個(gè)球體,緊貼避雷器,并以其頂端為切點(diǎn),繞其旋轉(zhuǎn)后,得到一個(gè)位于球體正下方的錐體空間,該空間即為避雷器防護(hù)區(qū),即位于該區(qū)域的物體能夠受到有效保護(hù)[2]。

圖1 單針避雷器防護(hù)原理

設(shè):h為避雷器的高度;hx表示被保護(hù)物的高度;hr為滾球半徑。當(dāng)避雷器的高度h＜hr時(shí):距地面滾球半徑高h(yuǎn)r處作一平行于地面的平行線,以避雷器頂端為圓心,hr為半徑,作圓弧交平行線A、B兩點(diǎn),再以A、B為圓心hr為半徑作圓弧與避雷器和地面都相切,由這個(gè)圓弧旋轉(zhuǎn)成為一個(gè)錐體,這個(gè)錐體就是避雷器的防護(hù)范圍[3],如圖1所示:

避雷器在hx高度上的保護(hù)半徑rx:

避雷器在地面上的保護(hù)半徑,應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:

當(dāng)h＞120m時(shí),取其等于120m。

2.2 機(jī)動(dòng)站天線車避雷器現(xiàn)狀

機(jī)動(dòng)站天線車目前使用的是單針避雷器,其高度為15m,距接收天線中心體直線距離為6.1m,機(jī)動(dòng)站天線與避雷器位置示意圖如圖2所示:

圖2 數(shù)據(jù)接收天線示意圖

單針避雷器實(shí)質(zhì)上是引雷針,它通過將雷電引向自身,使處于防護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備及人員免受雷電的直擊。其優(yōu)點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格低廉,缺點(diǎn)是防護(hù)范圍小、沒有限流作用、瞬時(shí)會(huì)有幅值很高且陡度很大的電流流經(jīng)避地線,產(chǎn)生的二次效應(yīng)(如反擊、高電位、大感應(yīng)電流)會(huì)對(duì)周圍電子設(shè)備造成極大損毀[4]。

2.2.1 現(xiàn)有單針避雷器防護(hù)范圍計(jì)算

接收天線屬第二類保護(hù)體,滾球半徑hr=45m,由滾球法的h、hr、hx這三個(gè)變量可以計(jì)算出任意高度hx的防護(hù)半徑。以避雷器的水平投影為坐標(biāo)中心,可以做出任一高度防擴(kuò)范圍,不同高度上的防護(hù)范圍在水平面上投影為以避雷器位置為圓心的同心圓。

機(jī)動(dòng)站天線中心體高度hx=11.5m,避雷器高度h=15m,滾球半徑hr=45m,根據(jù)防護(hù)半徑公式(1)、(2)計(jì)算得到現(xiàn)有單針避雷器在hx=11.5m高度上的保護(hù)半徑為4m,在地面上的防護(hù)半徑r=22.5m,防護(hù)范圍仿真示意圖如圖3所示(為便于仿真,將數(shù)據(jù)接收天線模擬為直徑7.3米,高11.5米圓柱體):

圖3 現(xiàn)有避雷器防護(hù)范圍

根據(jù)圖3可以看出接收天線并未完全處在避雷器的有效防護(hù)范圍之內(nèi),因此該避雷器并不能起到應(yīng)有的雷電防護(hù)作用。為了增加避雷器的防護(hù)范圍,應(yīng)當(dāng)考慮增加避雷器的高度,通過公式(1)計(jì)算可知,若使接收天線全部處于避雷器的防護(hù)范圍之內(nèi),須將避雷器升高至24.5m,但實(shí)施中,不能將避雷器設(shè)置太高以降低被繞擊的概率(繞擊概率與避雷器高度的平方成正比)[5]。

2.2.2 現(xiàn)有接地體的裝設(shè)

根據(jù)GB50057-2010——《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,單針避雷器應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立的接地體,接地體工頻接地電阻不應(yīng)大于10Ω,且接地體與被保護(hù)物的接地體以及其他裝置的接地體也應(yīng)保持一定的地中距離,以免在地中向被保護(hù)物的接地體發(fā)生反擊(接地體的地中距離一般不應(yīng)小于5m),數(shù)據(jù)接收天線采用多根接地樁接地時(shí),樁間距應(yīng)該大于2m的距離。機(jī)動(dòng)站天線及其避雷器接地體目前均采用一組接地銅棒,實(shí)測(cè)接地電阻為6Ω,為提高防腐蝕和防電蝕能力,表面進(jìn)行了電鍍處理,棒間距為0.5m,深度為0.8 m。

2.3 結(jié)論

綜上所述,機(jī)動(dòng)站天線車在單針避雷器方案設(shè)計(jì)、接地體埋設(shè)上存在不足,設(shè)備和人員易受到雷擊傷害,為此,我們提出了兩針避雷器及接地體改進(jìn)布設(shè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3 機(jī)動(dòng)站天線車避雷器改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 兩針避雷器防護(hù)模型

當(dāng)雷電防護(hù)范圍面積較大時(shí),應(yīng)考慮采用多針防護(hù),以降低避雷器高度,從而降低繞擊概率,為滿足機(jī)動(dòng)站方便安裝、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn),適宜采用兩針等高避雷器[6]。

兩針等高避雷器理論模型∶

兩針等高避雷器采用對(duì)稱式分布、高度相同的兩根避雷器,其原理示意圖如圖4所示:

圖中bx為兩等高避雷器防護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度; ha=h-hx。

兩針等高避雷器外側(cè)的防護(hù)范圍應(yīng)按單針避雷器的計(jì)算方法確定;兩針間的防護(hù)范圍應(yīng)按通過兩針頂點(diǎn)及防護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)O的圓弧確定,設(shè)圓弧的半徑為R'O。O點(diǎn)為假想避雷器的頂點(diǎn),其高度應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:

hO——兩針間防護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)高度,單位m;

D——兩避雷器間的距離,單位m;

P——高度影響系數(shù),h≤30m,P=1;

兩針間hx水平面上防護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度bx,在得到bx后,可按圖5確定兩針間的防護(hù)范圍[7]。

機(jī)動(dòng)站天線直徑R=7.3m,若使天線中心體完全處在避雷器防護(hù)范圍之內(nèi)則需2bx＞R,即bx＞3.65m,適當(dāng)升高避雷器高度(兩針間距離與針高之比D/h不宜大于5)使h=16.5m,則ha=h-hx=5m,根據(jù)圖5可以得出D/hap=2.5,則bx/ha=0.75通過計(jì)算可得bx=3.75m,ho=14.75m＞11.5m符合bx＞3.65m,ho＞h的覆蓋條件。求得bx=3.75m后,繪出機(jī)動(dòng)站兩針等高避雷器防護(hù)范圍示意圖如圖6所示。

圖5 兩針等高(h)避雷器間防護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度(bx)與D/haP的關(guān)系注：(a)D/haP=0～7；(b)D/haP=5～7

圖6 兩針等高避雷器位置示意圖

由于避雷器1位置的選擇充分考慮了不影響天線的運(yùn)行及拆裝,所以其位置較為固定,因此避雷器2無法固定在天線基座之上,從可快速安裝、方便運(yùn)輸及重復(fù)利用角度,避雷器2可采用移動(dòng)式避雷器,其特點(diǎn)是設(shè)有底座,底座與接地體通過下引線相連,在底座上安裝有活動(dòng)連接的可伸縮式支撐塔,整個(gè)裝置根據(jù)需要隨拆隨裝,各構(gòu)件之間組裝容易實(shí)現(xiàn)。采用該種可伸縮式避雷器,可以做到平時(shí)伸展張開進(jìn)行防護(hù),需要搬運(yùn)時(shí)也可放于車內(nèi),便于運(yùn)輸。

3.2 避雷器接地體及引下線改進(jìn)

考慮到接地體便于安裝且可重復(fù)使用的特點(diǎn),每根避雷器應(yīng)采用三根直徑25mm鍍鋅銅棒垂直接地,深度不小于0.8m,棒間距不小于2m,與接收天線接地體間距不小于5m,與接收天線以及各方艙距離不小于5m,且要在天氣干燥時(shí)對(duì)接地體進(jìn)行澆注,以降低接地電阻?；虿捎脤?dǎo)電性、穩(wěn)定性較好,具有強(qiáng)吸濕保濕能力,能有效降低接地電阻,可移動(dòng)的防雷接地模塊作為避雷針接地體,以確保其安全性和穩(wěn)定性。

為防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時(shí)產(chǎn)生的高電位對(duì)附近金屬物或電氣線路的反擊,避雷器引下線與接收天線陣地應(yīng)有距離要求。當(dāng)金屬物或電氣線路與防雷的接地裝置相連時(shí),其與引下線之間的距離應(yīng)滿足[8]:

式中:

Sa——空氣中水平距離;

kc——分流系數(shù)(單根引下線時(shí)應(yīng)為1);

lx——引下線計(jì)算點(diǎn)到連接點(diǎn)的長(zhǎng)度。

4 結(jié)語

機(jī)動(dòng)站天線車的防雷工作對(duì)于天線的正常可靠運(yùn)行有著很大的影響。本文就天線現(xiàn)有防雷措施作了初步探討,并提出了一些改進(jìn)方案。此外,還有很多問題(如雷電高頻干擾對(duì)電子設(shè)備的影響等問題)尚需作進(jìn)一步的研究。但是對(duì)于防雷,不可能完全消除雷害,只能不斷地改進(jìn)防雷措施,最大限度地防止受到雷擊。經(jīng)過長(zhǎng)期的摸索與實(shí)踐,人們已積累起很多有關(guān)防雷的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),形成了一系列對(duì)防雷行之有效的方法和技術(shù),只有充分了解現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出符合技術(shù)指標(biāo)的綜合防雷系統(tǒng)才能保證數(shù)據(jù)接收的正常運(yùn)行以及設(shè)備和人員安全[9]。

［1］陳剛.機(jī)動(dòng)遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)發(fā)展［J］.現(xiàn)代雷達(dá),2003, 6(6):40-42.

［2］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50057-2010.《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.

［3］陳敏.避雷針防護(hù)范圍的計(jì)算［J］.四川電力技術(shù),2003(5).

［4］虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社.1995.

［5］王勻.雷達(dá)站的防雷保護(hù)［J］.現(xiàn)代建筑電氣,2010(Serial1): 28-32.

［6］李京校.移動(dòng)氣象雷達(dá)車避雷針設(shè)計(jì)分析［J］.氣象科技,2010,12:766-770.

［7］鄧國(guó)平.滾球法防雷設(shè)計(jì)的可視化［R］.第一屆中國(guó)圖學(xué)大會(huì),2007.08.05-2007.08.07:139-142.

［8］韓東鑫.新一代天氣雷達(dá)防雷和接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［R］.浙江省氣象局.498-501.

［9］林秋望.通信防雷技術(shù)［M］.北京:中國(guó)郵電出版社,1985.

李松彬（1989—），吉林磐石人，大學(xué)本科，現(xiàn)工作于中國(guó)天繪衛(wèi)星中心。