衛(wèi)星地面站雷電防護(hù)探索

郭鳳宇

【摘 要】本文提出了衛(wèi)星地面站雷電防護(hù)需求，分析了雷電造成危害的原因，探索了雷電防護(hù)措施。

【關(guān)鍵詞】地面站；雷電；防護(hù)措施

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的影響人類(lèi)活動(dòng)的嚴(yán)重災(zāi)害之一，每年給全球造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元，衛(wèi)星地面站作為各國(guó)發(fā)展航天事業(yè)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，開(kāi)展配套雷電防護(hù)設(shè)施建設(shè)和雷電防護(hù)理論、技術(shù)研究，已在世界各國(guó)達(dá)成共識(shí)，目前，我國(guó)在雷電監(jiān)測(cè)和雷電機(jī)理以及成災(zāi)過(guò)程的研究方面已取得進(jìn)展，雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警能力和規(guī)模已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，本文針對(duì)地面站工程建設(shè)特點(diǎn)和衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)電磁兼容性的特殊要求，開(kāi)展雷電防護(hù)措施探索，以期對(duì)地面站新建或擴(kuò)建改造有所助益。

1 衛(wèi)星地面站雷電防護(hù)需求

衛(wèi)星地面站是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，包括天線(xiàn)分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、伺服跟蹤分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)等，承擔(dān)著衛(wèi)星測(cè)控，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理等任務(wù)，設(shè)備昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)設(shè)備安全性、可靠性以及星、地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量要求高。為了滿(mǎn)足天線(xiàn)接收仰角的技術(shù)指標(biāo)要求，天線(xiàn)場(chǎng)通常建設(shè)在地勢(shì)較高，視野開(kāi)闊的地方，天線(xiàn)口徑從幾米到幾百米不等，如德國(guó)的波恩天線(xiàn)直徑100米，豎起近40層樓高，美國(guó)設(shè)在波多黎各的對(duì)天觀測(cè)球面天線(xiàn)直徑達(dá)到305米，我國(guó)的衛(wèi)星地面站天線(xiàn)直徑多數(shù)在幾米到幾十米之間，這些高達(dá)建筑極易受到雷擊損害，從近年來(lái)的地面站工作實(shí)踐來(lái)看，地面站建筑、設(shè)備因雷擊造成損害的事件時(shí)有發(fā)生，因此，在地面站選址、天線(xiàn)場(chǎng)建設(shè)、設(shè)備安裝中，必須進(jìn)行建筑防雷、電源防雷、設(shè)備防雷需求論證，采取可靠的雷電防護(hù)措施，提高地面站建筑防雷、電源防雷以及設(shè)備防雷的能力，確保衛(wèi)星地面接收測(cè)控系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2 雷電造成衛(wèi)星地面站損害的原因

2.1 雷電的概念

雷電學(xué)名閃電，是大氣中發(fā)生的超長(zhǎng)、超強(qiáng)的火花放電現(xiàn)象，按發(fā)生的部位可分為云內(nèi)放電、云際放電和云地放電，云地放電也稱(chēng)地閃，對(duì)地面站建筑、設(shè)備影響最大。雷電傳播服從電磁波傳播規(guī)律，雷電在導(dǎo)線(xiàn)中以波的形式傳播，在空氣中以電磁波的形式傳播，雷電危害主要表現(xiàn)在熱效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、電磁效應(yīng)、電動(dòng)力效應(yīng)、過(guò)電壓侵入等幾個(gè)方面，遭到雷擊的建筑物、電子設(shè)備可能會(huì)發(fā)生熱熔、結(jié)構(gòu)破壞、燃燒、電力設(shè)備絕緣損壞等嚴(yán)重后果。

2.2 雷電電磁脈沖及其危害

雷電電磁脈沖是地閃回?fù)暨^(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁場(chǎng)和強(qiáng)大的雷電流，雷電流能在流經(jīng)路徑周?chē)a(chǎn)生暫態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)中的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，地面站建筑物內(nèi)敷設(shè)有各類(lèi)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、金屬管道，當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí)，雷電流會(huì)在這些電纜、管道構(gòu)成的回路感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流，導(dǎo)致設(shè)備接口損壞，同時(shí)，雷電電磁脈沖通過(guò)直接輻射或通過(guò)電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、地線(xiàn)傳導(dǎo)方式進(jìn)入電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2.3 靜電感應(yīng)及其危害

當(dāng)?shù)孛嬲旧峡沼欣自瞥霈F(xiàn)時(shí)，雷云下面的地面及建筑物會(huì)因靜電感應(yīng)而帶上相反的電荷，從雷云出現(xiàn)到發(fā)生雷擊所需時(shí)間相對(duì)于主放電過(guò)程的時(shí)間要長(zhǎng)得多，建筑物充分積累電荷，當(dāng)雷擊發(fā)生后，局部感應(yīng)電荷不能在同樣短的時(shí)間內(nèi)消失，形成局部高電壓，這種感應(yīng)電壓對(duì)接地不良的電子設(shè)備危害極大。

2.4 電動(dòng)力效應(yīng)及其危害

當(dāng)?shù)孛嬲臼艿嚼讚魰r(shí)，雷電回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)能使附近的通電導(dǎo)體受到力的作用，被稱(chēng)作電動(dòng)力效應(yīng)，當(dāng)該作用力超過(guò)導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，可將其拉斷，因此，在安裝避雷針引下線(xiàn)、屏蔽套管等可能流過(guò)大電流的導(dǎo)體時(shí)，應(yīng)特別注意布線(xiàn)方式，避免出現(xiàn)直角或銳角轉(zhuǎn)彎。

3 衛(wèi)星地面站雷電防護(hù)措施

3.1 建筑物雷電防護(hù)措施

衛(wèi)星地面站根據(jù)其規(guī)模大小和任務(wù)需求，通常建有一副或多副天線(xiàn)構(gòu)成的天線(xiàn)場(chǎng)，由于天線(xiàn)主體結(jié)構(gòu)高，因此最容易受到雷擊損害，現(xiàn)在常用的做法是在天線(xiàn)周?chē)m當(dāng)位置，安裝兩座高于天線(xiàn)的避雷鐵塔，鐵塔頂部安裝有接閃桿，避雷塔通過(guò)引下線(xiàn)與地網(wǎng)相連，這種避雷方式能起到較好的避雷效果，對(duì)于靜止軌道衛(wèi)星的地面接收測(cè)控天線(xiàn)尤其適用，對(duì)于低軌道衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，由于天線(xiàn)跟蹤衛(wèi)星過(guò)程中旋轉(zhuǎn)范圍較大，當(dāng)天線(xiàn)轉(zhuǎn)向避雷塔時(shí)，避雷塔存在遮擋天線(xiàn)問(wèn)題，在指標(biāo)允許范圍內(nèi)仍然可以使用，最好的方法是把接閃器設(shè)計(jì)安裝在天線(xiàn)體上，可解決遮擋問(wèn)題。地面站機(jī)房和其他建筑物防雷，可采用在建筑物頂部安裝避雷帶或避雷網(wǎng)方式，并且在建筑物兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝數(shù)根引下線(xiàn)與地網(wǎng)連接，建筑物頂部的金屬突出物如旗桿、射燈、金屬爬梯等要與避雷網(wǎng)連成電氣通路。地網(wǎng)是整個(gè)建筑物的接地體，用作把雷電流泄放入大地，地網(wǎng)由一些垂直接地體和水平接地體組成，接地電阻要符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，通常在10 歐姆以?xún)?nèi)。為防止因電位分布不均，導(dǎo)致金屬部件和各系統(tǒng)之間存在電位差，在發(fā)生雷擊時(shí)，設(shè)備因?yàn)榈仉娢环磽粼斐蓳p壞，必須把防雷地、保護(hù)地、工作地進(jìn)行聯(lián)合接地處理，等電位連接。

3.2 電源防雷和接地措施

地面站供電系統(tǒng)由高壓配電柜、變壓器、低壓配電柜、UPS配電柜、各機(jī)房配電柜組成，由于地面站防雷指標(biāo)要求高，應(yīng)采用三級(jí)避雷方式，第一級(jí)避雷器安裝在10KV變壓器輸入端，第二級(jí)避雷器安裝在低壓配電柜輸入端，第三級(jí)避雷器安裝在機(jī)房配電柜輸入端，為防止避雷器故障影響供電，電源避雷器應(yīng)采用并聯(lián)安裝方式。接地是指把地面站設(shè)備與地球進(jìn)行電氣連接，使設(shè)備對(duì)地保持較低的電位差，分為工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、靜電接地，防雷接地可以起到防止雷電流，靜電感應(yīng)高電壓造成損害的作用，為達(dá)到防雷減災(zāi)效果，地面站技術(shù)人員要定期對(duì)接地電阻進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)阻值不符合要求時(shí)，要及時(shí)檢修接地設(shè)備。

3.3 電磁脈沖防護(hù)措施

地面站電子設(shè)備精度高、靈敏度高、可靠性要求高，但耐壓性能低，供電電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，計(jì)算機(jī)設(shè)備電壓浮動(dòng)值要求在±5V以?xún)?nèi)，當(dāng)雷電電磁脈沖的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)0.07G時(shí)，就會(huì)引起計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)2.4G時(shí)，就會(huì)造成計(jì)算機(jī)永久性損壞，針對(duì)雷電電磁脈沖輻射干擾和傳導(dǎo)干擾的特點(diǎn)，最有效的方法就是采取電磁屏蔽措施，機(jī)房建筑屏蔽可利用建筑物的鋼筋和金屬結(jié)構(gòu)連接成一體化的法拉第籠，并與地網(wǎng)可靠連接，信號(hào)線(xiàn)、電力電纜應(yīng)選用帶金屬屏蔽層的產(chǎn)品，室外線(xiàn)路應(yīng)穿金屬管埋地敷設(shè)。天線(xiàn)接收的射頻信號(hào)通常經(jīng)過(guò)波導(dǎo)或同軸電纜傳輸至機(jī)房信道設(shè)備，在雷暴天氣，信號(hào)傳輸質(zhì)量會(huì)受到雷電電磁脈沖的干擾，提高接收數(shù)據(jù)的誤碼率，為提高傳輸線(xiàn)路防范雷電電磁干擾的能力，建議在室內(nèi)、外增加光收、發(fā)設(shè)備，采取光纜傳輸方式將天線(xiàn)接收的射頻信號(hào)傳輸至機(jī)房設(shè)備。

本文從地面站防雷需求入手，分析了雷電對(duì)地面站建筑和設(shè)備造成危害的原因，提出并解決了地面站雷電防護(hù)的技術(shù)問(wèn)題。地面站雷電防護(hù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的任務(wù)，必須按照國(guó)家規(guī)定的雷擊分級(jí)要求和建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求，采用綜合防雷技術(shù)措施，并且定期進(jìn)行防雷裝置檢測(cè)，根據(jù)國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)信息，及時(shí)開(kāi)展雷電防護(hù)工作。

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[責(zé)任編輯：王偉平]