衛(wèi)星地球站天饋電子設(shè)備防雷研究

1、 衛(wèi)星通信簡述

衛(wèi)星通信是以人造衛(wèi)星為中繼站的無線電通信。它工作于微波波段。衛(wèi)星通信已成為重要的現(xiàn)代化的通信手段，在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。美國在海灣戰(zhàn)爭期間，采用衛(wèi)星通信處理美軍戰(zhàn)區(qū)約90%的通信業(yè)務(wù)。衛(wèi)星通信的優(yōu)點是通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無關(guān)，以廣播方式工作，便于實現(xiàn)多址聯(lián)接，通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類型多，性能穩(wěn)定可靠，不受地理條件限制，靈活機(jī)動等特點。我國的衛(wèi)星通信發(fā)展迅速，固定式衛(wèi)星通信地球站，車載式衛(wèi)星通信地球站，便攜式衛(wèi)星通信地球站，移動衛(wèi)星通信地球站等等大量應(yīng)用于國內(nèi)軍用民用衛(wèi)星通信網(wǎng)中。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的需求，國內(nèi)衛(wèi)星通信已從單一的C波段發(fā)展為C、UHF、Ku多波段的衛(wèi)星通信。在抗震救災(zāi)中，便攜式衛(wèi)星通信地球站，移動衛(wèi)星通信地球站充分發(fā)揮了它的作用。本文僅對地面某固定衛(wèi)星通信地球站防雷問題進(jìn)行探討。

2、 某衛(wèi)星站電子設(shè)備多次被雷擊壞

某衛(wèi)星通信地球站機(jī)房樓頂架了避雷針，離地高度約27米，以保護(hù)機(jī)房通信設(shè)備。天線場并排架了三座鐵塔避雷針，離地約32米。以保護(hù)天線場的天線饋線系統(tǒng)級及天線尾部的高頻設(shè)備（低噪聲放大器LNA和高功放HPA）。幾年來，天饋系統(tǒng)的高頻部分設(shè)備多次被雷擊壞，不是在這部天線被擊壞，就在另一部天線被擊壞。為什么約32米高的鐵塔避雷針卻不能使2—5米高的高頻電子設(shè)備避雷而被雷電擊壞呢？先后被雷電擊壞的某衛(wèi)星站高頻電子設(shè)備的天線如圖1所示。圖1中右邊C波段天線尾部中心體內(nèi)的2個低噪聲放大器（LNA）在一次雷擊時損壞，中間和左邊的2個Ku波段天線高頻設(shè)備在另一次雷擊時被損壞。下面對雷電產(chǎn)生和防雷進(jìn)行探討。

圖1 先后雷擊壞某衛(wèi)星站高頻電子設(shè)備的天線

3、 雷電

3．1閃電是速變電磁場

對閃電有幾種觀點，一種認(rèn)為是恒壓電路，另一種認(rèn)為是恒流電路，第三種認(rèn)為是速變電磁場，它輻射的電磁波極寬，包括比微波頻率更高的光波。筆者比較認(rèn)同第三種觀點，即閃電是一種速變電磁場。閃電的電磁場能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋⒙暷芎碗姶艌鲋形矬w的熱能。

3．2 雷電的形成

雷電的形成。由于大氣空間場的作用下，云層分離從而帶電。雷云中電荷的分布是不均勻的，形成多個堆積中心。不論在云中或云對地間，電場強(qiáng)度是不一致的，當(dāng)云中電荷密集處的電場強(qiáng)度大到一定程度，就會由云開始先導(dǎo)放電，當(dāng)先導(dǎo)通道的頂端接近地面時，可誘發(fā)迎面先導(dǎo)，先導(dǎo)與迎面先導(dǎo)會合時，形成云到地面的電離通道。其為雷電的主放電階段，伴有電閃雷鳴。該地物就遭到雷擊。簡單地說，當(dāng)帶電荷云層逐步積累到足夠的電荷量時，便擊穿空氣，產(chǎn)生閃電現(xiàn)象，形成雷電。

4、避雷針

4．1 避雷針是引雷針

避雷針實際是引雷針。俄羅斯叫其為“接閃器”，美、英稱為“導(dǎo)電針”。接受直擊雷的防雷裝置稱為接閃器，例如：避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線、法拉第籠等等。避雷針是接閃器的一種。避雷針的保護(hù)作用是攔截閃電，使閃電打在自已身上，從而使建筑物避免遭受直接雷擊而受到保護(hù)。避雷針把雷電的能量沿鐵塔或引下線安全地導(dǎo)入地中。避雷針的保護(hù)范圍采用滾球法。避雷針的上部空間是其引雷空域，下部空間是其保護(hù)范圍，使不直接遭受雷擊。

4．2避雷針應(yīng)用環(huán)境

4．2．1避雷針防雷不宜用在山區(qū)建筑物

在雷雨低于山頭的坡地上往往產(chǎn)生側(cè)向雷擊。應(yīng)采用避雷帶或避雷網(wǎng)。

4．2．2避雷針防雷不宜用在高層建筑物

按防雷《規(guī)范》，避雷針高度大于60米，其滾球法保護(hù)范圍已無效。高架避雷針上部有一段落可能自身受側(cè)向雷擊的空間（稱為對針桿的側(cè)擊區(qū)）。高架避雷針引雷能力強(qiáng)，使得高架避雷針附近地面的落雷密度較該處平均落雷密度大，（稱為雷電閃擊區(qū)）。防雷應(yīng)盡量采用避雷帶或避雷網(wǎng)，只有天線等用短針防雷。

4．2．3避雷針宜用于平原地區(qū)矮小建筑物防雷

5、雷電感應(yīng)高電壓和和雷電電磁脈沖

5．1雷電產(chǎn)生雷電感應(yīng)高電壓和和雷電電磁脈沖

避雷針可防直擊雷，保護(hù)建筑物。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大量的使用電氣、電子、微電子設(shè)備。 在打雷閃電時，在放電通道周圍產(chǎn)生電磁感應(yīng)、雷電電磁脈沖使電源線，信號傳輸線、天饋線等感應(yīng)的雷電高電壓通過這些線路造成放電，損壞電氣、電子、微電子設(shè)備。

5．2防雷電感應(yīng)用高電壓和和雷電電磁脈沖采用浪涌保護(hù)器（SPD）。

浪涌保護(hù)器安裝在電子設(shè)備的外連線路（電源線路、信號線路、天饋線路）中，將雷電過電壓、過電流泄放入地，起到保護(hù)設(shè)備目的。防雷器件主要由放電間隙、放電管、高頻二極管、壓敏電阻、瞬態(tài)二極管、晶閘管高低通濾波器根據(jù)不同頻率、功率、傳輸速率、阻抗、駐波、插損、帶寬、電壓、電流等要求，做成各系列浪涌保護(hù)器。

5．2．1 波導(dǎo)分流器型電子避雷器

傳統(tǒng)避雷器在工作頻率（F）、承受功率（W）、通流容量（I）三者之間不能兼顧、不可調(diào)和、互相制約。眾所周知，雷電沖擊波能量的99%以上分布在 100KHz以下頻域，而有用信號波的能量分布在幾百仟赫以上頻域，因此，完全可以用由集中或分布參數(shù)電路元件構(gòu)成高低通濾波器組合網(wǎng)絡(luò)（無源、互易網(wǎng)絡(luò)）。將雷電波和有用信號分流，使雷電波入地，有用信號正常傳輸。

6、電子信息防雷系統(tǒng)必須有一個合格的接地網(wǎng)

接地系統(tǒng)有多種做法。比較好的一種是選用中光防雷公司的低電阻非金屬接地模塊。其優(yōu)點是適合于高土壤電阻率的土壤，腐蝕性強(qiáng)的土壤，高寒地區(qū)凍土。西藏乃堆拉某哨所海拔4500米高，屬高寒火山石地面，如圖2所示。以前該地區(qū)多次做的電子設(shè)備或營房建筑的防雷地網(wǎng)，多的到960Ω，低的到180Ω。經(jīng)多車泥土和降阻劑，最低的也只能做到53Ω。遠(yuǎn)達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)小于4Ω的要求。采用中光防雷公司低電阻非金屬接地模塊。經(jīng)計算，用了60個模塊。經(jīng)用日本儀表4102型地阻儀測試，地網(wǎng)電阻由原來的53Ω降低至3.5Ω，達(dá)到了避雷針地網(wǎng)電阻小于 10Ω，設(shè)備地網(wǎng)電阻小于4Ω的國家標(biāo)準(zhǔn)。攻克了西藏高海拔火山石質(zhì)地面長期未能解決的防雷地網(wǎng)問題。

圖2 海拔4500米西藏乃堆拉火山石質(zhì)地面

7、綜合防雷

近年來，雷電防護(hù)由富蘭克林式的避雷針防直擊雷，發(fā)展到綜合防雷工程新階段。電子信息防雷系統(tǒng)應(yīng)該是一個綜合防雷工程。由直擊雷防護(hù)措施、等電位連措施、屏蔽措施、規(guī)范的綜合布線、設(shè)計安裝SPD、完善合理的接地系統(tǒng)。

8、雷擊原因勘察探討

根據(jù)前述綜合防雷的六個要素，對雷擊原因進(jìn)行了勘查。并主要對防直擊雷，防感應(yīng)雷擊和地網(wǎng)進(jìn)行了重點勘查。地網(wǎng)電阻符合《規(guī)范》。三個高高的鐵塔避雷針正常。配電房，主機(jī)房設(shè)備，天線場高功放設(shè)備正常。配電房進(jìn)行了電源一級防雷，主機(jī)房進(jìn)行了二級電源防雷，天線場高功放機(jī)房進(jìn)行了三級電源防雷。被雷擊壞的是2個KU波段天線的電子設(shè)備，其工作頻率為12GHZ頻段。經(jīng)查，連接該電子設(shè)備的電源線路、信號線路、天饋線路都沒有安裝防感應(yīng)雷擊的避雷器件（即SPD）。避雷塔離傳輸電纜距離不到2米。

避雷針是一個接閃器，即引雷器。它可以防直擊雷，但不能防感應(yīng)雷擊。良好的地網(wǎng)可以使雷電流經(jīng)避雷針及塔或引下線進(jìn)入地。閃電產(chǎn)生的雷電波是速變電磁場，會在信號線路、電源線路、天饋線路感應(yīng)出過電壓，傳入線路兩端的電子設(shè)備；變化的雷電流經(jīng)避雷針?biāo)蛳乱€入地時，會產(chǎn)生變化的感應(yīng)電磁場，也會在信號線路、電源線路、天饋線路感應(yīng)出過電壓，傳入線路兩端的電子設(shè)備。如果上述線路兩端電子設(shè)備不安裝浪涌保護(hù)器，感應(yīng)的過電壓電流就會損壞電子設(shè)備。電子設(shè)備防雷，只安避雷針，不安裝防感應(yīng)雷擊的防雷器件，是防不到雷擊的。避雷針越高，越容易把遠(yuǎn)處的雷引過來，增加了感應(yīng)雷擊次數(shù)，又不裝防感應(yīng)雷擊的器件，無異于把雷引過來打電子設(shè)備。因此，找電子設(shè)備防雷工程的設(shè)計單位和施工單位都應(yīng)當(dāng)是有設(shè)計資質(zhì)和施工資質(zhì)的單位。施工過程應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)督把關(guān)，竣工時要嚴(yán)格驗收?？⒐ず笠獧z查維護(hù)。

9、結(jié)束語

綜上所述，閃電的雷電波是速變電磁場。衛(wèi)星地球站防雷系統(tǒng)應(yīng)采取綜合防雷措施。即直擊雷防護(hù)措施、等電位連接措施、屏蔽措施、規(guī)范的綜合布線、設(shè)計安裝SPD、完善合理的接地系統(tǒng)。避雷針是引雷針，可防直擊雷，但也把雷引過來，增加了電子設(shè)備的感應(yīng)雷擊次數(shù)，不安裝防感應(yīng)雷擊器件，電子設(shè)備會更容易被雷擊。防雷工程設(shè)計及施工應(yīng)找有設(shè)計資質(zhì)和有施工資質(zhì)的單位。施工中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)督把關(guān)，竣工時應(yīng)嚴(yán)格驗收。某衛(wèi)星站防雷系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行改造。防直擊雷措施可進(jìn)行適當(dāng)改造。避雷塔的位置、高度和數(shù)量可從新計算和施工。天線場到室內(nèi)設(shè)備的電源線、信號線、天饋線兩端都應(yīng)當(dāng)增裝防感應(yīng)雷擊的浪涌保護(hù)器。