配電裝置對于入侵雷電波的防護

1、 南 京 氣 象 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 系 別 電子工程系 專 業(yè) 防雷專業(yè) 姓 名 劉 春 學(xué) 號 200405207 論文題目 雷達站的綜合防雷 指導(dǎo)教師 梅 衛(wèi) 群 二O O四 年 六 月雷達站的綜合防雷摘要：本文介紹的是雷電的危害，雷電損壞設(shè)備的入侵渠道以及基本的防護方法。雷達站系統(tǒng)綜合防雷設(shè)計關(guān)鍵詞：雷達站，防雷技術(shù)一、前言： 1.1 雷電探測技術(shù)在軍事、科技領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，它已經(jīng)成為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)手段。隨著超大規(guī)模集成電路在雷達中的大量應(yīng)用，雷達信息資料處理自動化程度的不斷提高，使雷達的性能日益完善。但是，由于微電子技術(shù)的應(yīng)用，以及為減少遮蔽角而把雷達架設(shè)在平原地區(qū)

2、的高大建筑物頂部或高山的原因，使得雷達設(shè)備的抗擾性能不能滿足抑制或抵抗雷達設(shè)備所處環(huán)境中的自然電磁騷擾的需要，往往導(dǎo)致雷達設(shè)備性能下降甚至損壞。1.2 雷達設(shè)備所處環(huán)境的自然騷擾源主要是雷電。據(jù)報道，美國裝備了一百多部先進的88D多普勒雷達，但幾年來的使用表明，影響88D雷達安全運行的最主要因素是雷電。同樣，我國軍事，科技等領(lǐng)域使用的雷達，遭受雷電損壞的情況也比較嚴重。為此，我國氣象防雷減災(zāi)機構(gòu)組織力量對雷達站的防雷問題進行了長時間的研究。二、防護的原則：2.1 雷達站建筑物的外部防雷設(shè)計應(yīng)按照GB50057-94第二類防雷建筑物的要求進行設(shè)計2.2 雷達站內(nèi)部防雷設(shè)計應(yīng)采用等電位連接、屏蔽、

3、隔離、合理布線、電涌保護和共用接地系統(tǒng)等現(xiàn)代雷電防護措施進行綜合防雷。2.3 防雷裝置應(yīng)符合國務(wù)院主管機構(gòu)規(guī)定的使用要求。三、天線的雷電防護：3.1 天線的直擊雷防護圖一 天線罩安裝示意圖雷達天線被安裝在具有小遮蔽角的高大建筑物上，以88D雷達天線罩的直接雷防護為例。88D雷達天線罩直徑約12m，天線部分設(shè)備的方形支撐鐵架高2.2m，寬6.5m,.天線罩安裝如圖一（a）所示，方形支撐鐵架尺寸如圖一（b）所示。天線罩安裝在鐵架上，如圖一（c）所示，以下各圖的長度單位均為 m.3.2設(shè)計參數(shù)為:3.2.1 雷達站的防雷保護按第二類防雷建筑物設(shè)計，則滾球法半徑hr=45m；3.2.2 為減輕反擊和避

4、免天線進入雷擊電流的強磁場，設(shè)定避雷針與罩體外緣的距離為3m。3.2.3 被保護高度hx=12+2.2-0.957=13.24m,再考慮保護裕量=1m,則hx=14.24m采用的是等邊三角形分布的等高三針對天線罩進行直擊雷防護設(shè)計，其俯視圖見圖二。圖二 罩側(cè)的保護如圖所示：正ABC邊長為AB=AC=BC=15.59m.只要針高EB=FG=hr DF =hr =12.63m即可保護邊外的球部分。因此，關(guān)鍵應(yīng)考慮內(nèi)部之球體的保護情況下面用作圖法求針高：用半徑為45m的球讓三支針支撐起來，使?jié)L球最底點比罩端高出=1m裕量，罩體即獲得保護了。滾球的中心線0P垂直ABC，且通過它的重心。這樣三角形外側(cè)受

5、到了保護（上面已經(jīng)證明）。因為OP=所以，針高為：h=hr-OP+1+13.24=45-+14.24=15.15m如圖三所示：圖三 針高計算 有時會受到建筑物天面面積的限制，未能采用針的對稱安置方式，這時可取靈活設(shè)計方式，但應(yīng)按針的具體布置進行計算，使設(shè)計達到保護的目的. 按下述方法設(shè)計，當針距罩邊緣是3m,設(shè)雷電流I=10KA時，對罩邊緣和中心的磁感應(yīng)強度B1，B0進行評估：B1=(4××10×10³×10000)/(2××3)=6.67GS則磁場強度H1=6.67×79.6=531A/m, B0=2.22GS

6、如果要求在罩邊緣處B1=2.4Gs即H1=191A/m則Sa=I/(2××H)=10000÷(2××191)=8.33m此時，B0=1.4GS見圖四：圖四：磁感應(yīng)強度3.3避雷針材料選擇：頂端的接閃器采用Ø20的不銹鋼加工而成，已減少日后維護的工作量，長度一般為1m。支撐豎桿采用高強度玻璃管代替金屬桿，已減少雷達回波損耗，并用螺栓分別與上下導(dǎo)體相連，其內(nèi)使用截面積不少于50mm²的多股銅線實現(xiàn)頂端接閃器與避雷針引下線的電氣連接。在樓頂天面沿女兒墻應(yīng)敷設(shè)避雷帶（材料為Ø10以上的鍍鋅原鋼或L40×4鍍鋅扁鋼

7、）。避雷帶架高一般是1015cm，長度每隔1m應(yīng)固定一次。在大樓天面女兒墻上應(yīng)每隔18m從結(jié)構(gòu)柱主鋼筋上預(yù)留長200mm的鋼筋頭，將水平避雷帶或金屬欄桿與之焊接。天線罩的機座導(dǎo)電部分應(yīng)與屋面的避雷帶鋼筋相連，在天面安裝微波天線，通信天線，以及較大的金屬物體應(yīng)良好的接地。3.4 直擊雷防護引下線的設(shè)計要求應(yīng)利用外墻構(gòu)造柱內(nèi)至少兩根以上的主鋼筋自下而上電焊連通作為引下線。引下線應(yīng)充分利用構(gòu)造柱內(nèi)全部鋼筋，當柱內(nèi)鋼筋采用綁扎時，施工中需在每層高度加一個短路環(huán)或利用箍筋焊接。引下線下部與基礎(chǔ)圈梁主鋼筋電焊連接，上部與避雷帶和避雷針電焊連接，各樓層的接地預(yù)留件應(yīng)從建筑物中心結(jié)構(gòu)柱的主鋼筋引出，用做總等電

8、位連接端子的引下線應(yīng)焊接，下部與基礎(chǔ)地網(wǎng)靠的主鋼筋焊接。3.5 雷電側(cè)擊的防護高層塔樓從距地面45m每隔6m在結(jié)構(gòu)圈梁內(nèi)的主鋼筋應(yīng)焊接連通并與防雷引下線焊接成一整體，外墻上的欄桿，金屬門窗等較大的金屬物體應(yīng)焊接接地，以防側(cè)擊雷。鋁合金門窗處應(yīng)做預(yù)留接地端子，以做接地之用，各層玻璃幕墻的金屬支架應(yīng)電氣連接接地。3.6屏蔽3.6.1 屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，為減少感應(yīng)效應(yīng)采取以下措施：外部屏蔽措施，線路埋地引入并敷設(shè)與合理的路徑，內(nèi)部線路屏蔽，內(nèi)部線路應(yīng)穿金屬槽，管屏蔽或使用帶屏蔽層的纜線，這些措施應(yīng)聯(lián)合使用。其屏蔽層至少在兩端和防護區(qū)交界處做等電位連接。3.6.2 為改進電磁環(huán)境，所有與建

9、筑物組合在一起的大尺寸金屬部件都應(yīng)等電位連接，并與接地裝置相連。3.6.3信息系統(tǒng)設(shè)備機房應(yīng)選擇在最高級別雷電防護區(qū)中，應(yīng)避免設(shè)在計算機的頂層，當建筑物天面部分的避雷網(wǎng)格尺寸不符合系統(tǒng)屏蔽要求時，應(yīng)在天面加裝屏蔽層或加密網(wǎng)格，使用非金屬屏蔽電纜，入戶前應(yīng)穿金屬管并埋入地中水平距離10m以上。如受條件限制無法穿金屬管埋地入戶，則應(yīng)加長入戶屏蔽，且入戶時在雷電防護區(qū)交界處應(yīng)做等電位連接和接地。3.6.4雷達天線接到機房的所有電纜宜敷設(shè)在金屬屏蔽槽內(nèi)，接地端子和波導(dǎo)管在傳經(jīng)每樓層時應(yīng)與該層等電位連接帶電氣連接，金屬屏蔽槽首尾應(yīng)電氣貫通。雷達天線至機房的電纜線入口處應(yīng)用金屬罩屏蔽并接地，為雷電電磁脈沖

10、干擾，所有線纜均應(yīng)敷設(shè)在金屬屏蔽槽內(nèi)，并進行多次等電位連接后進入機房，在建筑物設(shè)計，施工時應(yīng)預(yù)留穿管用的孔洞。3.6.5 雷達機房和控制室的外墻的鋼筋宜適當加密，鋼筋網(wǎng)孔直徑不宜大于20mm×20mm；雷達機房和控制室應(yīng)使用金屬板門窗，窗上應(yīng)加設(shè)網(wǎng)孔不大于20mm×20mm的金屬網(wǎng)。金屬門和網(wǎng)與建筑物內(nèi)的主鋼筋應(yīng)做可靠的電氣連接。3.6.6 雷達機房和控制室內(nèi)的設(shè)備距外墻及梁柱的距離一般不應(yīng)小于1000mm。3.7 等電位連接3.7.1 機房內(nèi)設(shè)備的等電位連接如圖五所示當采用S 型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時,該信息系統(tǒng)的所有金屬組件,除等電位連接點外,應(yīng)與共用接地系統(tǒng)的各組件有足夠的

11、絕緣,通常S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)用于相對較小,限定在局部的系統(tǒng),其所有服務(wù)性設(shè)施和電纜僅在一點進入該信息系統(tǒng).本網(wǎng)絡(luò)因僅通過唯一的一 圖五 等電位連接點(即ERP)結(jié)合到共用接地系統(tǒng)當中去。在此情況下。各設(shè)備之間的所有線路和電纜應(yīng)按照星型結(jié)構(gòu)與各等位連接線平行敷設(shè),已避免產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)路。由于采用唯一的一點進行等電位連接,故不會有與閃電有關(guān)聯(lián)的低頻電流進入信息系統(tǒng),而信息系統(tǒng)內(nèi)的低頻干擾源也不會產(chǎn)生大地電流。做等電位連接的這唯一的點也是接浪涌保護器以限制傳導(dǎo)來的過電壓的理想的連接點, 如果采用的M型等電位連接網(wǎng)絡(luò),則該信息系統(tǒng)的各金屬組件不應(yīng)與接地系統(tǒng)的各金屬組件絕緣,M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)通

12、過多點結(jié)合到接地系統(tǒng)中去,通常,本網(wǎng)絡(luò)用于延伸較大和開環(huán)的系統(tǒng)。而且在設(shè)備之間敷設(shè)許多線路和電纜,服務(wù)性設(shè)施和電纜在幾個點進入該信息系統(tǒng)。本網(wǎng)絡(luò)用于各種高頻均能得到一個低阻抗網(wǎng)絡(luò)。此外,本網(wǎng)絡(luò)的多重短路環(huán)對磁場將起到衰減環(huán)路的作用,從而在信息系統(tǒng)的鄰近區(qū)域內(nèi)減弱初始磁場。3.7.2 進入建筑物內(nèi)金屬導(dǎo)體的等電位連接進入建筑物內(nèi)金屬導(dǎo)體,如埋地電力電纜,自來水管道,通信電纜,因此在該雷達站建筑物的首層,應(yīng)設(shè)專用接地的匯流排,對進入建筑物的外來導(dǎo)體實行等電位連接，如圖六圖六 匯流排3.7.3 屋面雷達天線、大金屬物體的等電位連接在雷達站天面通常設(shè)有微波天線,通信鐵塔,UHF通信天線等.等電位的的連

13、接如圖七：圖七 屋面的等電位連接 3.8 共用接地技術(shù)：3.8.1 宜用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)為共用接地系統(tǒng)。如建筑物沒有達到基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)或達不到要求時，宜在建筑物四周埋設(shè)人工垂直接地體和水平環(huán)形接地體，接地體的沖擊電阻一般不應(yīng)大于4歐。3.8.2 應(yīng)利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體，重要的電子的接地電阻在當?shù)赝寥离娮杪市∮?000·m時，宜在建筑物外大于5米處埋設(shè)環(huán)形人工接地網(wǎng)，該環(huán)形水平接地體宜在散水坡以外并在不同的方向用四根以上40×40的鍍鋅扁鋼或大于等于12鍍鋅圓鋼與建筑物基礎(chǔ)鋼筋焊接，此時共用接地電阻可適當放寬。圖八 雷達站進行等電位連接和接地示意圖3.8.3

14、埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼，鋼管，圓鋼或接地模塊，埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼、圓鋼。圓鋼的直徑不應(yīng)小于10mm，扁鋼截面積不應(yīng)小于100mm,其厚度不應(yīng)小于4mm,角鋼不應(yīng)小于L40×40×4，鋼管壁厚不應(yīng)小于3.5mm,人工垂直接地體的長度宜為22.5m.人工垂直接地體之間的距離應(yīng)大于接地體本身長度的2倍，人工水平接地體之間的距離宜為5m。當受到環(huán)境條件限制時可適當減少。人工接地在土壤中的深度不應(yīng)小于0.5m,接地體應(yīng)遠離由于磚窯、煙道等高溫影響土壤電阻率升高的地方。雷達站進行等電位連接和接地如圖八所示。3.9 綜合布線為了防止遭到雷擊時產(chǎn)生的雷電脈沖

15、耦合到線纜中，傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備內(nèi)而毀壞設(shè)備，在布線時應(yīng)采用合理的布線原則，不同的線纜間應(yīng)有一個安全的距離。3.10 雷達站浪涌保護器SPD的選擇與安裝：如圖九所示圖九 雷達站浪涌保護器SPD的選擇與安裝3.10.1 在低壓配電線路中，當變電所與雷達站合一時，必須采用TN-S系統(tǒng)，當分設(shè)兩處時，宜采用TN-C-S接地系統(tǒng)。在不同的供電系統(tǒng)中SPD安裝的數(shù)量類型不同。在不同等級的雷達站安裝的保護級數(shù)也不同。3.10.2，選擇的原則：不同等級的雷達站SPD參數(shù)選擇應(yīng)有所不同，如果是架空電源線路進入雷達塔樓的SPD1 宜選擇I級分類試驗用沖擊電流通過幅值電流4010KA（10/350s波形）的開關(guān)型SP

16、D，也可選擇100-60kA(8/20s波形)的限壓型SPD；SPD2宜選用6020KA（8/20s波形）的限壓型SPD；SPD3宜選用2010KA（8/20s波形）的限壓型SPD；SPD4為精細保護，主要是在強雷暴區(qū)需要對微電子設(shè)備或系統(tǒng)進行精保護時才安裝，一般宜選用105KA（8/20s波形）的限壓型SPD。各級SPD的標稱導(dǎo)稱電壓Un從1級到4級應(yīng)選擇一個合適的梯度，SPD連接導(dǎo)線應(yīng)短而直。SPD連接導(dǎo)線不宜大于0.5m,當SPD1 和SPD2的線距長度小于10m,SPD2和SPD3的線距長度小于5m時，在兩SPD之間應(yīng)加退耦裝置。為防止SPD老化作成短路。SPD安裝線路上應(yīng)有過電壓保護裝置，宜選用有劣化顯示功能的SPD。3.11 其他附屬裝置防護3.11.1雷達天線頂部的航空障礙燈應(yīng)使用屏蔽電纜供電，屏蔽層兩端應(yīng)做等電位連接，供電線路上應(yīng)安裝SPD。3.11.2 雷達站建筑物外部安裝的裝飾用射燈，墻角燈，輪廓燈，彩燈等的電