卫星接收天线防雷工程探讨

+ 王继来 国家新闻出版广电总局五七二台节传机房

卫星接收天线防雷工程探讨

+ 王继来 国家新闻出版广电总局五七二台节传机房

本文对卫星接收天线防雷击的必要性、雷击原理等进行了阐述，并通过工作中的实际经验教训总结了卫星接收天线防雷击措施和避雷针设计与安装制作方法，供大家学习交流。

卫星接收天线 雷击 防雷措施 避雷针制作

一、引言

随着科技的发展，卫星通信因具有覆盖区域广泛，传输容量大，可靠性强和经济效益好的特点而被各领域广泛应用。因卫星接收天线一般多架设在当地开阔空旷，无遮挡物的较高位置，很容易遭到雷击，遭到雷击时，不仅设备遭到破坏，人身安全也受到威胁，对广播、电视、电信等卫星通信应用较多行业的安全生产、工作会造成较大的影响害和损失。这就对卫星接收天线的防雷措施提出了很高要求。下面根据工作实践，介绍雷击方面的知识、防雷设计、使用安装经验。

二、遭雷击经验教训

国家新闻出版广电总局五七二台卫星接收天线场区位于广播发射机房二层楼后面，周围地势比较空旷，在机房楼顶安装有一根整体高度约22米的独立避雷针，由于防雷意识和相关知识的欠缺，多年来一直把此独立避雷针当作本单位三面卫星接收天线避雷措施，没有对卫星接收天线单独做科学合理的防雷防护设计，在2011年7月的一个雷雨天，Ku波段天线高频头遭雷击，造成ku波段信号中断，影响了安全传输发射工作。惨痛教训之后，对此独立避雷针防雷保护区进行了实际测量，测量数据：如（图一）

避雷针整体高度H约22米,避雷针与卫星接收天线最近水平距离约30米，按照独立避雷针有效保护区半径为避雷针下面45°伞形区初步推算，可以确定三组天线无任何直击雷保护措施，且卫星天线金属底座、天线区围栏均无接地，所以遭受雷击损害概率相当大。现场勘查照片如（图二）

图一

1、雷击的产生

雷击是大气中一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层或是带电云层对大地间的迅猛的放电，这种迅猛的放电过程产生强烈的闪光并伴随着巨大的声音。云层之所以会带电，其原因主要是空气的运动使空气中的水蒸汽随之上升、下降产生云，在运动过程中，云中的水分子被大气电场所电离而变成带有电极性的离子。在电场力的作用下，同种极性电荷的离子聚集在一起（通常带负电荷的离子在下方，正电荷离子在上方）。当云层中的离子累积到一定数量时，其与大地间的电场强度上升到足以击穿空气的强度，这样就产生了雷击放电的现象。根据分子运动中的电子逃离学说，在物体的尖端部分电子受到同性电荷向外排斥的力量最强，容易被排斥离开物体而形成电子流与云层中随云粒或水成物向地面靠拢的带电微粒形成先导放电通道，并最终形成放电主通道，即雷击。

2、雷击的几种主要表现形式

2.1直击雷：

雷云对大地或大地上某一物体间的直接放电，雷电流通过物体向大地中泄放时电流产生的机械力造成被击中物体的严重破坏。

图二

2.2雷电电磁脉冲：

在直击雷发生或雷云间放电时，由于静电感应作用在地面某一范围内形成的静电荷失去电场力束缚，或雷击放电通道周围一定范围内因瞬变的大电流产生的电磁脉冲感应都会在地面物体上产生非常高的电位，进而形成电流向其他物体放电或沿金属物体向远处传播。

3、雷电活动及雷击的选择性：

3.1雷电活动从季节来讲以夏季最为活跃，冬季最少。评价某一地区雷电活动的强弱，通常用“雷暴日”来表示，即以一年当中该地区有多少天发生过人耳能听到的雷鸣来记录雷电活动的情况，雷暴日的天数越多，表示该地区的雷电活动越频繁。我国年平均雷暴日的分布情况大致可分为四个区域：一是西北地区，年平均雷暴日在15天以下；二是华北及东北地区，年平均雷暴日在15～40天；再有是长江以南地区，通常在40天以上；最多的是在北回归线以南地区，一般都在80天以上，个别地区达到100天以上。

3.2雷击有很强的不确定性，我们无法预先判断每一次雷击的放电通道的位置。同时，它还具有一定的选择性，一些具有一定特征的建筑或地面物体相比较而言容易遭受雷击，经过观察及实验，总结出雷击的频繁程度与下列一些特点有很大的关系：

土壤电阻率的大小。雷击通常发生在土壤电阻率较小的地方，而邻近的高土壤电阻率的地方相对较少。

水（包括地上及地下）含量的多少。如湖泊、低洼地区及地下水位高的地方。

地形、地貌的不同。山区、金属矿区、河岸、地下水出口处等与周围其他地带地形、地貌不同处。

地面上的设施情况。地面上较高的或孤立的建筑物、设施，以及金属结构或内部较潮湿的厂房、建筑或冒烟的烟囱等均是雷击的主要目标。

四、防御雷电灾害的主要措施

1．接闪及分流

接闪装置是针对建筑或建筑物附属的设施防护直接雷击的最有效措施。它是利用安装在建筑物之上或独立安装于建筑物旁的与大地有良好电气连接的金属物将雷电流引向自身并通过与大地的连接导体将雷电能量泄放入大地，从而使其保护范围内的建筑或设施免受雷击。接闪装置的主要形式有避雷针、架空避雷线（网）、安装于建筑物上的避雷带（网）等几种。根据国际及国内的防雷标准，不同的建筑或其附属的设施所配置的接闪装置形式、安装位置及高度应按被保护物的特点进行选择，相同设施处于不同类别的防雷建筑时的接闪装置参数的计算是不同的（详细内容参阅GB50057、IEC61024等相关标准）。例如，以“滚球法”对避雷针的高度计算中的“滚球半径”就与雷电流的大小成对应关系，确定了滚球半径也就确定了避雷针可防护的雷电流的最小值，当发生的雷电流小于其对应数值时就有可能失去防护能力而造成雷电对被保护物的直接放电。但是这个概率很低，而且雷电流的能量对被保护物的破坏程度比较小。

分流是将接闪装置接收的雷电能量泄放入大地的通道，要求其能以最短的途径、最快的速度将雷电流导向接地体。由于雷电流是一个具有很强瞬间功率的电流源，在其通过的不足1秒的时间内如果导体的截面积不够大就有可能使泄放通道产生局部过热、变形甚至断裂，造成防雷装置的失效。为此，应将接闪装置与大地的连接采用尽可能多的通道分配能量，使每一个通道通过的雷电能量尽量地小，这样就能在通过雷电流的同时保证防雷装置的安全。分流多是采用单独敷设的引下线或钢筋混凝土框架结构建筑中的主钢筋等上下贯通的金属物，两端分别与接闪装置及接地装置以焊接的方式连接。

2．屏蔽

屏蔽从形式上分为建筑物屏蔽、建筑物内或建筑物间线路的屏蔽。不同的屏蔽措施应按建筑所处位置、特点、发生大电流雷击的可能性来确定，原则上应综合应用多种屏蔽措施达到抑制电磁脉冲的目的。

3．接地

接地作为直击雷保护的能量泄放通道最后环节、屏蔽措施的感应电荷释放通道以及电子电气设备的安全保护、对人员的安全保护都是至关重要的安全系统组成部分。可以说，接地是各种与电气相关的安全措施的基础，接地质量的优劣直接影响到安全保护措施的效果。对于雷击的保护，接地装置承担着雷电流的泄放任务。雷电流具有脉冲的特性，它在接地装置及大地中的情况是不能按常规的直流或工频特点分析的，为此，在防雷的标准中引入了“冲击接地电阻值”，它与工频接地电阻不同，在不同的雷电流波形及不同的土壤环境中有很大差别。简单说，因土壤在冲击电流的情况下会发生局部击穿的情况，因此冲击接地电阻值在数值上常常是小于工频接地电阻值的，这对我们测量、判断一个接地装置的冲击接地电阻值是否符合要求提供了理论基础（在现有测量设备的条件下直接测量冲击接地电阻较困难，只能测量工频接地电阻值）。工频接地电阻与冲击接地电阻的换算可依据GB50057中的相关内容。防雷保护的接地装置还要求其能迅速将雷电能量泄放入地，同时还要考虑到雷电流泄放时的土壤电位（跨步电压），要求接地装置具有足够的电流流散面。从某种意义上说，防雷接地装置的结构比接地电阻值更加重要。为了达到均衡电位、快速泄放电流的目的，同时考虑到多分流引下线的接地问题，将接地装置围绕被保护建筑设为闭合的环形是比较科学、有效的。

4．均压等电位

雷击造成人员伤害及设备损坏的原因除直接击中外，最主要的原因就是雷电在不同的位置产生的电位差引起的。例如，人员在触及两个没有电气连接的金属物时，触及的金属管线在流过雷电流时将产生不同的感应电压降（特别是分流引下线的电位除感应电压降外还与接地装置的电位升相加），这样，人的不同部位之间形成电位差，使一部分电流通过人体形成接地通道，当此电流达到人体耐受极限时就会发生电击事故，造成人员伤亡。特别是防雷装置的分流引下线在通过雷电流时的电位是很高的，对邻近的金属物或设备放电的可能性非常大。为了消除金属物间的电位差造成的对人、对设备的危害，最有效的办法是将无法与人员隔离的区域内采取等电位连接的方法以最短的导体多次连接非带电金属体，使各个位置的金属物具有相同或近似的电位，消除或减小电位差，达到安全的目的。这个区域可以是整个建筑也可以是建筑中的局部。从上述角度分析，对于防雷接地系统在保证等电位的要求下应尽量采用共用接地系统，以达到消除电位差的目的。

防雷接地工程是一个综合系统工程，必须将外部防雷、内部防雷作为一个整体进行综合分析和设计，必须根据保护对象的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能和后果，因地制宜地采取防雷措施。对雷电综合防治的原则是：“综合治理、整体防御、多重保护、层层设防”。运用“接闪、引下、分流、均压、屏蔽、合理布线、安装保护器、接地”的措施，根据特定保护空间的实际情况，用相应的防雷措施，做到安全可靠、技术先进、经济合理、施工维护方便。

五、卫星天线区直击雷防护工程设计方案

1．卫星天线场区类别计算：

北京市年平均雷暴日比较高（36.3D/A），根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057中的规定：雷电活动区根据年平均雷暴日的多少，分为少雷区、中雷区、多雷区和强雷区：少雷区为年平均雷暴日数不超过25天的地区

中雷区为年平均雷暴日数在25～40天以内的地区

多雷区为年平均雷暴日数在40～90天以内的地区

强雷区为年平均雷暴日数超过90天的地区

北京地区年平均雷暴日数基本上接近多雷区。根据气象资料表明，北京地区年雷暴日Td=35.2天，是雷电多发区。根据国标《建筑物防雷设计规范》规定，以办公楼为例计算，则卫星天线场区年预计雷击次数N=KNgAe，其中：

K=1 (校正系数，一般情况下取1)

Ng =0.1＊Td=3.52(建筑物所处地区雷击大地的年平均密度)

L=33（卫星天线场区的长度）

W=9（卫星天线场区的宽度）

H=7（卫星天线最高点的高度）

=0.008（与建筑物截收相同雷击次数的等效面积）

N=KNgAe=1＊3.52＊0.008=0.028次/a。

根据国标《建筑物防雷设计规范》第3.0.4条第1款规定，省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆、第2款规定：预计雷击次数大于或等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物应划为第三类防雷建筑物。因此卫星天线场区应划分为第三类防雷建筑物。

2.采用滚球法防雷设计方案计算

经过对卫星接收天线场区实际测量及相关防雷国标：决定采用滚球法防雷设计方案，在天线场区两侧架设两根独立避雷针，已知条件如下：

1号避雷针：

避雷针7米处的保护范围内的远端半径:Rx=18米被保护物的防雷等级要求：滚球半径：Hr=60米被保护物的高度：Hx=7.00米；

假设被保护平面的高度为H

被保护范围宽度为Bx

公式和计算过程:

经计算：H=16.5(米)

1号避雷针的高度为保护平面的高度加上被保护物的高度H=16.5+7=23.5米，取整为24米

两针距离D = 36.46米

D1 = D/2= 36.46/2= 18.23(米)

=16.28(米)

2号避雷针计算方法同1号，高度也为23.5米，取整约24米。

实际安装高度为24米。

3．避雷针保护范围示意图：如图三

3.1避雷针制作方案：

①、经过计算避雷杆高度为23.5米，实际制作高度为24米，采用热镀锌角铁制作。②、避雷杆的基础为2米见方的混凝土浇筑 ③、防直击雷接地电阻值小于10Ω。④、避雷杆采用CLPSA-3型

图三

图四

（图五）接地体制作示意图

图六

3.2接地制作方案：

①、垂直接地极采用Φ50mm的热镀锌钢管。②、水平接地极采用4＊40mm热镀锌扁钢 ③、接地电阻小于10Ω。④、卫星天线基座和护栏分别于地网进行等电位连接。接地示意图：如图四

⑤、现场测得土壤电阻率约为300Ω/米，考虑到周边土壤电阻率较高，土质为砂石结构。为了达到更好的降阻郊果，在接地体周围敷设长效物理添充剂以增加地网的使用寿命。接地体制作：如图五

防雷接地体制作时可用长约2m，Φ50mm的热镀锌钢管或50x50x3mm的镀锌角钢作垂直接地体，每根垂直接地体间距不大于3m，垂直接地体之间用40x4mm的镀锌扁钢作为水平接地体连接，水平接地体的埋藏深度不小于800mm。水平接地体与垂直接地体都需要焊接牢固，焊接搭接头长度应为扁钢宽度的2倍，焊接时采用对焊方式，焊接后需用防锈漆做防锈处理。在传统接地工程中，降低接地电阻的方法有加入食盐，木炭、草木灰等，现在普遍使用施加化学降阻剂降低电阻的方法，本方案中也在接地体周围施加了化学降阻剂，方案实施后经国家广电总局防雷委员会专业验收，实际多点测量接地电阻约为4Ω左右，各项检测验收数据符合设计方案标准。

4.直击雷方案实施后实物照片：如图六

六、结束语

卫星地面接收站接收天线一般选址安装在比较空旷或是建筑物顶上等无遮挡的区域，这样遭受雷击的概率很大，所以卫星天线防雷、避雷工程设计及相关应对措施尤为重要。雷电对无线电设备、设施的危害往往使设备损害，停止工作，严重影响通信及广播、电视等行业的正常运转，因此防雷措施、防雷知识要贯穿整个行业系统方方面面，如果忽视这方面工作，没有认真落实整改很可能会发生惨痛的教训，对工作造成无法弥补的损失。以上是作者实际工作的一些总结和经验积累，希望同行们给予批评指正。