基于战场环境下通信台站的雷电及电磁武器防护设计

杜思深，黄国策

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

基于战场环境下通信台站的雷电及电磁武器防护设计

杜思深，黄国策

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

有关雷电及电磁武器防护技术的研究成果不少，但基于战场环境下通信台站的防护设计，目前仍无实用、系统的资料可以借鉴。首先分析了战场电、磁环境的构成特征及众多研究成果，然后利用“场”概念，采取多项技术措施，三维空间防护，完成了雷电拦截效率E≥0．98、电屏蔽性能≥80 d B等指标的某通信台站防护设计，试验验证符合设计要求。

雷电；电磁武器；场；电磁屏蔽

构成战场电场、磁场环境的要素有两大方面，一是无源传播因素，二是有源电磁辐射。有源电磁辐射又可分为自然环境电磁辐射、民事电磁辐射和军事电磁辐射3个方面。其中，雷电和电磁武器（核电磁炸弹、非核电磁炸弹等）对通信台站的影响最为剧烈。

雷电的防护分为直击雷电防护与感应雷电防护，直击雷电的防护起步较早，工程实践的手段多样，感应雷电与电磁武器的防护，近20年来才得到普遍重视［1－4］。这是因为低电压微电子器件的飞速发展与广泛应用，使电子设备抗击电磁杀伤的能力大大减弱，特别是电磁武器爆炸时可以发出百万瓦的电磁脉冲，频谱覆盖了分米波到厘米波波段，在0．03μs内即可上升到最大值（比闪电快50倍），磁场就在附近的各类金属导体上，激发感应电动势和感应电流，比雷电电磁脉冲更具有杀伤力。

对于雷电及电磁武器的防护研究，许多专家做了大量的工作。

庄洪春等“大气等离子体避雷”［1］、马宏达“对‘等离子体’避雷和电荷避雷等理论的商榷”［2］、关象石“对防雷技术若干争议问题之浅见”［3］，为雷电的防护开创了新思路。

另外，王艳在“墙体对微波脉冲的衰减特性”［5］一文中指出，钢筋网混凝土墙（厚65 cm）对超宽带信号的衰减较大（29．07～45．79 dB）。在通常框架、框减、减力墙、框筒、筒中筒、大板等混凝土钢结构或预应力结构的建筑物中，依据IEC 61312－2中的指南说明，电磁场一般衰减25～30 dB。

杨春山在“雷电电磁脉冲对电缆的耦合效应研究”［6］一文中指出，对距雷击点几十米左右的近地电缆上，雷电电磁脉冲可在其外导体上感应产生几万伏到几十万伏的电压，即使采用屏蔽性能很好的钢材料屏蔽电缆，在电缆内导体终端上也可以感应几伏到几十伏的感应电压，这对耐压只有几伏的微电子设备将造成严重的损伤。

孙蓓云在“两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较”［7］一文中指出，对于几十米、几百米长的电缆而言，电缆对外界电磁波的频率响应主要在10 MHz以下。

张水平在“直埋通信电缆雷电感应过电压试验研究”［8］一文中指出，为降低直埋通信电缆上雷电感应过电压，可采用增加电缆的埋深或敷设在土壤电阻率较低的土壤中，在电缆的正上方铺设排流铝片或加装绝缘隔板，以及在电缆上面套装铁管或铝管等方法。

傅正财在“有独立引下线建筑物遭雷击时室内的磁场分布”［9］一文中指出，金属构架对外部引下线上的雷电流产生的脉冲磁场有屏蔽作用，但增加建筑物金属构架的支路数（尤其是内部支路数）并不能增强其屏蔽效果。内部构架支路仅影响其附近局部区域的磁场分布，建筑物内的总体磁场分布主要取决于金属构架的外部边缘支路。

总之，有关雷电及电磁武器防护技术研究成果不少，但基于战场环境下地面通信台站的防护设计，目前仍无实用、系统的资料可以借鉴，这就是本文的要做的工作。

1 雷电及电磁武器防护设计

1．1 防护要求

根据战场环境下通信台站的重要性、自身的抗击能力要求和系统事故后果严重程度，结合朱万红［10］针对选取防护措施的等级与费用合理分配以获最大生存概率的问题，以及陈才俊［11］、安晓明［12］建筑物防雷击电磁脉冲防护等级的划分，对通信台站的雷电防护等级定为A，即在保护半径30 m内，拦截幅值为（2．8～200）k A的雷电流概率≥0．98。另外，依据GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》，GB 2887—2000《电子计算机场地通用规范》，台站内磁场干扰环境要求小于800 A／m，电场干扰环境要求小于126 d B（基准1μV／m）、静电电位不大于1 k V，精密电子设备室电屏蔽性能不小于80 d B。

1．2 防护设计

对于通信台站而言，雷电及电磁武器防护可以分为直击雷电、感应雷电及电磁武器的防护。以“路”的概念，引雷入地的直击雷电防护技术成熟，避雷针、线、网是直击雷的主要防护措施，但接闪时，引下线的强大雷电流产生的磁场，也会感应损害附近精密电子设备，即“引狼入室”［13］，所以，单一防护措施难以奏效，必须利用“场”的概念，采用多项措施，机房内部与外部三维空间，进行综合防护设计。

1．2．1 直击雷电防护设计

直击雷电防护措施有避雷针、避雷线和避雷网等，通过为雷云雨提供一个对地的低阻抗泄放通道，以保护台站和设备免受直击雷电的摧毁。

为了保证雷电拦截效率E≥0．98，在台站暴露区域（如建筑屋顶）、天线上空等处安装避雷针，使机房、天线等均处于直击雷防护区（LPZOB）内，其中避雷针宜采用提前放电避雷针或多针接闪器［14］，保护角范围按不大于45°计算，架设高度尽量限制在离地面30 m内［15］，若保护对象过高或保护对象过大应安装多只避雷针，如图1所示。

当建筑物外围安装避雷网时，网格规格应不大于5 m× 5 m或4 m×6 m［16］，避雷线可采用直径大于8 mm的圆钢或截面大于48 mm2的扁钢，如图2所示。若建筑物外墙构件钢筋网规格符合上述要求，也可作为自然避雷网考虑（此时，禁止将此钢筋作为工作地线），但钢筋交叉和连接点应采用可靠的电气焊接，这可增加墙体的屏蔽效果，使建筑物内真正成为LPZ1防护区。

图1 避雷针的45°保护角范围

以上设计，可满足直击雷的防护要求，但当雷击时，如假设接闪电流为150 k A，则建筑内部距避雷网2．5 m处产生的磁场强度理论上可达1 899 A／m［17］，远远大于标准所规定的800 A／m，使防雷变成“引雷”。

为了防护直击雷又避免“引狼入室”，避雷针与被保护的天线距离应大于3 m，避雷网应按照2 m×2 m的网格设计，避雷针和避雷网的引下线选用多根直径大于8 mm的圆钢或截面大于48 mm2的扁钢，沿建筑中较大的金属构件或主体钢筋外侧入地，或选用BVV 1×50 mm2的铜芯屏蔽线，其中室内电子设备与避雷网和引下线的安全距离应大于1．6 m［8，17］。

图2 建筑外围避雷网

1．2．2 感应雷电及电磁武器的防护设计

雷电直击是小概率事件，雷电感应是大概率事件，因此感应雷电的防护尤为必要。另外电磁武器和感应雷电的破坏机理本质上一致，都会通过台站天线、供电电缆、信号电缆、地网以及缝隙、通风窗口等耦合进入机房，损坏设备，所以只有直击雷电的防护是不够的。

目前，感应雷电及电磁武器的防护途径有工程级、系统级、设备级和器件单元级等。在台站建设中，当设备定型后，工程与系统兼顾的防护设计性价比最高，其常用的防护技术方案有浪涌保护、等电位连接与共用接地、屏蔽及布线等，为了提高防护效果，采用多种方案，层层设防，综合治理。

①浪涌保护（surge protective device，SPD）

进入台站的线路通常有电源线、天馈与低压信号电缆、光缆以及地网等，当外界干扰、雷电感应或雷电直接时，在线路中可能会突然产生巨大的尖峰电流或者电压，从而损害线路中的其他设备、仪器仪表等，所以必须依据不同的线路安装适配的浪涌保护器。

浪涌保护器是一个非线性元件，有电压开关型、电压限制型和混合型，按使用性质可分为配电系统SPD、天馈与信号线路系统SPD、地极保护等。

对于配电系统，按照3级防雷设计：第1级选用电压开关型SPD，安装在总配电柜处；第2级选用电压限制型SPD，安装在分配电柜处；第3级选用电压限制型SPD，安装在需要保护的设备前端，并且电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度宜大于10 m，限压型SPD之间的线路长度宜大于5 m，若小于规定长度，应在2级SPD之间串联加装退耦装置，各级配电电源系统SPD的主要参数见表1所示。

表1 配电电源系统SPD主要技术参数（参考值）

天馈与低压信号电缆（音频电缆、数据网线、控制线缆）等各种台站进出线，都要安装SPD，依照天馈或信号线路系统的特性阻抗、工作频率（传输速率）、传输功率、接口形式、线路损耗等技术要求，以及最大通流容量、保护水平等，选择型号与规格适配的信号线路SPD安装。例如：当选择接收天线、网络进线的SPD时，考虑的主要技术参数见表2。

表2 各种SPD主要技术参数（参考值）

在施工中特别要注意几点。一是浪涌保护器的接地属于防雷保护接地，不应连接到工作地线上；二是电缆中未使用的空线也应两端接地；三是出入机房的光缆虽然不需要浪涌保护，但其金属芯部分应抽出接地。

②共用接地与等电位连接

在雷电及电磁武器防护区，LPZOA与LPZOB（LPZ1），LPZ1与LPZ2，LPZ2与LPZ3等交界处，金属部件和系统都应采用共用接地做等电位连接，使各防护区等电位，即将建筑物及其内部的设备置于一个法拉第笼中。虽对绝对地来说存在高压电位，但内部不存在电位差，从而阻止和减小感应雷电等的影响。

等电位连接分为防雷等电位连接和电气安全等电位连接等，它们的相同点是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体做等电位连接，以减小电位差。

具体实施时，首先将建筑物顶或第一防护区等电位连接，即将所有金属物、避雷带、第一防护区内的浪涌保护器接地端等相连，并特别注意屋顶的给排水管、消防水管和金属物体（如空调的室外主机部分）的连接，使避雷带及大楼楼顶等电位。其次是各机房内等电位连接，即在机房内每排机柜下部敷设40 mm×3 mm的铜条，汇合后采用BVV 1×50 mm2的塑套线，再与一楼地网汇流排直接连接。

③屏蔽及布线

采用浪涌保护器（SPD）并实现等电位连接，可限制过电压到允许的等级，是雷电及电磁武器防护中的重要方法，但SPD设计和施工会带有多方面的不确定性，使被保护系统仍可能出现故障，所以还应增加新的措施，电磁屏蔽就是另一种最重要、最有效的措施，它以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。

首先，为减小感应雷电沿线缆从LPZOA进入LPZOB，应将LPZOA区线缆敷入地下金属管道，并在雷电防护区交界处，对金属管道做等电位连接并接地。埋入地下的长度L一般应大于15 m或满足式（1）要求：

其次，对精密设备机房按I级屏蔽机房设计，墙面采用3 mm优质冷轧钢板经标准模块加工后镀锌处理，顶面、底板采用双层厚度为3 mm的钢板中间夹10 mm金属棉，并全钢板焊接式，现场施工安装。通风窗使用高性能蜂窝状通风波导窗换气，进入通道采用0．85 m×2 m三道簧片高性能手扳式屏蔽门。机房内四周墙面采用铝塑板装饰，吊顶为喷塑铝孔板，地面铺设全钢防静电地板，四壁布置电源插座和信号接入插座，照明采用嵌入式不锈钢格栅日光灯。

1．2．3 应注意的事项

为了提高防护效能和质量，须注意的事项如下。

①防雷接地与信号接地、直流接地、工作接地等接地线不应串接和共用，并应以各自独立的泄流地线接地，各个地网的地下部分距离应大于20 m。

②若台站各类地线布放距离过近，或台站共用同一个接地系统，在雷电流来临时，会有其中的某个地网的地电位在瞬间被抬升到很高的水平，从而与其他接地地网之间产生很高的电位差，该电位差可能存在于连接于不同地极之间的线路或设备形成的网络，即地电位反击，它对设备和人员的安全存在着巨大的危险。此时需要在不同的地网之间安装地极保护器来避免地电位反击的问题。依防护设计要求，地极保护器的技术参数选择如下：最大持续工作电压Uc为255 V，标称放电电流In（8／20μs）为120 k A，冲击放电电流Iimp（10／350μs）为20 k A，响应电压为600 V。

③在需屏蔽的场所尽量减少门的数量、不设窗或少设窗并减小窗口尺寸，并把最敏感和最怕干扰的设备尽可能安置靠近建筑物中心或屏蔽室内。

④所有屏蔽体，包括选用金属材料作为屏蔽的建筑物墙体或装饰材料，应保持良好的电气连接和可靠接地。

⑤在信号电缆、电力线和各种管线进出的地方，保持屏蔽的连续性。⑥电缆沟、槽、架都应选用封闭式的，而不要用开放式的。

2 结 语

采取多项技术措施，利用的“场”概念，在台站机房内外的三维空间，层层设防，完成上述防护设计，通过测验试验，符合设计要求，并在防护措施与费用兼顾方面，能获最大生存概率。

［l］ 庄洪春，黄建国，陈天辰，等．大气等离子体避雷［J］．地球物理学报，2002，45（Z1）：37－48．

［2］ 马宏达．对“等离子体”避雷和电荷避雷等理论的商榷［A］．中国电机工程学会能源与信息专委会电磁脉冲与信息系统防护学术委员会2006年学术年会论文集［C］．［S．l．］：［s．n．］，2006．

［3］ 关象石．对防雷技术若干争议问题之浅见［A］．中国电机工程学会能源与信息专委会电磁脉冲与信息系统防护学术委员会2006年学术年会论文集［C］．［S．l．］：［s．n．］，2006．

［4］ 周璧华．电磁脉冲及其工程防护［M］．北京：国防工业出版社，2003．

［5］ 王 艳．墙体对微波脉冲的衰减特性［J］．强激光与粒子束，2005，17（8）：1 277－1 280．

［6］ 杨春山．雷电电磁脉冲对电缆的耦合效应研究［J］．空军雷达学院学报，2005，19（2）：1－5．

［7］ 孙蓓云．两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较［J］．强激光与粒子束，2002，14（6）：901－904．

［8］ 张水平．直埋通信电缆雷电感应过电压试验研究［J］．高电压技术，2002，28（11）：32－33．

［9］ 傅正财．有独立引下线建筑物遭雷击时室内的磁场分布［J］．上海交通大学学报，2005，39（Z1）：18－21．

［10］ 朱万红．军事工程综合防护模型研究［J］．系统工程与电子技术，2005，27（1）：1－6．

［11］ 陈才俊．建筑物防雷击电磁脉冲防护等级的划分［A］．2007年中国城市供电学术年会论文集［C］．［S．l．］：［s．n．］，2007．

［12］ 安晓明．山区通信基站雷击电磁脉冲防护等级的确定［J］．气象研究与应用，2010，31（2）：72－73．

［13］ 虞 昊．建筑防雷接地既不科学又不经济［J］．清华大学学报（自然科学版），2006，46（12）：28－31．

［14］ 张景颖．多针接闪器最佳针数的研究［J］．高电压技术，2006，32（8）：82－83．

［15］ 刘蜀岷．避雷针保护范围不能“绝对化”［J］．高电压技术，2005，31（7）：82－83．

［16］ 张小青．屋面金属网格的防雷保护失效分析［J］．高电压技术，2005，31（2）：4－5．

［17］ 叶 平．建筑物屏蔽体效能分析及应用［J］．工业建筑，2007，31（Z1）：173－176．

TN972

A

1008－1542（2011）07－0005－04

2011－06－20；责任编辑：张士莹

杜思深（1962－），男，陕西礼泉人，副教授，主要从事电路与系统学科通信系统电磁防护等方面的研究。