海岛雷达站综合雷电防护方法与实践

◎ 梁汉军 交通运输部南海航海保障中心

肖群安 黄兵 广州市维林科技发展有限公司

海岛雷达站综合雷电防护方法与实践

◎ 梁汉军 交通运输部南海航海保障中心

肖群安 黄兵 广州市维林科技发展有限公司

海岛雷达站所处位置雷暴日多，雷电强度大，防护难度大。按照常规的防雷方法，难以达到满意的保护效果，本文分析海岛雷达站的雷电特点，采取新的思路和有效方法，减弱了雷电对基站设备的冲击强度，实现对基站设备进行全方位保护,效果良好。

海岛雷达站 雷电浪涌干扰源 专用屏蔽电缆 雷电波频谱 残压隔离变压器 滤波回路

1.前言

据统计，广东省珠海市年雷暴日达62天。桂山岛距离珠海市海岸线30千米。广东海事局在桂山岛山顶建有一座无人职守的雷达站，站内设备敏感而重要。该站位置偏远、地质条件差，防雷施工难度大。2001年之前，该站已由多家防雷单位实施了防雷整改，效果欠佳，曾因多次雷击导致设备损坏，直接影响到海事日常监管工作。

广东海事局针对上述情况，会同广州市维林科技发展有限公司（下简称“维林公司”），自2001年起，立足实际情况，遵照国内外防雷标准，应用先进的防雷理念，对基站实施了整体防雷改造和完善，防雷效果良好。下文将本项目的勘察、设计、施工过程做一介绍。

2.技术分析

通过联合勘察双方达成了以下共识：

（1）海岛的地理环境特性决定了该区域雷电特别频繁、雷击能量特别大。雷击几率大：在N=kNgAe雷暴日计算公式中，平地k为1，而位于山顶上的孤立建筑物系数取2。海岛取值更高。雷击通流量大：基站是山顶唯一的建筑物，一旦遭受雷击，全部雷电能量将通过本建筑物泄放。

（2）如何减少避雷针引发的雷电浪涌干扰是首要因素。根据IEC61312-3《雷电电磁脉冲的防护》第三部分：浪涌保护器的要求附录A1、低压系统中影响雷电流分布的因素1.4并接用户的影响：“……在一幢建筑物的情况下，流入低压系统的雷电流约占总雷电流的50%，而在并联用户系统情况下，此值最高可升至70%……”。规范认为至少有50%的直击雷能量转化为感应能量，感应到电源线、信号线上。

外部防雷虽然可使被保护物免受直接雷损坏，但泄放过程中，会产生强大的感应电磁场。站内线路多沿墙壁布置，无金属屏蔽线槽，没有设置安全距离，受到雷电电磁场感应的几率极大。所以方案设计时首先要解决如何尽量减少接闪器引发的雷电浪涌干扰。

（3）如何发挥浪涌保护器的保护作用是实现良好防雷效果的技术路径。电子设备运行安全，要求经过浪涌保护器保护后的电流值、电压值均在设备能承受的范围内，其变化的陡度也需平缓，急升急降均会影响设备的寿命。怎样有效地选择电源浪涌保护器，并与其它防雷设备组合使用，从而减轻对浪涌保护器的压力是我们必须寻求的技术方法和路径。

（4）基站岩石多、土层薄、水位低，地网的阻值很难降低，海岛气候导致的腐蚀比较严重，要考虑如何实现良好的雷电能量泄放效果。

（5）海岛的空气中含盐量高，对钢材的腐蚀性很大，要考虑如何防止减少其对室外线路的腐蚀。

3.方案设计及施工

针对上述问题和思路，我们提出以下设计方案及施工注意事项：

（1）直击雷改造。针对避雷针引下雷电过程中引发的强干扰源（感应源）的问题，解决办法如下：采用独立的、带屏蔽功能的引下线，避开设备多的位置，直接接入地网。

具体设计方案如下：①之前建筑物只安装了避雷针，无避雷带。本方案在天面及各楼层分别安装了避雷带。②拆除之前的主动式避雷针，改用传统圆铜避雷针。③避雷针雷电流引下线采用某国外公司生产的专用屏蔽同轴电缆引下与主地网连接。

选择专用屏蔽同轴电缆作为引下线，好处是：

第一，可自由选择引下线的安装位置，引下线从远离机房的一侧引下。

图1　 专用屏蔽同轴电缆的结构示意图

图2　 专用屏蔽电缆的数据

图3　

表1　

图4　 雷达站防雷总平面图

第二，由于引下线采用多层屏蔽技术，内芯电压高，电流大，但外层由于没有直接与内芯导体直接连接，外层电压极低，内部电磁场的感应也大大地降低了。

第三，专用屏蔽电缆的阻抗极小，只有同截面积导体的几十分之一。雷电流经时，电压值也同比可降低数十倍。

专用屏蔽电缆的数据如图2。（电感是22nH/m）。

传统引下线（以35mm2铜线为例)的数据如下：其中电感是1.6H/m＝1600nH/m，当通过变化率为10GA/s（1010安培/秒），单根60米引下线电压快速上升到超过一百万伏如图3。

传统引下线与专用屏蔽同轴电缆，在雷击时的电压对比，如表1。

第四，专用屏蔽电缆的本站引入点在地网的外沿，这样对站内的设备电位影响也降至最低。

施工注意事项：引下线安装时应避开设备多的位置，直接接入地网。电缆固定时，弯曲半径有特定的要求。

各楼层的避雷针带均采用铜材。

雷达站防雷总平面示意图4如下。

（2）电源感应雷改造。

①针对电源上雷电通流量大的情况，在电源进入低压配电柜前，先接入一种感性元件设备：隔离变压器。

雷电波频谱是研究避雷的重要依据，根据相关资料，90%以上雷电能量分布在频率10多KHz以下。简单的说，遭受雷电感应的供电线路信号由工频的电源和10多KHz以下的雷电浪涌两部分组成。

在电源线路进入基站后，首先接入隔离变压器。隔离变压器的主要作用是：使一次侧与二次侧之间只有电磁耦合，电气上完全绝缘，也使雷达站供电回路与外网隔离，消除地电位反击。另外，利用其铁芯的高频损耗大（磁饱和、磁滞等现场）的特点，从而抑制高次谐波、高频杂波（在此主要是雷电浪涌）传入二次侧。

②针对电源残压偏大的情况：在电源进入低压配电柜前，增加一大通流量、低残压的限压型电源浪涌保护器。

开关型浪涌保护器与限压型浪涌保护器相比，动作时间慢且通常有较高的残压，其对敏感的电子设备的保护仍难以达到良好的效果。我们除保留之前安装的第一级开关型浪涌保护器外，增加了一套一大通流量、低残压的限压型国外其品牌的电源浪涌保护器，它的每相通流量为135KA（8/20uS），残压仅为600V。两者配合使用，发挥各自的特性，如5所示。

③针对电源线路浪涌上升陡度太急的情况：在末端电源线路上安装了智能LC滤波回路（如下图6、图7所示），为设备提供安全洁净的电源。

普通浪涌保护器是一种电压触发型电子元件，只具备箝位的功能。本次设计了带LC滤波回路串联型末级浪涌保护器，可特别对雷电高次谐波进行对地泄入。本LC滤波线路设计对工频信号不发生动作，只对10KHz以下的雷电浪涌发生滤波作用。残压可达到300V左右。电源电压变化陡度由3000V/us，降低到5V/us。

施工注意事项：

一是安装浪涌保护器时，尽可能进行K型接线。

二是浪涌保护器件的接地线，其主干线由地网引上。与原有强电、弱电线槽保持安全距离，防止二次感应。

（3）信号感应雷改造。基站原有的信号浪涌保护器，效果不佳，进行了更换。新的信号浪涌保护器采取了多级防护并带高速箝位装置的某国外公司生产信号浪涌保护器（如下图8所示），保护效果更好。

（4）地网改造。在雷达站四周，安装多圈人工地网，地网设计为闭合型，并安装了两条放射线水平地网，材料全部采用铜材，水平接地体为90平方裸铜缆，考虑到土层较薄，垂直接地体采用铜板，焊接工艺采取放热焊接。这样可避免传统地网施工材料（镀锌钢材）易腐蚀的不足之处，确保50年以上的地网使用寿命。

（5）屏蔽处理。对雷达站天面裸露的通讯线路，全部套铜管做屏蔽处理，铜管良好接地。

（6）等电位处理。在机房静电地板下安装了环形均压环，采用40×4mm铜排，采用绝缘子固定，并在机房两个的对角处与地网引入线连接。并将机房内的各种箱体、壳体、机架等金属组件与均压环良好等电位连接。

（7）室外线路的防腐处理。对室外的线路，全部套铜管做屏蔽处理，铜管良好接地。可有效防止海风的腐蚀。

图5　 电源防雷示意图

图6　 谐波箝位示意图

图7　 防雷器内部示意图

图8　 线路防雷示意图防雷器内部示意图

5.结束语

自2001年对本站实施了防雷整改工程，迄今已有15年时间，基站设备没再因为雷击造成损坏，防雷效果始终如一，证明了该基站综合雷电防护方法是切合实际的。该设计思路后来也分别在广州海事局、广州海岸电台、海口航标处等有关单位的多个通信站点得到了推广应用，均取得了良好的防雷保护效果。

当然，上述防雷方法与实践必然有其局限性，加之水平有限，本文总结必然难以做到全面性和系统性，仅供参考，欢迎斧正。

[1]苏邦礼,崔秉球,吴望平.雷电与避雷工程.

[2]建筑物防雷设计规范GB.50057-2010.

[3]雷电电磁脉冲的防护IEC61312-3.

[4]某国外厂家资料.E429B-CH E441CT05CH.