雷达站电源综合防雷系统设计分析

摘 要：雷达站电源作为主要的动力能源，但也容易遭受到雷电攻击。这就需要全面做好雷达站电源防雷设计工作，采用综合性手段，快速降低雷电流幅值、隔离电磁脉冲能量、消除残留电流电压，这样才能够确保最终的保护效果。基于此，本文首先分析雷电危害以及雷达站电源防护现状，进而探究雷达站电源综合防雷系统设计方案。

关键词：雷达站;综合防雷;系统设计;电源

引言

由于雷达站的特殊性，通常都设置在高山、海岛等区域，这些区域具有强雷、强风特点，这的雷达站电源系统设计提出了更高要求。雷达站电源大体上可以分为是市电供电、油机供电两种形式，无论是哪种形式都有可能导致电源遭受雷击，雷电大电流、强电磁脉冲会通过电源线进入到设备内部，造成设备损坏甚至是人员伤亡，这就要设计一套完善、可靠的电源防雷系统，有效减少雷电对雷达站的负面影响。很多雷达站防雷系统虽然可以实现多级保护、释放大量雷电流，但依然存在一定量残压，威胁着后续电路安全。这就需要在多级防护基础上，设计隔离系统，进一步消除残压，提高安全系数。

1.雷电危害以及雷达站电源配置现状

1.1雷电危害

空气中充满着物理、化学、生物物质，在云的聚集下、风的带动下，这些物质在云层中会相互摩擦产生电荷，并不断累积形成巨大的雷电能量。而雷电是带电云雷对地面放射雷电的一种自然现象，大体上可以分为直击雷、雷电磁脉冲、雷电感应、雷电反击四种情况[1]。直击雷的破坏性最大，但是发生概率最低，雷达站电源主要是受到雷电磁脉冲、雷电感应威胁。雷电反击是指金属物受到雷击产生的接闪瞬击和大地之间的电压，因此被击金属以及线缆会出现闪络情况。雷达站电源和相关设备多数都是弱电设备，对电涌冲击、电磁感应更加敏感一些。

1.2雷达站电源配置以及设备配置情况

绝大部分雷达站都是采用高压电源进站，站内的变压器将10kV的高壓电转化为380V的交流弱点，实现雷达站设备的电能供给。同时还配有油机供电机组，配备了交互界面切换市电和油机供电方案。电能先是进入到60kVa的UPS并机系统中，之后为弱电设备、附属直流电源提供电能。在雷达站设备方面，雷达和高频设备都配备了室外天线，雷达信号、高频信号输出线缆分别连接MODEM、PCM设备。传输设备通过光纤、微波将信号传递给目标地。

2.雷达站电源综合防雷系统设计方案

本文提出一种SPD多级保护与隔离变压器的综合防雷系统，可以有效起到雷达设备的保护作用。具体如下：

2.1SPD多级保护设计

《雷电电磁脉冲的防护标准》中提出了一类防雷建筑电源系统三级SPD防护措施。作为典型的一类防雷建筑体系，雷达站电源防护系统设计可以参考该方案。SPD三级保护主要是采用总配电柜、分配电柜、设备三级防护方法。一级SPD防护可以将大部分雷电流释放，采用开关型SPD设备，使用要求为额定释放雷电流在40kA以上，响应时间在100±10ns、保护电压为500V;二级SPD防护主要是用作低能雷电流吸收以及浪涌过电压限制作用，选择限压型SPD保护设备，使用要求释放电流在40kA以上，响应时间为20ns、保护电压为350V;三级SPD防护主要是负责进一步加强低能雷电流吸收和浪涌过电压抑制，同样是选择限压型SPD装置，使用条件为释放电流在20kA以上，响应时间为20ns，保护电压为320V。

由于不同等级防护的额定响应时间差异，确保一、二、三级按照顺序作出响应，必须要确保两个SPD设备之间留有一定距离。通过分析可知，电缆中电磁波传播速度为1.5*108m/s，已知不同等级保护响应时间，最大的间距方案为一、二级防护间距为15m;二、三级防护间距为3m。这是由于《建筑物防雷设计规范》中提出两个限压型SPD设备间距最大距离为5m，为了保证二、三级防护体系的有效性，可以将二者距离提升到5m。此外，SPD引线上会产生寄生电感，会直接影响过电压，而过电压提升则难以实现保护效应[2]。这就需要尽可能保证SPD引线两端为最短设计，最大长度不超过50cm，这样即可确保引线长度、提高SPD保护作用。

SPD多级防护只是综合防雷系统的一个分支，雷电流通过三级防护后电压幅值会大幅度下降，但依然有较高的残压，影响雷达站电源安全性。所以多级SPD防护更多是降低雷电流幅值，不能将残压全部消除，所以还要增设隔离变压器消除雷电流残压。

2.2隔离变压器防护

隔离变压器在实际应用中可以有效消除线圈之间的分布电容，这样可以降低共模雷达过压耦合作用。还可以将绕组方式进行优化，提高共模抑制比，这样会增加共模雷电压转变为差模雷电压，起到防护作用。在隔离变压器电路设计过程中，考虑到三级SPD防护之后依然有较大的残压，通常在1200V左右，超出了隔离变压器的承受范围内，这就需要配套一个电涌保护器，将二者结合进一步消除残压。电涌保护器的可以降低残压值，之后残压会进入到变压器，借助电涌保护器进一步限制过电压。变压器输出端与雷达设备连接、输入端与电源内连接，在电流通过时，电涌保护器动作，减少与SPD防护之间的电位差，并将大部分残压电流释放到大地。在隔离变压器输出端安装电容吸收装置，主要负责吸收过电容，进一步降低残压能量，确保雷达设备处于安全范围内[3]。

当今，新型隔离变压器中都加入了计数控制体系，雷电每次对隔离变压器进行雷击，感应线圈会计数一次，并且内部的SPD指示灯可以显示SPD多级防护的运行情况，避免SPD防护损坏造成变压器损坏，变压器旁还可以设置电流指示仪、电压指示仪，可以时刻关注雷电造成的电流电压量，保证系统可以安全运行。

2.3综合防护体系

通过上述两点我们可以看到，雷电通过SPD多级防护之后依然会留有大量的残压，会对后续雷达设备产生影响;隔离变压器可以进一步限制残压，隔离脉冲能量，但在较大雷电冲击下，会超出变压器承受范围。因此，必须要将SPD三级防护、隔离变压器综合设计，可以在SPD二级、三级之间增设隔离变压器，这样可以避免变压器受到较大残压供给，还可以有效降低残压。确保SPD三级防护后雷达设备的运行安全性[4]。

电源系统线缆雷达阵地采用金属铠装埋地电缆，也可以采用钢管作为防护套直接埋入地下，埋地超度不得低于15m，进入到雷达塔楼中，电源线缆外皮、钢管、塔楼接地装置采用等电位连接方法。配电变压器两侧均要安装一套氧化锌避雷器。SPD多级保护按照2.1设定释放电流量、响应时间、保护电压、配置距离。在二级SPD、三级SPD之间安装三相隔离变压器，设计方法和单相变压器类似，但在接线上存在差异，需要注意。

结束语

综上所述，本文介绍了一种雷达站电源综合防雷系统，该系统通过仿真和试点应用证明，可以有效防护雷电流、电磁脉冲等，雷电残压在通过三级SPD防护之后，完全在雷达设备的可承受范围内，使用效果很少，保证了雷达设备正常运行、操作人员安全，适合进一步推广。

参考文献

[1]夏亮， 杨江平， 邓斌. 雷达站电源综合防雷系统研究与设计[J]. 电力系统保护与控制， 2019（16）：555-556.

[2]李志江， 王伟， 王华. 沈阳新一代天气雷达站防雷工程设计与实践[J]. 建筑电气， 2019（01）：620-625.

[3]张凡. 雷达站防雷措施研究[J]. 科学与财富， 2012（10）：724-725.

作者简介：姓名：尹垚（1993.10.9-），性别：男、民族：汉、籍贯：山西朔州、就职单位：无、学历：大专。