全动天线结构系统防雷-图文(精)

全动天线结构系统防雷李小平(中国电子科技集团公司第39研究所,西安市84号信箱,710065摘要:本文论述方位360无限转动天线在不采用避雷塔条件下的防雷问题,通过分析雷电的特性,结合全动天线机械结构的特点和使用要求,提出了全动天线防雷方案建议。关键词:防雷雷电全动天线Lightning Protection for the Full Motion AntennaAbstract: Lightning protection for the full motion antennas in azimuth without lightning protection tower is discussed . According to the property of lightning current and full motion antenna,lightning protection methods are suggested.Keywords:Lightning Protection Lightning Current Full Motion Antenna0 引言有关雷云的形成还没有公认的解说,在雷云形成过程中,一般使雷云的上部积聚越来越多的正电荷,下部积聚越来越多的负电荷,地面物体由于感应带上异性电荷,正负电荷间产生电场,当空气间的静电场积聚到足够大(2530kV/cm以至于引起空气击穿即引起雷云内部、雷云间或雷云对地面物体间的强烈放电。雷击就是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层,或者是带电的云层对大地之间迅猛地放电。云层之间的放电主要对飞行器有危害,云层对大地的放电则对建筑物、电子设备、人和畜危害甚大,是我们考虑的主要对象。雷击有两种主要形式,一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象,叫做“直击雷”;二是由于带电云层的静电感应作用,使地面某一范围内物体带上异种电荷,当直击雷发生后,云层带电迅速消失,而地面带异种电荷物体由于散流电阻大,以致出现局部高电压,或者在直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应电压以致发生闪击的现象,叫做“二次雷”或称“感应雷”。1 雷的特性雷云对大地放电初期会首先产生一个下行先导放电,并以阶梯形式向地面发展。每个阶段都会产生很强的瞬变电场,由于电场感应作用,地面上的建筑物或物体会出现电晕现象,进而产生上行先导放电。此上行先导向上传播,直到与下行先导汇合形成放电通道。此时,雷云电荷便经该通道流入大地。地面上的物体尖端可能会产生很多上行先导,与下行先导汇合的第一个上行先导决定了雷击落点。雷击一产生,随即沿放电通道会产生几次大的能量脉冲,在毫秒级内该能量将放电通道加热到几万度以上,由于来不及扩散而产生极高压力,该压力迅速向周围空气扩散对周围空气产生挤压,在约前十米内以冲击波(大于声波速度形式然后以声波形式向四周传播,这就是我们听到的雷声。通道内几次大的能量脉冲的同时,在设备内会感应几次大的能量脉冲,能量的主要部分是由脉冲的上升沿产生的射频直流脉冲能量。典型的雷电脉冲上升时间为1.8s,产生的射频信号约为139KHz,雷电脉冲上升时间一般为0.2512s,产生的射频信号约为1MHz20KHz,而直接雷击点的雷电脉冲上升时间为10ns。一次雷击平均包含34个雷电脉冲,典型的脉冲间隔时间约50ms,首个雷电脉冲的平均峰值电流约18kA(98%在3kA140KkA,第二个及以后约为首个的一半。GB50057-94中规定的各类防雷建筑物的雷电流参量如图1、图2和表1、表1所示。 图1 闪击中可能出现的三种雷击 图2 雷击参数定义表1 雷电流参量首次雷击的雷电流参量首次以后雷击的雷电流参量雷电流参数一类建筑物二类建筑物三类建筑物一类建筑物二类建筑物三类建筑物I幅值(kA 200 150 100 50 37.5 25 T1波头时间(s 10 10 10 0.25 0.25 0.25 T2半值时间(s 350 350 350 100 100 100 Q S电荷量(C 100 75 50W/R单位能量(MJ/ 10 5.6 2.5表2 长时间雷击雷电流参量长时间雷击雷电流参量一类防雷建筑物二类防雷建筑物三类防雷建筑物Q1电荷量(C 200 150 100T时间(s 0.5 0.5 0.5物体被雷击可能性的大小主要取决于物体所处位置的地理条件、年雷暴日平均天数和物体的高度,资料2给出了建筑物预计雷击次数的计算方法,图3是资料3给出的根据天线所处高度和当地年平均雷爆日预计天线年雷击次数的曲线。 图3 天线年预计雷击次数2 天线结构系统防雷GB50057-94将建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果,按防雷要求分为三类。通信站或测控站对国民经济有重要意义且装有大量电子设备,建议参考第二类防雷建筑物考虑防雷。天线结构系统作为一个通信站或测控站的核心设备,且在室外并居最高位置,所以天线结构系统是防雷的关键部位。对于全动天线结构系统,无避雷塔防雷的核心问题是如何防止直击雷损坏机械结构件尤其是全动天线座的方位回转轴承,同时合理布局引下线,尽量减小雷电脉冲通过引下线时对电子设备的干扰。所以天线结构系统防雷的基本途径就是要为闪电这个电流源提供一条雷电流(包括雷电电磁脉冲辐射对地泄放的合理阻抗的途径,而不能让其随机选择放电通道,简而言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。防雷装置由接闪器、引下线和接地装置构成,接闪器通常又称为避雷针,引下线就是避雷接地线,接地装置埋设在地下土壤内,一般要求接地电阻不大于4。2.1 天线结构系统作为引下线方式通常情况下,由于安装在天线顶端和天线副面上的接闪器的高度和数量有限,全动天线俯仰转动范围又大,接闪器很难形成对天线结构系统的有效保护,这时天线反射体和天线副面就可能充当避雷针起到引雷的作用。又由于天线结构系统和天线塔基预埋螺栓连接,天线塔基预埋螺栓又和塔基地下钢筋网焊接在一起,所以天线、天线座和天线塔基分别作为接闪器、引下线和接地装置构成了一套完善的防雷装置。这时天线结构系统和安装在天线顶端和天线副面上的接闪器都有可能成为引雷体,防雷装置和天线结构系统都可能是雷电流的放电通道。在天线、天线座和天线塔基这一放电通道,雷电可能造成损坏的结构件是俯仰和方位回转轴承。对于俯仰轴承,其只作约180度转动,采用短接线的方式可以解决问题,大量限动站的俯仰转动采用了该方法,实践证明是可行的。对于方位回转轴承这一薄弱环节必须采取保护措施。为了不使雷电流对方位回转轴承产生烧损或焊死现象,必须对方位回转轴承提供一条并行雷电放电通路,要求该通路相对于方位回转轴承电阻较小,同时有足够的冲击电流通过能力。采用常规的电刷滑环形式是难以达到这种分流保护作用的,因为电刷滑环有效接触面积难以提高,靠实际接触面不易达到冲击电流通过能力,雷电流作为电流源,同时流过方位回转轴承和电刷滑环,有可能首先将方位回转轴承滚动体附近空气电离击穿,空气电离击穿后电阻就很低,大量的雷电流就会集中到该击穿通道而将方位回转轴承损坏。一种较可行的方案是采用水银滑环的方法,水银滑环免维护,接触电阻可以小于1毫欧,体积31.6X27.9的水银滑环可以连续导通250A的电流。定制中心带孔的较大体积的水银滑环可以达到雷电放电通路的要求,在不产生空气电离击穿的条件下将雷电流泄放。水银滑环安装在方位中心,中心孔用于穿波导和电缆,水银滑环的定子与天线座固定部分连接,转子与天线座方位转动部分连接。在工程应用中,上述方案需要进行水银滑环雷电导流试验,以确认对轴承保护功能的有效性。2.2 独立引下线方式当安装在天线结构系统上的接闪器在天线转动范围内能够形成对天线结构系统的有效保护时,可以设置与天线结构系统独立的引下线。这时引下线应满足如下要求: 与天线结构系统绝缘,且有一定的绝缘强度;小的接地电阻,不影响正常雷电上行先导的产生;耐雷电冲击电流。引下线的关键是如何通过方位回转轴承,可以有两种方式供考虑,第一种方式是采用上面提到的中心带孔的水银滑环,水银滑环只要在天线结构系统作为引下线方式的情况下可行,作为独立引下线方式就应该没问题。第二种方式是电刷滑环式,前面提到该方式与方位回转轴承并列接入雷电放电通导并不一定能有效避免雷电流通过方位回转轴承时打火将轴承焊死,但是当电刷滑环作为独立引下线时,尽管滑环刷块与滑环导电环有效接触面积并不大,但滑环刷块面积可以足够大,刷块表面与导电环间间隙很小,在雷电接闪的瞬间该间隙电离击穿形成放电通道,将雷电流传送到大地。早期的线路避雷器就采用了这种开放的空气间隙的方式,其缺点是击穿电压受环境影响,空气放电会氧化间隙表面。上述方案在工程应用时可以通过电刷滑环式引下线雷电接闪与导流试验来确认防雷功能的有效性。2.3 防雷装置设计直击雷防雷装置由接闪器、引下线和接地装置构成。接闪器的数量、高度和安装位置应根据滚球法确定。滚球法是以滚球半径h r为半径的一个球体,沿着要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物,或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物,而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护。如图4和图5所示。 图4 单支避雷针的保护范围 图5 双支不等高避雷针的保护范围第二类防雷建筑物要求滚球半径h r为45米,应在天线俯仰工作范围的各个角度上,采用滚球法确定天线结构系统在任何仰角时都在接闪器的保护范围内。接闪器可以采用圆钢或钢管制成,高度12米的接闪器,圆钢直径不应小于16mm,钢管外径不应小于 25mm，应热镀锌或涂漆。 引下线应沿最短路径敷设，尽量远离信号线，尽量避免与信号线平行布置。 3 机房内电子设备防雷 不管是采用避雷塔还是天线结构系统自设避雷装置，都是为雷电提供了一条放电通道， 由于雷电流幅值大，持续时间短，其产生的磁场是一瞬变的电磁场，这一瞬变磁场的辐射对 在一定范围内的电子设备造成干扰。又因瞬变磁场产生电磁感应，电子设备引线的感应电压 和雷电流的大小及变化速率成正比，与雷电流通道的距离成反比，雷电流极大的幅值和陡度， 其感应电压可达相当高的幅值，其也可沿信号线、电源线侵入，干扰甚至损坏电子设备，是 对电子设备安全的最大威胁。所以不管是采用避雷塔还是天线结构系统自设避雷装置，电子 设备都须采取避雷措施，差别仅仅是采用避雷塔时雷电流通道会离电子设备及引线远一点， 瞬变磁场的辐射干扰小一些，感应电压的幅值会低一些。 机房内电子设备防“感应雷”的防线主要有两道，一是内部保护，防止雷电波沿电源线 或数据线、信号线侵入而危害设备；二是过电压保护，限制被保护设备上的雷电过电压幅值。 可以采取如下措施； 进入机房的电力线路和机房内的配电系统应进行过电压保护； 架空电缆桥架或管路应封闭，并在两端接地； 进入机房的信号线对地加装避雷器，避雷器的作用就是在最短的时间（纳秒级）内将被 保护线路接入等电位系统中，使设备各端口等电位，同时将电路上因雷击产生的大量脉冲能 量短路泄放到大地； 机房内金属电缆管道、设备机壳、电源线和信号线的屏蔽体进行等电位连接，并接