基于戰(zhàn)場環(huán)境下通信臺站的雷電及電磁武器防護(hù)設(shè)計(jì)

杜思深，黃國策

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安 710077）

基于戰(zhàn)場環(huán)境下通信臺站的雷電及電磁武器防護(hù)設(shè)計(jì)

杜思深，黃國策

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安 710077）

有關(guān)雷電及電磁武器防護(hù)技術(shù)的研究成果不少，但基于戰(zhàn)場環(huán)境下通信臺站的防護(hù)設(shè)計(jì)，目前仍無實(shí)用、系統(tǒng)的資料可以借鑒。首先分析了戰(zhàn)場電、磁環(huán)境的構(gòu)成特征及眾多研究成果，然后利用“場”概念，采取多項(xiàng)技術(shù)措施，三維空間防護(hù)，完成了雷電攔截效率E≥0．98、電屏蔽性能≥80 d B等指標(biāo)的某通信臺站防護(hù)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)要求。

雷電；電磁武器；場；電磁屏蔽

構(gòu)成戰(zhàn)場電場、磁場環(huán)境的要素有兩大方面，一是無源傳播因素，二是有源電磁輻射。有源電磁輻射又可分為自然環(huán)境電磁輻射、民事電磁輻射和軍事電磁輻射3個(gè)方面。其中，雷電和電磁武器（核電磁炸彈、非核電磁炸彈等）對通信臺站的影響最為劇烈。

雷電的防護(hù)分為直擊雷電防護(hù)與感應(yīng)雷電防護(hù)，直擊雷電的防護(hù)起步較早，工程實(shí)踐的手段多樣，感應(yīng)雷電與電磁武器的防護(hù)，近20年來才得到普遍重視［1－4］。這是因?yàn)榈碗妷何㈦娮悠骷娘w速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，使電子設(shè)備抗擊電磁殺傷的能力大大減弱，特別是電磁武器爆炸時(shí)可以發(fā)出百萬瓦的電磁脈沖，頻譜覆蓋了分米波到厘米波波段，在0．03μs內(nèi)即可上升到最大值（比閃電快50倍），磁場就在附近的各類金屬導(dǎo)體上，激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，比雷電電磁脈沖更具有殺傷力。

對于雷電及電磁武器的防護(hù)研究，許多專家做了大量的工作。

莊洪春等“大氣等離子體避雷”［1］、馬宏達(dá)“對‘等離子體’避雷和電荷避雷等理論的商榷”［2］、關(guān)象石“對防雷技術(shù)若干爭議問題之淺見”［3］，為雷電的防護(hù)開創(chuàng)了新思路。

另外，王艷在“墻體對微波脈沖的衰減特性”［5］一文中指出，鋼筋網(wǎng)混凝土墻（厚65 cm）對超寬帶信號的衰減較大（29．07～45．79 dB）。在通常框架、框減、減力墻、框筒、筒中筒、大板等混凝土鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的建筑物中，依據(jù)IEC 61312－2中的指南說明，電磁場一般衰減25～30 dB。

楊春山在“雷電電磁脈沖對電纜的耦合效應(yīng)研究”［6］一文中指出，對距雷擊點(diǎn)幾十米左右的近地電纜上，雷電電磁脈沖可在其外導(dǎo)體上感應(yīng)產(chǎn)生幾萬伏到幾十萬伏的電壓，即使采用屏蔽性能很好的鋼材料屏蔽電纜，在電纜內(nèi)導(dǎo)體終端上也可以感應(yīng)幾伏到幾十伏的感應(yīng)電壓，這對耐壓只有幾伏的微電子設(shè)備將造成嚴(yán)重的損傷。

孫蓓云在“兩種高空核爆電磁脈沖電纜耦合效應(yīng)的比較”［7］一文中指出，對于幾十米、幾百米長的電纜而言，電纜對外界電磁波的頻率響應(yīng)主要在10 MHz以下。

張水平在“直埋通信電纜雷電感應(yīng)過電壓試驗(yàn)研究”［8］一文中指出，為降低直埋通信電纜上雷電感應(yīng)過電壓，可采用增加電纜的埋深或敷設(shè)在土壤電阻率較低的土壤中，在電纜的正上方鋪設(shè)排流鋁片或加裝絕緣隔板，以及在電纜上面套裝鐵管或鋁管等方法。

傅正財(cái)在“有獨(dú)立引下線建筑物遭雷擊時(shí)室內(nèi)的磁場分布”［9］一文中指出，金屬構(gòu)架對外部引下線上的雷電流產(chǎn)生的脈沖磁場有屏蔽作用，但增加建筑物金屬構(gòu)架的支路數(shù)（尤其是內(nèi)部支路數(shù)）并不能增強(qiáng)其屏蔽效果。內(nèi)部構(gòu)架支路僅影響其附近局部區(qū)域的磁場分布，建筑物內(nèi)的總體磁場分布主要取決于金屬構(gòu)架的外部邊緣支路。

總之，有關(guān)雷電及電磁武器防護(hù)技術(shù)研究成果不少，但基于戰(zhàn)場環(huán)境下地面通信臺站的防護(hù)設(shè)計(jì)，目前仍無實(shí)用、系統(tǒng)的資料可以借鑒，這就是本文的要做的工作。

1 雷電及電磁武器防護(hù)設(shè)計(jì)

1．1 防護(hù)要求

根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境下通信臺站的重要性、自身的抗擊能力要求和系統(tǒng)事故后果嚴(yán)重程度，結(jié)合朱萬紅［10］針對選取防護(hù)措施的等級與費(fèi)用合理分配以獲最大生存概率的問題，以及陳才俊［11］、安曉明［12］建筑物防雷擊電磁脈沖防護(hù)等級的劃分，對通信臺站的雷電防護(hù)等級定為A，即在保護(hù)半徑30 m內(nèi)，攔截幅值為（2．8～200）k A的雷電流概率≥0．98。另外，依據(jù)GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 2887—2000《電子計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》，臺站內(nèi)磁場干擾環(huán)境要求小于800 A／m，電場干擾環(huán)境要求小于126 d B（基準(zhǔn)1μV／m）、靜電電位不大于1 k V，精密電子設(shè)備室電屏蔽性能不小于80 d B。

1．2 防護(hù)設(shè)計(jì)

對于通信臺站而言，雷電及電磁武器防護(hù)可以分為直擊雷電、感應(yīng)雷電及電磁武器的防護(hù)。以“路”的概念，引雷入地的直擊雷電防護(hù)技術(shù)成熟，避雷針、線、網(wǎng)是直擊雷的主要防護(hù)措施，但接閃時(shí)，引下線的強(qiáng)大雷電流產(chǎn)生的磁場，也會(huì)感應(yīng)損害附近精密電子設(shè)備，即“引狼入室”［13］，所以，單一防護(hù)措施難以奏效，必須利用“場”的概念，采用多項(xiàng)措施，機(jī)房內(nèi)部與外部三維空間，進(jìn)行綜合防護(hù)設(shè)計(jì)。

1．2．1 直擊雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

直擊雷電防護(hù)措施有避雷針、避雷線和避雷網(wǎng)等，通過為雷云雨提供一個(gè)對地的低阻抗泄放通道，以保護(hù)臺站和設(shè)備免受直擊雷電的摧毀。

為了保證雷電攔截效率E≥0．98，在臺站暴露區(qū)域（如建筑屋頂）、天線上空等處安裝避雷針，使機(jī)房、天線等均處于直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZOB）內(nèi)，其中避雷針宜采用提前放電避雷針或多針接閃器［14］，保護(hù)角范圍按不大于45°計(jì)算，架設(shè)高度盡量限制在離地面30 m內(nèi)［15］，若保護(hù)對象過高或保護(hù)對象過大應(yīng)安裝多只避雷針，如圖1所示。

當(dāng)建筑物外圍安裝避雷網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)格規(guī)格應(yīng)不大于5 m× 5 m或4 m×6 m［16］，避雷線可采用直徑大于8 mm的圓鋼或截面大于48 mm2的扁鋼，如圖2所示。若建筑物外墻構(gòu)件鋼筋網(wǎng)規(guī)格符合上述要求，也可作為自然避雷網(wǎng)考慮（此時(shí)，禁止將此鋼筋作為工作地線），但鋼筋交叉和連接點(diǎn)應(yīng)采用可靠的電氣焊接，這可增加墻體的屏蔽效果，使建筑物內(nèi)真正成為LPZ1防護(hù)區(qū)。

圖1 避雷針的45°保護(hù)角范圍

以上設(shè)計(jì)，可滿足直擊雷的防護(hù)要求，但當(dāng)雷擊時(shí)，如假設(shè)接閃電流為150 k A，則建筑內(nèi)部距避雷網(wǎng)2．5 m處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度理論上可達(dá)1 899 A／m［17］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的800 A／m，使防雷變成“引雷”。

為了防護(hù)直擊雷又避免“引狼入室”，避雷針與被保護(hù)的天線距離應(yīng)大于3 m，避雷網(wǎng)應(yīng)按照2 m×2 m的網(wǎng)格設(shè)計(jì)，避雷針和避雷網(wǎng)的引下線選用多根直徑大于8 mm的圓鋼或截面大于48 mm2的扁鋼，沿建筑中較大的金屬構(gòu)件或主體鋼筋外側(cè)入地，或選用BVV 1×50 mm2的銅芯屏蔽線，其中室內(nèi)電子設(shè)備與避雷網(wǎng)和引下線的安全距離應(yīng)大于1．6 m［8，17］。

圖2 建筑外圍避雷網(wǎng)

1．2．2 感應(yīng)雷電及電磁武器的防護(hù)設(shè)計(jì)

雷電直擊是小概率事件，雷電感應(yīng)是大概率事件，因此感應(yīng)雷電的防護(hù)尤為必要。另外電磁武器和感應(yīng)雷電的破壞機(jī)理本質(zhì)上一致，都會(huì)通過臺站天線、供電電纜、信號電纜、地網(wǎng)以及縫隙、通風(fēng)窗口等耦合進(jìn)入機(jī)房，損壞設(shè)備，所以只有直擊雷電的防護(hù)是不夠的。

目前，感應(yīng)雷電及電磁武器的防護(hù)途徑有工程級、系統(tǒng)級、設(shè)備級和器件單元級等。在臺站建設(shè)中，當(dāng)設(shè)備定型后，工程與系統(tǒng)兼顧的防護(hù)設(shè)計(jì)性價(jià)比最高，其常用的防護(hù)技術(shù)方案有浪涌保護(hù)、等電位連接與共用接地、屏蔽及布線等，為了提高防護(hù)效果，采用多種方案，層層設(shè)防，綜合治理。

①浪涌保護(hù)（surge protective device，SPD）

進(jìn)入臺站的線路通常有電源線、天饋與低壓信號電纜、光纜以及地網(wǎng)等，當(dāng)外界干擾、雷電感應(yīng)或雷電直接時(shí)，在線路中可能會(huì)突然產(chǎn)生巨大的尖峰電流或者電壓，從而損害線路中的其他設(shè)備、儀器儀表等，所以必須依據(jù)不同的線路安裝適配的浪涌保護(hù)器。

浪涌保護(hù)器是一個(gè)非線性元件，有電壓開關(guān)型、電壓限制型和混合型，按使用性質(zhì)可分為配電系統(tǒng)SPD、天饋與信號線路系統(tǒng)SPD、地極保護(hù)等。

對于配電系統(tǒng)，按照3級防雷設(shè)計(jì)：第1級選用電壓開關(guān)型SPD，安裝在總配電柜處；第2級選用電壓限制型SPD，安裝在分配電柜處；第3級選用電壓限制型SPD，安裝在需要保護(hù)的設(shè)備前端，并且電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度宜大于10 m，限壓型SPD之間的線路長度宜大于5 m，若小于規(guī)定長度，應(yīng)在2級SPD之間串聯(lián)加裝退耦裝置，各級配電電源系統(tǒng)SPD的主要參數(shù)見表1所示。

表1 配電電源系統(tǒng)SPD主要技術(shù)參數(shù)（參考值）

天饋與低壓信號電纜（音頻電纜、數(shù)據(jù)網(wǎng)線、控制線纜）等各種臺站進(jìn)出線，都要安裝SPD，依照天饋或信號線路系統(tǒng)的特性阻抗、工作頻率（傳輸速率）、傳輸功率、接口形式、線路損耗等技術(shù)要求，以及最大通流容量、保護(hù)水平等，選擇型號與規(guī)格適配的信號線路SPD安裝。例如：當(dāng)選擇接收天線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)線的SPD時(shí)，考慮的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 各種SPD主要技術(shù)參數(shù)（參考值）

在施工中特別要注意幾點(diǎn)。一是浪涌保護(hù)器的接地屬于防雷保護(hù)接地，不應(yīng)連接到工作地線上；二是電纜中未使用的空線也應(yīng)兩端接地；三是出入機(jī)房的光纜雖然不需要浪涌保護(hù)，但其金屬芯部分應(yīng)抽出接地。

②共用接地與等電位連接

在雷電及電磁武器防護(hù)區(qū)，LPZOA與LPZOB（LPZ1），LPZ1與LPZ2，LPZ2與LPZ3等交界處，金屬部件和系統(tǒng)都應(yīng)采用共用接地做等電位連接，使各防護(hù)區(qū)等電位，即將建筑物及其內(nèi)部的設(shè)備置于一個(gè)法拉第籠中。雖對絕對地來說存在高壓電位，但內(nèi)部不存在電位差，從而阻止和減小感應(yīng)雷電等的影響。

等電位連接分為防雷等電位連接和電氣安全等電位連接等，它們的相同點(diǎn)是將分開的導(dǎo)電裝置各部分用等電位連接導(dǎo)體做等電位連接，以減小電位差。

具體實(shí)施時(shí)，首先將建筑物頂或第一防護(hù)區(qū)等電位連接，即將所有金屬物、避雷帶、第一防護(hù)區(qū)內(nèi)的浪涌保護(hù)器接地端等相連，并特別注意屋頂?shù)慕o排水管、消防水管和金屬物體（如空調(diào)的室外主機(jī)部分）的連接，使避雷帶及大樓樓頂?shù)入娢弧Ｆ浯问歉鳈C(jī)房內(nèi)等電位連接，即在機(jī)房內(nèi)每排機(jī)柜下部敷設(shè)40 mm×3 mm的銅條，匯合后采用BVV 1×50 mm2的塑套線，再與一樓地網(wǎng)匯流排直接連接。

③屏蔽及布線

采用浪涌保護(hù)器（SPD）并實(shí)現(xiàn)等電位連接，可限制過電壓到允許的等級，是雷電及電磁武器防護(hù)中的重要方法，但SPD設(shè)計(jì)和施工會(huì)帶有多方面的不確定性，使被保護(hù)系統(tǒng)仍可能出現(xiàn)故障，所以還應(yīng)增加新的措施，電磁屏蔽就是另一種最重要、最有效的措施，它以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。

首先，為減小感應(yīng)雷電沿線纜從LPZOA進(jìn)入LPZOB，應(yīng)將LPZOA區(qū)線纜敷入地下金屬管道，并在雷電防護(hù)區(qū)交界處，對金屬管道做等電位連接并接地。埋入地下的長度L一般應(yīng)大于15 m或滿足式（1）要求：

其次，對精密設(shè)備機(jī)房按I級屏蔽機(jī)房設(shè)計(jì)，墻面采用3 mm優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)模塊加工后鍍鋅處理，頂面、底板采用雙層厚度為3 mm的鋼板中間夾10 mm金屬棉，并全鋼板焊接式，現(xiàn)場施工安裝。通風(fēng)窗使用高性能蜂窩狀通風(fēng)波導(dǎo)窗換氣，進(jìn)入通道采用0．85 m×2 m三道簧片高性能手扳式屏蔽門。機(jī)房內(nèi)四周墻面采用鋁塑板裝飾，吊頂為噴塑鋁孔板，地面鋪設(shè)全鋼防靜電地板，四壁布置電源插座和信號接入插座，照明采用嵌入式不銹鋼格柵日光燈。

1．2．3 應(yīng)注意的事項(xiàng)

為了提高防護(hù)效能和質(zhì)量，須注意的事項(xiàng)如下。

①防雷接地與信號接地、直流接地、工作接地等接地線不應(yīng)串接和共用，并應(yīng)以各自獨(dú)立的泄流地線接地，各個(gè)地網(wǎng)的地下部分距離應(yīng)大于20 m。

②若臺站各類地線布放距離過近，或臺站共用同一個(gè)接地系統(tǒng)，在雷電流來臨時(shí)，會(huì)有其中的某個(gè)地網(wǎng)的地電位在瞬間被抬升到很高的水平，從而與其他接地地網(wǎng)之間產(chǎn)生很高的電位差，該電位差可能存在于連接于不同地極之間的線路或設(shè)備形成的網(wǎng)絡(luò)，即地電位反擊，它對設(shè)備和人員的安全存在著巨大的危險(xiǎn)。此時(shí)需要在不同的地網(wǎng)之間安裝地極保護(hù)器來避免地電位反擊的問題。依防護(hù)設(shè)計(jì)要求，地極保護(hù)器的技術(shù)參數(shù)選擇如下：最大持續(xù)工作電壓Uc為255 V，標(biāo)稱放電電流In（8／20μs）為120 k A，沖擊放電電流Iimp（10／350μs）為20 k A，響應(yīng)電壓為600 V。

③在需屏蔽的場所盡量減少門的數(shù)量、不設(shè)窗或少設(shè)窗并減小窗口尺寸，并把最敏感和最怕干擾的設(shè)備盡可能安置靠近建筑物中心或屏蔽室內(nèi)。

④所有屏蔽體，包括選用金屬材料作為屏蔽的建筑物墻體或裝飾材料，應(yīng)保持良好的電氣連接和可靠接地。

⑤在信號電纜、電力線和各種管線進(jìn)出的地方，保持屏蔽的連續(xù)性。⑥電纜溝、槽、架都應(yīng)選用封閉式的，而不要用開放式的。

2 結(jié) 語

采取多項(xiàng)技術(shù)措施，利用的“場”概念，在臺站機(jī)房內(nèi)外的三維空間，層層設(shè)防，完成上述防護(hù)設(shè)計(jì)，通過測驗(yàn)試驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)要求，并在防護(hù)措施與費(fèi)用兼顧方面，能獲最大生存概率。

［l］ 莊洪春，黃建國，陳天辰，等．大氣等離子體避雷［J］．地球物理學(xué)報(bào)，2002，45（Z1）：37－48．

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［4］ 周璧華．電磁脈沖及其工程防護(hù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2003．

［5］ 王 艷．墻體對微波脈沖的衰減特性［J］．強(qiáng)激光與粒子束，2005，17（8）：1 277－1 280．

［6］ 楊春山．雷電電磁脈沖對電纜的耦合效應(yīng)研究［J］．空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）：1－5．

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TN972

A

1008－1542（2011）07－0005－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：張士瑩

杜思深（1962－），男，陜西禮泉人，副教授，主要從事電路與系統(tǒng)學(xué)科通信系統(tǒng)電磁防護(hù)等方面的研究。