甚高頻通信系統(tǒng)防雷保護(hù)的思考

　　摘要：目前，民航空中交通管制部門都使用甚高頻通信系統(tǒng)，為管制員與機(jī)組建立地空通信的橋梁，指揮航班起飛，降落和空中調(diào)度。然而近幾年隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，也越來越多受到人為因素和自然因素的影響，尤其是自然環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重，像雷雨，閃電惡劣天氣也越來越頻繁，做好通信系統(tǒng)的防雷保護(hù)也越發(fā)受到關(guān)注。
　　關(guān)鍵詞；雷電電磁脈沖　浪涌保護(hù)器(sPD)等電位連接　放電電流　過壓保護(hù)
　　中圖分類號(hào)：TM862　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1672-3791(2012)01(b)-0020-02
　　隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，空中航班密度不斷增大。地空通信方面管制員與機(jī)組人員之間的實(shí)時(shí)通話要求也不斷提高，話音通信的安全性、可靠性，直接影響到指令的下達(dá)和航班安全。而地空通信信號(hào)是由甚高頻(VHF)通信系統(tǒng)提供，因此甚高頻通信系統(tǒng)工作是否正常尤其重要。由于該系統(tǒng)涉及VHF收發(fā)信機(jī)和相關(guān)設(shè)備分布不集中，而機(jī)房與管制席位傳輸距離較遠(yuǎn)，很容易受外界因素而導(dǎo)致設(shè)備故障、信號(hào)中斷等問題。根據(jù)近幾年發(fā)生的情況，雷電危害最大。通信設(shè)備通常受雷擊的部位主要集中在電源、天饋部分、接收模塊、傳輸電纜、總配線架。因此民航空管局有關(guān)部門對(duì)甚高頻通信系統(tǒng)的機(jī)房、設(shè)備、電纜提出的防震、防雷、防靜電、防噪聲、防火、防潮防電磁干擾等規(guī)范化管理十分必要。
　　溫州地處沿海，地形復(fù)雜，島嶼、海洋、平原、盆地、丘陵和山區(qū)樣樣都有，形成了多種氣候條件。但由于季風(fēng)活動(dòng)變化，使光、熱、水在時(shí)間、空間上分配不均，風(fēng)云雨雪嬗變明顯，臺(tái)風(fēng)、洪澇、大風(fēng)、雷電，冰雹，低溫陰雨等災(zāi)害天氣時(shí)有發(fā)生，其中雷電的發(fā)生最頻繁。曾經(jīng)嚴(yán)重影響溫州甚高頻通信系統(tǒng)設(shè)備的安全使用，給通信人員的工作帶來極大壓力。雖然我們不能防止雷電的發(fā)生，但是我們可以盡可能的減少雷電對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的破壞程度。
　　我們通常根據(jù)對(duì)雷電流及雷電電磁脈沖的感受強(qiáng)度，把環(huán)境依次分成LPZOA區(qū)、LPZOB區(qū)和LPZI區(qū)、LPZ2……n區(qū)等。由于每個(gè)區(qū)里感受雷電的情況各不相同，因此采取的防護(hù)措施也各不相同。一般都是通過接地與屏蔽，分別對(duì)雷電流、雷電電磁脈沖進(jìn)行泄放與衰減，通過接閃、SPD保護(hù)與等電位連接等手段，使保護(hù)對(duì)象避免雷擊致?lián)p。
　　1　甚高頻通信系統(tǒng)的防雷措施
　　甚高頻通信雷電防護(hù)將是個(gè)系統(tǒng)工程。按照甚高頻通信防雷系統(tǒng)要求，收發(fā)天線應(yīng)放在LPZOB區(qū)，機(jī)房及設(shè)備宜置于LPZl區(qū)或更高防護(hù)區(qū)內(nèi)。它涉及直擊雷防護(hù)、等電位連接、屏蔽措施、規(guī)范的綜合布線、雷電電磁脈沖的SPD防護(hù)以及完善的接地和合理使用接地系統(tǒng)等六個(gè)方面。如圖1所示。
　　
　　VHF通信系統(tǒng)的綜合防雷工程的外部防雷(防直擊雷)主要有以下幾個(gè)方面。
　　1.1　接閃
　　接閃裝置一般都敷設(shè)在被保護(hù)物上方，容易捕獲到閃電電流，以最短的路徑泄放到大地。對(duì)于甚高頻通信系統(tǒng)來說，被保護(hù)對(duì)象是VHF發(fā)信天線和收信天線。也是整個(gè)甚高頻通信系統(tǒng)防雷保護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象，如果接閃的效果達(dá)不到要求，應(yīng)該增設(shè)合理數(shù)量的避雷針和一定數(shù)量的引下線。
　　1.2　屏蔽措施
　　在VHF設(shè)備所在機(jī)房的防雷區(qū)應(yīng)設(shè)立格柵形空間屏蔽，對(duì)于無法設(shè)立這種屏蔽或屏蔽效果不能滿足要求的，應(yīng)在所在房間的六面盡可能利用建筑物的樓板和墻體內(nèi)的鋼筋增設(shè)屏蔽網(wǎng)。通過屏蔽措施避免雷電產(chǎn)生局部高電位和輻射的電磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備的過壓致?lián)p。
　　1.3　接地裝置
　　接地是防雷避雷技術(shù)最基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)，不管是直擊雷、感應(yīng)雷或其它形式的雷，最終都是把雷電流送入大地。因此，沒有合理而良好的接地裝置是不可能可靠地防雷的。VHF通信系統(tǒng)都設(shè)置在現(xiàn)有建筑物中，而這些建筑物都有接地裝置。低阻的接地裝置，是設(shè)備正常、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。特別是在防雷接地，要在瞬間將幾十KA的雷電流泄流到大地，接地電阻越小散流越快，雷擊后高電位保持的時(shí)間就短，危險(xiǎn)性就小。總之接地電阻越小，效果越好，被保護(hù)的對(duì)象就越安全。所以平時(shí)要經(jīng)常測(cè)量現(xiàn)有地網(wǎng)的接地電阻，是否滿足VHF通信系統(tǒng)對(duì)接地電阻值的最低要求(通常是小于4Ω)。若已滿足，則只要進(jìn)行引下線與地網(wǎng)的連接，以及室外的其它等電位連接；若沒有滿足要求，接地電阻值太高，則要進(jìn)行地網(wǎng)改造。現(xiàn)在介紹一種數(shù)字化儀表(DER2571B)接地電阻的測(cè)量方法(如圖2)。
　　
　　(1)在地網(wǎng)外選取一塊大開闊地，將被測(cè)地極與被保護(hù)設(shè)備斷開。
　　(2)沿被測(cè)接地極E(C2、P2)和電位探針P及電流探針c，依直線彼此相距20米，使電位探針P處于E、C中間位置，按要求將探針插入大地。
　　(3)用專用導(dǎo)線將地阻儀端子(c2、P2)、P1、C1與探針?biāo)谖恢脤?duì)應(yīng)聯(lián)接。
　　(4)將儀表選擇開關(guān)置于適當(dāng)?shù)臏y(cè)試量程。
　　(5)輕觸TEST ON-OFF鍵，電流指示燈點(diǎn)亮，表示啟動(dòng)了測(cè)試電流，LCD顯示的數(shù)值即為被測(cè)得的地電阻。
　　VHF通信系統(tǒng)的內(nèi)部防雷(防感應(yīng)雷)。
　　VHF內(nèi)部防雷是要解決“路”和“場(chǎng)”兩種主要途徑侵入的雷電流與雷電電磁脈沖(LEMP)對(duì)通信設(shè)備的干擾。在外部防雷的基礎(chǔ)上，通過屏蔽可以減少電磁場(chǎng)和感應(yīng)的內(nèi)部浪涌；通過接地將雷擊電流泄放入地；通過等電位連接使LPZ區(qū)(即VHF機(jī)房)以內(nèi)所有設(shè)備不足以產(chǎn)生致?lián)p的電位差并減少電磁場(chǎng)；通過浪涌保護(hù)器(sPD)限制瞬態(tài)過壓以及分流浪涌電流。在整個(gè)內(nèi)部防雷系統(tǒng)中，SPD的工藝技術(shù)最為復(fù)雜，防雷難度也最大。下面重點(diǎn)介紹SPD的選擇與應(yīng)用。
　　一切從室外來的導(dǎo)線(包括電力電源線、電話線或信號(hào)線，天線的饋線等)與接地裝置或接地線之間都要并聯(lián)SPD防雷器，SPD不下于幾百種，大致有電源SPD、信號(hào)SPD、天饋SPD等，使用時(shí)，一定要選擇適當(dāng)參數(shù)、性能、接口形式的SPD。VHF通信系統(tǒng)采用的SPD保護(hù)應(yīng)有下列三種。
　　(1)對(duì)收、發(fā)信機(jī)天饋線的SPD保護(hù)SPD應(yīng)連接于天饋線與被保護(hù)設(shè)備之間，也可以直接連接在設(shè)備接口上，SPD的接地端應(yīng)采用截面積不小于6mm的銅芯導(dǎo)線就近連接到等電位接地端子板上。同時(shí)注意SPD接口形式與天饋線的同軸連接器接口形式要保持一致，工作頻率、標(biāo)稱導(dǎo)通電壓、插入損耗等參數(shù)必須符合民航技術(shù)部門有關(guān)要求。目前，民航系統(tǒng)常用的天饋防雷器有瑞士的shuner避雷器和安德魯APG避雷器等。
　　(2)對(duì)信號(hào)線的SPD保護(hù)。VHF通信系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)各類信號(hào)線、控制線、數(shù)據(jù)線、M信號(hào)線和E信號(hào)線，都連接到樓層配線架(FD)上。信號(hào)SPD則應(yīng)連接在被保護(hù)設(shè)備的信號(hào)端口上，SPD輸出端與被保護(hù)設(shè)備的端口相連，SPD接地端應(yīng)采用截面積不小于4mm‘的銅芯導(dǎo)線就近連接到等電位接地端子板上。
　　(3)對(duì)供電電源線路的SPD保護(hù)。在電源進(jìn)線總配電柜處、樓層電源分配電柜處以及VHF通信機(jī)房電源配電柜等都要求安裝電源SPD。分別安裝在被保護(hù)設(shè)備電源線路的前端，并盡可能靠近配電箱，配電箱的保護(hù)接地端要與所處防雷區(qū)的等電位接地端連接。
　　2　防雷器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)
　　防雷器的主要技術(shù)參數(shù)選擇取決于各個(gè)被保護(hù)物所在防雷區(qū)的級(jí)別，其工作電壓以電路中所有部件的額定電壓為準(zhǔn)。由于防雷器種類繁多，防雷功能也不盡相同，因此，對(duì)防雷器的技術(shù)參數(shù)的要求和表現(xiàn)形式也各不相同。
　　如電源SPD的主要參數(shù)包括：(1)標(biāo)稱導(dǎo)通電壓；(2)標(biāo)稱放電電流In(標(biāo)稱通流容量)；(3)最大放電電流Imax(最大通流容量)；(4)沖擊電流limp；(5)最高殘壓Up；(6)泄露電流Is；(7)響應(yīng)時(shí)間t。
　　而天饋SPD主要參數(shù)包括：(1)頻率范圍；(2)標(biāo)稱導(dǎo)通電壓；(3)最大放電電流；(4)插入損耗；(5)電壓駐波比；(6)最大傳輸功率；(7)響應(yīng)時(shí)間；(8)特性阻抗。
　　另外，防雷器對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時(shí)間，與波形性質(zhì)有關(guān)。對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力，與雷電流幅值及波形性質(zhì)有關(guān)。
　　3　防雷器安裝時(shí)要注意的一些事項(xiàng)
　　在實(shí)際防雷措施中，安裝SPD避雷器時(shí)要注意：(1)避雷器的保護(hù)電壓Up和設(shè)備的可耐受的沖擊電壓Uw要符合1.2Up≤Uw的關(guān)系。(2)sPD應(yīng)能在安裝點(diǎn)上要承受期望的放電電流In和沖擊電流limp。(3)防雷器位置選擇時(shí)，要盡量靠近進(jìn)線點(diǎn)或受保護(hù)裝置，一般來說，防雷器與設(shè)備線路距離超過10m以后將使防護(hù)效果劣化，這是因?yàn)榉览灼骱托枰Ｗo(hù)的設(shè)備之間的電纜上有反射造成的振蕩電壓，其幅值與線路長(zhǎng)度、負(fù)載阻抗成正比。防雷器與設(shè)備線路距越短，SPD能保護(hù)的裝置數(shù)目越多，保護(hù)得也更好。除非Up≤Uw／2，可以不管它們之間的距離。(4)線纜防護(hù)，至少應(yīng)分成兩級(jí)以上，同一級(jí)防雷器還可能包含多級(jí)保護(hù)(如串并式防雷器)。為了達(dá)到有效的保護(hù)，可在各防雷區(qū)交界處設(shè)置相應(yīng)的防雷器，防雷器可針對(duì)單個(gè)電子設(shè)備，或一個(gè)裝有多種電子設(shè)備的空間，所有穿過通常具有空間屏蔽的防雷區(qū)的導(dǎo)線，在穿過防雷區(qū)界面同時(shí)要接有防雷器。(5)防雷器接地線與被保護(hù)設(shè)備的保護(hù)地要連接在一起，這樣可以避免被保護(hù)線與設(shè)備保護(hù)地之間存在瞬態(tài)的危險(xiǎn)電壓。
　　4　甚高頻通信防雷系統(tǒng)的日常維護(hù)
　　(1)每周檢查外部防雷裝置：接閃器、引下線、接地裝置(端口)等有無異常。內(nèi)部各種防雷裝置連接處有無松動(dòng)、模塊芯片有無發(fā)熱不正常，電涌保護(hù)器SPD信號(hào)燈指示是否正常，SPD模塊窗口色標(biāo)是否保持綠色。在雷雨季節(jié)期，保持每天巡檢防雷裝置，而且在每次雷擊前后都要對(duì)防雷裝置進(jìn)行檢測(cè)，并做好記錄。
　　(2)每半年測(cè)量接地裝置的接地電阻值是否有變化，測(cè)量值記入維護(hù)本內(nèi)。
　　(3)每年對(duì)外部防雷裝置完好情況的檢查：避雷針、避雷帶(網(wǎng))、引下線和接地端口、接地裝置等，查看機(jī)械損傷、銹蝕、腐蝕、連接松動(dòng)、焊口脫焊等。發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)處理并作好記錄。同時(shí)對(duì)SPD性能進(jìn)行一次測(cè)試，測(cè)試啟動(dòng)電壓V／1mA和漏電電流uA等值，若漏電電流值比第一次測(cè)試增大一倍，要提高警惕，注意更換新器件。
　　總之，甚高頻通信系統(tǒng)防雷保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，我們要盡量按照防雷的原則來合理布局，并做好相應(yīng)的維護(hù)措施，只有這樣，我們才能防患于未然，才能保證民航通信設(shè)備的正常高效運(yùn)