衛星地球站防雷系統淺析

+ 林爾雄(廣東廣播電視衛星地球站)

一、概述

雷電發生在因強對流天氣而形成的雷云之間、云對地之間強烈瞬間放電的自然物理現象。隨著社會的進步和微電子業的迅猛發展，雷電災害也隨之呈現上升趨勢，由此帶來的損失也日益增大，因此被國際電工委員會稱為“電子化時代的一大公害”。廣州是雷雨多發地區，廣播電視衛星發射傳輸系統由于微電子設備集成度高，各種信號源線路和播出設備非常多，同時播出設備普遍存在的絕緣強度低，過電壓和過電流耐受能力差，對雷電引起的外部侵入造成的電磁干擾較為敏感等弱點，特別容易遭受雷電侵害。一旦遭受雷電侵害，不僅會造成嚴重的經濟損失，還會造成重大的政治影響。因此，廣播電視衛星傳輸系統雷電防護十分重要，是保障衛星發射傳輸系統工作的重要一環。下面根據工作實踐簡單談談衛星地球站的防雷系統。

二、雷電破壞途徑

對廣播電視衛星傳輸發射系統造成破壞的雷擊主要有兩類，即直擊雷和感應雷。直擊雷主要破壞的是建筑物及天線等室外設備，而室內的儀器設備則易遭受感應雷的侵害。

直擊雷：雷電若直接擊中建筑物，50%左右的能量將會從引下線等外部避雷設施泄放到大地，其中接近40%的能量將通過建筑物的供電系統分流， 5%左右的能量通過建筑物的通信網絡線纜分流，其余的雷擊能量通過建筑物的其他金屬管道、纜線分流。雷電流經過具有電阻或電感的物體時產生很大的電壓降和感應電壓，破壞絕緣，使雷電流通過，所到之處物體受熱汽化、劇烈膨脹，產生超強大沖擊性機械力，破壞人體組織、建筑物結構、設備部件等。

感應雷（雷電波感應）：感應雷又叫二次雷擊，它對設備的損害沒有直擊雷來得猛然，但它要比直擊雷發生的機率大得多。感應雷可以通過自動站的電力電纜、數據采集線路等侵入，由于電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應雷造成的危害十分突出。感應雷可以分為雷電流產生的電磁感應和靜電感應兩種。衛星傳輸系統的電子設備主要會受到感應雷擊造成的損壞。電磁感應雷是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產生迅速變化的強磁場引起的，這種迅速變化的磁場可以在鄰近的導體上感應出很高的電動勢，從而損壞設備，“電磁感應雷”占雷擊率近90%，危害范圍甚廣。靜電感應雷是由于帶電積云接近地面，在架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷引起的。隨著現代高科技的發展，精密儀器、通訊設備、數據網絡的應用越來越廣泛，因而感應雷造成的雷擊事故也越來越多，除直接造成了巨大的經濟損失外，因重要設備損壞使系統網絡陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。

三、各種雷擊的防護措施

國際電工委員會IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》把雷電保護區從外到內劃分成LPZ OA、LPZ OB、LPZ1、LPZ2、LPZ3等，按照標準要求，不同的雷電防護分區采用不同的防護方法，設置各部分的等電位體，劃分B、C、D三級浪涌保護防雷界限。具體到防雷措施時，雷電防護一般分為外部防雷保護和內部防雷保護，外部防護主要是防護直擊雷，保護的是LPZ OB區，采用的技術包括接閃、引下線、接地和建筑物的屏蔽。內部防護主要是防護感應雷，保護的是LPZ1、LPZ2、LPZ3區，基本的防護技術包括等電位均壓、屏蔽、分流(浪涌保護)。

（1）接閃

接閃器，是用來接受直接雷擊的金屬導體，其作用是將雷電引向自身，為雷云的放電提供通路，并將雷電流泄入大地，從而使受保護的物體免受雷害的裝置。接閃器分為避雷針、避雷帶和避雷網，其接閃原理都是一致的。

（2）接地

接地就是讓已經進入防雷系統的雷電電流順利地流入大地，良好的接地才能有效地泄放雷電能量，降低引下線上的電壓，避免發生地電位反擊。防雷接地是防雷系統中最基礎的環節，也是防雷安裝驗收規范中最基本的安全要求。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能發揮出效應。

（3）等電位均壓

接閃裝置在接閃雷電時會吸引強大的雷電流，因為引下線接地電阻的存在，所以會在引下線產生很高電位，同時也會對防雷系統周圍的尚處于地電位的導體產生旁側閃絡，并使其電位升高，進而對人員和設備構成危害。為了減少這種閃絡危險，最簡單的辦法是采用均壓環，將處于地電位的導體等電位連接起來，共同接地，這樣在雷電流通過時，室內的所有設施形成一個等電位體，確保導電部件之間不產生有害的電位差。完善的等電位連接還可以防止雷電電流入地造成的地電位升高所產生的反擊。

（4）屏蔽

屏蔽是防止雷電電磁脈中輻射對電子設備影響的最有效方法，利用金屬網或者金屬殼等導體把需要保護的對象包圍起來，截斷雷電電磁脈沖波直接入侵的通道。所有的屏蔽套、殼等均需要接地，但要真正對所有設備有效地屏蔽存在很大的困難。

（5）分流

這是現代防雷技術迅猛發展的重點，是保護各種電子設備或電氣系統的關鍵措施。所謂分流就是在一切從室外來的導體與防雷接地裝置或接地線之間并聯一種適當的浪涌抑止保護器(SPD)，當直擊雷或雷擊效應在線路上產生的過電壓波沿這些導線進入室內或設備時，SPD避雷器的電阻突然降到近似短路的低值，雷電流就由此處分流入地了。雷電流在分流之后，仍會有少部分沿導線進入設備，這對于一些不耐高壓的微電子設備來說是很危險的，所以對于這類設備在導線進入機殼前，應進行多級分流。

四、衛星地球站防雷系統的設計

（1）外部防雷

主要防止建筑物、樓頂天線陣和凸出物受直擊雷侵害，由接閃器、引下線和接地裝置組成。

1) 樓頂避雷針的設計

圖1 廣東廣播電視衛星地球站的避雷針設置

我站的接收天線陣位于機房樓頂根據樓頂建筑結構和天線陣的分布(如圖 1)，我們采用在樓頂架設兩根附屬避雷針的方法，構成樓頂聯合防護系統，這樣可達到更好的防護效果又便于施工和降低成本。避雷針位于樓房的頂層，其根部和樓板鋼筋結構相連通，再通過樓房四周的柱體鋼筋結構分流，將雷電流經過引下線導入環形地網下面的接地極泄放電流。避雷針的防護范圍既能覆蓋機房建筑物，也能覆蓋到天線陣的凸出設施，同時，又能避免避雷針作為主動引雷裝置。當安裝獨立的避雷針時 ,衛星發射、接收天線與防雷裝置的距離必須大于3米。

2) 引下線

避雷針和樓頂避雷帶到地網之間的導體稱為引下線，引下線用來泄放強大的雷電電流，根據防雷規范的要求，從接閃器到接地體應沿著建筑物四個角落引下線，多點下地可減少接地電阻，提高接地的可靠性，同時，減少強大雷電流在下地過程中產生的強大電磁感應危害。我們使用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼引接下地，引下線離其他導體和人體走動的地方最少3米的距離，在下地之前應做好屏蔽保護措施，并涂上黑色標志。每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于4Ω。

3) 構建有效的環形接地體

良好的接地體（接地極），是有效防雷的基礎環節。接地體的“地”指的就是大地，當金屬導體接入大地，導體對地泄放電流，接地電流會輻射狀流入大地，在距離接地體15～20米處電流基本減少為零，也就是說在離接地極15～20米處的電位差幾乎為零，接地點到大地土壤的接地電阻及散流路徑上土壤的電阻構成，要實現可靠的接地就應盡量地減少接地電阻。接地體首先應充分利用建筑物的自然接地體，建筑物內部的鋼筋通過焊接和埋地基構成自然接地體，同時也對室內構成雷電防護的法拉第屏蔽網。在接地要求較高的地球站，因為土壤導電率較低，為了降低接地電阻，還應構建可靠的環形接地網，在距離機房大樓3～5米的環形帶上(如圖2)，每隔15～20米的距離挖掘深度約2.5米的坑(如圖3)，把星狀地極埋入深坑，在比較干燥的地方放入適當的木炭或者食用鹽等降阻劑，并在離地面不少于0.7米溝內，用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼把各個地極焊接連成環形地網，然后恢復土層和草皮覆蓋，確保地網與大地有效地融合。

(2)內部防雷

衛星發射機房內部雷害主要是雷擊電磁脈沖(LEMP)和雷電沿各種管線侵入 ,造成干擾衛星發射信號或線路侵入損壞設備以及人員的傷害。根據 IEC國際標準對能量逐級吸收的理論,及防護區間量級分類的原則 ,需要做多級防護。在地球站有著大量精密的設備，抗干擾能力較弱，室內外的通訊和供配電線路多，存在多種感應雷的侵入通道，對設備的運行造成嚴重的威脅。內部防雷的目的是減少和防止雷電流在需防空間內所產生的電磁效應，采用浪涌保護器、屏蔽和等電位連接方法，主要防護設施包括供配電系統和進入室內的各種小信號傳輸路徑。

（1）采用浪涌保護器

浪涌保護器在現代防雷中的應用非常廠泛，它采用高吸收能量的分流限幅避雷器將雷電過電壓脈沖能量分流泄入大地，達到保護的目的。現在大多采用的是氧化鋅壓敏電阻器(MOV)，氧化鋅壓敏電阻的特性是在電壓超過一定上限的時候，電阻呈近似擊穿的低值，從而泄放過電壓的雷電流，而且泄壓過后又可恢復高阻狀態，利用這一特性，人們開發了各種用途的SPD，包括電源防護SPD和小信號防護SPD。不同用途的浪涌保護器有不同的參數，主要的參數有：標稱電壓Un、額定電壓Uc、額定放電電流Isn、最大放電電流Imax、響應時間tA等。在不同的應用地方，可選擇不同工作參數的保護器。

首先是供配電系統分級防雷，IEC61312定義了防雷的保護分區，根據《建筑物防雷規范》(GB50057—94)要求需要在每個分區的交界處，安裝相對應的防雷器，在電源線進入技術樓配電柜前安裝B級(即首級)防雷器.在電源進入UPS機房之前安裝C級(即次級)防雷器，在機房配電柜的設備前端安裝D級(即末級)防雷器。利用分級的防雷器，層層泄放雷電或感應過電壓，逐級減低浪涌殘壓，從而保護用戶端設備，一般電源線路可逐級選用額定放電電流為60KA、40KA、20KA的保護器SPD，同時為了防止持續過壓電流燒毀保護器，電源保護SPD還應和空氣開關串聯使用。另外，按照高壓防雷標準，高壓防雷一般采用陶瓷閥值浪涌防雷器，在架空高壓線路受雷電侵入時，泄放過高的雷電壓。在高壓配電房、綜合配電和發電機房的輸入端都應該安裝浪涌防雷器SPD，減少不同建筑物之間電源線路受到的雷電侵害。天線陣引入電纜，雖然天線陣受到樓頂避雷針的保護，同軸電纜受金屬橋架的屏蔽保護，但如果受到強大的雷電磁波的感應，仍可能在引入電纜上疊加過電壓，對于高阻抗的接收機和高頻頭仍存在潛在的威脅，因此.電纜的入戶地方可選用小信號浪涌避雷器，減少雷電流進入機房造成危害。一般可以選擇適合通路工作頻率，放電電流10KA或者5KA的小信號SPD。

(2)等電位連接，防止地電位的反擊

等電位連接的目的在于減少需要防雷的空間內各金屬物與各系統之間的電位差。當感應過電壓通過某一接地導體侵入室內，因為這一接地導體的接地電阻和分布在引下線的電感的存在，致使這一接地導體的電壓瞬間抬高。如果沒有等電位連接，一方面可能擊穿這一接地導體所連接的設備；另一方面，瞬間的高壓也會引起這一導體對其他導體或者附近的人體放電，造成人身危險和到處打火現象，所以，必須對各接地體進行等電位連接。當某一接地體受到過電壓侵入或者受地電位的反擊時，能同時抬高整個等電位體的電壓，從而消除各導體之間有害的電位差。但是，并不是進行了等電位連接就能消除入侵的雷害。過高的等電位過電壓仍可能造成過電壓對設備中的電源放電，致使設備被擊穿。如何解決等電位電壓過高的問題呢？最有效的方法是等電位體有效的多點接地，盡量降低等電位體的接地電阻。各種設備、各種接地體星型連接到總的等電位體或者局部等電位體，總的等電位體多點重復下地，并形成閉合的接地環，局部等電位體有效地多點連接到建筑物地體，并多點連接到總的閉合等電位體，從而有效的降低接地電阻和減少引下線的電感效應.減少地電位的反擊。地球站的機房在二樓，我們通過環機房建筑物構建環形等電位接地環，機房通過20mm×2mm 銅皮構成局部等電位體，確保等電位體的接地電阻都在1歐以下。

接地的種類除防雷接地外，還有交流工作接地、保護接地、直流接地、過電壓保護接地、防靜電接地、屏蔽接地等，在等電位連接中，均應共同接地，形成等電位連接體。

綜上所述，衛星地球站防雷系統應采取綜合防雷措施，即直擊雷防護措施、等電位連接措施、屏蔽措施，規范地綜合布線、設計安裝SPD、接地系統。避雷針是引雷針，可防直擊雷，但也把雷引過來，增加了電子設備的感應雷擊次數，不安裝防感應雷擊器件，電子設備會更容易被雷擊。天線場到室內設備的電源線、信號線、天饋線兩端都應當增裝防感應雷擊的浪涌保護器。

1. GB50057-94《建筑物防雷設計規范》(2000年版)。

2. GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》。

3. GB50200-94《有線電視系統工程技術規范》。

4. IEC 61024-1：1990《建筑物防雷》 第1部分通則。

5. IEC 61312-1：1995《雷電電磁脈沖的防護》 第1部分通則。

6. IEC/TS 61312-2：1999《雷電電磁脈沖的防護》第2部分建筑物的屏蔽、內部等電位連接和接地。