衛星接收天線防雷工程探討

+ 王繼來 國家新聞出版廣電總局五七二臺節傳機房

衛星接收天線防雷工程探討

+ 王繼來 國家新聞出版廣電總局五七二臺節傳機房

本文對衛星接收天線防雷擊的必要性、雷擊原理等進行了闡述，并通過工作中的實際經驗教訓總結了衛星接收天線防雷擊措施和避雷針設計與安裝制作方法，供大家學習交流。

衛星接收天線 雷擊 防雷措施 避雷針制作

一、引言

隨著科技的發展，衛星通信因具有覆蓋區域廣泛，傳輸容量大，可靠性強和經濟效益好的特點而被各領域廣泛應用。因衛星接收天線一般多架設在當地開闊空曠，無遮擋物的較高位置，很容易遭到雷擊，遭到雷擊時，不僅設備遭到破壞，人身安全也受到威脅，對廣播、電視、電信等衛星通信應用較多行業的安全生產、工作會造成較大的影響害和損失。這就對衛星接收天線的防雷措施提出了很高要求。下面根據工作實踐，介紹雷擊方面的知識、防雷設計、使用安裝經驗。

二、遭雷擊經驗教訓

國家新聞出版廣電總局五七二臺衛星接收天線場區位于廣播發射機房二層樓后面，周圍地勢比較空曠，在機房樓頂安裝有一根整體高度約22米的獨立避雷針，由于防雷意識和相關知識的欠缺，多年來一直把此獨立避雷針當作本單位三面衛星接收天線避雷措施，沒有對衛星接收天線單獨做科學合理的防雷防護設計，在2011年7月的一個雷雨天，Ku波段天線高頻頭遭雷擊，造成ku波段信號中斷，影響了安全傳輸發射工作。慘痛教訓之后，對此獨立避雷針防雷保護區進行了實際測量，測量數據：如（圖一）

避雷針整體高度H約22米,避雷針與衛星接收天線最近水平距離約30米，按照獨立避雷針有效保護區半徑為避雷針下面45°傘形區初步推算，可以確定三組天線無任何直擊雷保護措施，且衛星天線金屬底座、天線區圍欄均無接地，所以遭受雷擊損害概率相當大。現場勘查照片如（圖二）

圖一

1、雷擊的產生

雷擊是大氣中一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層或是帶電云層對大地間的迅猛的放電，這種迅猛的放電過程產生強烈的閃光并伴隨著巨大的聲音。云層之所以會帶電，其原因主要是空氣的運動使空氣中的水蒸汽隨之上升、下降產生云，在運動過程中，云中的水分子被大氣電場所電離而變成帶有電極性的離子。在電場力的作用下，同種極性電荷的離子聚集在一起（通常帶負電荷的離子在下方，正電荷離子在上方）。當云層中的離子累積到一定數量時，其與大地間的電場強度上升到足以擊穿空氣的強度，這樣就產生了雷擊放電的現象。根據分子運動中的電子逃離學說，在物體的尖端部分電子受到同性電荷向外排斥的力量最強，容易被排斥離開物體而形成電子流與云層中隨云粒或水成物向地面靠攏的帶電微粒形成先導放電通道，并最終形成放電主通道，即雷擊。

2、雷擊的幾種主要表現形式

2.1直擊雷：

雷云對大地或大地上某一物體間的直接放電，雷電流通過物體向大地中泄放時電流產生的機械力造成被擊中物體的嚴重破壞。

圖二

2.2雷電電磁脈沖：

在直擊雷發生或雷云間放電時，由于靜電感應作用在地面某一范圍內形成的靜電荷失去電場力束縛，或雷擊放電通道周圍一定范圍內因瞬變的大電流產生的電磁脈沖感應都會在地面物體上產生非常高的電位，進而形成電流向其他物體放電或沿金屬物體向遠處傳播。

3、雷電活動及雷擊的選擇性：

3.1雷電活動從季節來講以夏季最為活躍，冬季最少。評價某一地區雷電活動的強弱，通常用“雷暴日”來表示，即以一年當中該地區有多少天發生過人耳能聽到的雷鳴來記錄雷電活動的情況，雷暴日的天數越多，表示該地區的雷電活動越頻繁。我國年平均雷暴日的分布情況大致可分為四個區域：一是西北地區，年平均雷暴日在15天以下；二是華北及東北地區，年平均雷暴日在15～40天；再有是長江以南地區，通常在40天以上；最多的是在北回歸線以南地區，一般都在80天以上，個別地區達到100天以上。

3.2雷擊有很強的不確定性，我們無法預先判斷每一次雷擊的放電通道的位置。同時，它還具有一定的選擇性，一些具有一定特征的建筑或地面物體相比較而言容易遭受雷擊，經過觀察及實驗，總結出雷擊的頻繁程度與下列一些特點有很大的關系：

土壤電阻率的大小。雷擊通常發生在土壤電阻率較小的地方，而鄰近的高土壤電阻率的地方相對較少。

水（包括地上及地下）含量的多少。如湖泊、低洼地區及地下水位高的地方。

地形、地貌的不同。山區、金屬礦區、河岸、地下水出口處等與周圍其他地帶地形、地貌不同處。

地面上的設施情況。地面上較高的或孤立的建筑物、設施，以及金屬結構或內部較潮濕的廠房、建筑或冒煙的煙囪等均是雷擊的主要目標。

四、防御雷電災害的主要措施

1．接閃及分流

接閃裝置是針對建筑或建筑物附屬的設施防護直接雷擊的最有效措施。它是利用安裝在建筑物之上或獨立安裝于建筑物旁的與大地有良好電氣連接的金屬物將雷電流引向自身并通過與大地的連接導體將雷電能量泄放入大地，從而使其保護范圍內的建筑或設施免受雷擊。接閃裝置的主要形式有避雷針、架空避雷線（網）、安裝于建筑物上的避雷帶（網）等幾種。根據國際及國內的防雷標準，不同的建筑或其附屬的設施所配置的接閃裝置形式、安裝位置及高度應按被保護物的特點進行選擇，相同設施處于不同類別的防雷建筑時的接閃裝置參數的計算是不同的（詳細內容參閱GB50057、IEC61024等相關標準）。例如，以“滾球法”對避雷針的高度計算中的“滾球半徑”就與雷電流的大小成對應關系，確定了滾球半徑也就確定了避雷針可防護的雷電流的最小值，當發生的雷電流小于其對應數值時就有可能失去防護能力而造成雷電對被保護物的直接放電。但是這個概率很低，而且雷電流的能量對被保護物的破壞程度比較小。

分流是將接閃裝置接收的雷電能量泄放入大地的通道，要求其能以最短的途徑、最快的速度將雷電流導向接地體。由于雷電流是一個具有很強瞬間功率的電流源，在其通過的不足1秒的時間內如果導體的截面積不夠大就有可能使泄放通道產生局部過熱、變形甚至斷裂，造成防雷裝置的失效。為此，應將接閃裝置與大地的連接采用盡可能多的通道分配能量，使每一個通道通過的雷電能量盡量地小，這樣就能在通過雷電流的同時保證防雷裝置的安全。分流多是采用單獨敷設的引下線或鋼筋混凝土框架結構建筑中的主鋼筋等上下貫通的金屬物，兩端分別與接閃裝置及接地裝置以焊接的方式連接。

2．屏蔽

屏蔽從形式上分為建筑物屏蔽、建筑物內或建筑物間線路的屏蔽。不同的屏蔽措施應按建筑所處位置、特點、發生大電流雷擊的可能性來確定，原則上應綜合應用多種屏蔽措施達到抑制電磁脈沖的目的。

3．接地

接地作為直擊雷保護的能量泄放通道最后環節、屏蔽措施的感應電荷釋放通道以及電子電氣設備的安全保護、對人員的安全保護都是至關重要的安全系統組成部分。可以說，接地是各種與電氣相關的安全措施的基礎，接地質量的優劣直接影響到安全保護措施的效果。對于雷擊的保護，接地裝置承擔著雷電流的泄放任務。雷電流具有脈沖的特性，它在接地裝置及大地中的情況是不能按常規的直流或工頻特點分析的，為此，在防雷的標準中引入了“沖擊接地電阻值”，它與工頻接地電阻不同，在不同的雷電流波形及不同的土壤環境中有很大差別。簡單說，因土壤在沖擊電流的情況下會發生局部擊穿的情況，因此沖擊接地電阻值在數值上常常是小于工頻接地電阻值的，這對我們測量、判斷一個接地裝置的沖擊接地電阻值是否符合要求提供了理論基礎（在現有測量設備的條件下直接測量沖擊接地電阻較困難，只能測量工頻接地電阻值）。工頻接地電阻與沖擊接地電阻的換算可依據GB50057中的相關內容。防雷保護的接地裝置還要求其能迅速將雷電能量泄放入地，同時還要考慮到雷電流泄放時的土壤電位（跨步電壓），要求接地裝置具有足夠的電流流散面。從某種意義上說，防雷接地裝置的結構比接地電阻值更加重要。為了達到均衡電位、快速泄放電流的目的，同時考慮到多分流引下線的接地問題，將接地裝置圍繞被保護建筑設為閉合的環形是比較科學、有效的。

4．均壓等電位

雷擊造成人員傷害及設備損壞的原因除直接擊中外，最主要的原因就是雷電在不同的位置產生的電位差引起的。例如，人員在觸及兩個沒有電氣連接的金屬物時，觸及的金屬管線在流過雷電流時將產生不同的感應電壓降（特別是分流引下線的電位除感應電壓降外還與接地裝置的電位升相加），這樣，人的不同部位之間形成電位差，使一部分電流通過人體形成接地通道，當此電流達到人體耐受極限時就會發生電擊事故，造成人員傷亡。特別是防雷裝置的分流引下線在通過雷電流時的電位是很高的，對鄰近的金屬物或設備放電的可能性非常大。為了消除金屬物間的電位差造成的對人、對設備的危害，最有效的辦法是將無法與人員隔離的區域內采取等電位連接的方法以最短的導體多次連接非帶電金屬體，使各個位置的金屬物具有相同或近似的電位，消除或減小電位差，達到安全的目的。這個區域可以是整個建筑也可以是建筑中的局部。從上述角度分析，對于防雷接地系統在保證等電位的要求下應盡量采用共用接地系統，以達到消除電位差的目的。

防雷接地工程是一個綜合系統工程，必須將外部防雷、內部防雷作為一個整體進行綜合分析和設計，必須根據保護對象的重要性、使用性質、發生雷電事故的可能和后果，因地制宜地采取防雷措施。對雷電綜合防治的原則是：“綜合治理、整體防御、多重保護、層層設防”。運用“接閃、引下、分流、均壓、屏蔽、合理布線、安裝保護器、接地”的措施，根據特定保護空間的實際情況，用相應的防雷措施，做到安全可靠、技術先進、經濟合理、施工維護方便。

五、衛星天線區直擊雷防護工程設計方案

1．衛星天線場區類別計算：

北京市年平均雷暴日比較高（36.3D/A），根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057中的規定：雷電活動區根據年平均雷暴日的多少，分為少雷區、中雷區、多雷區和強雷區：少雷區為年平均雷暴日數不超過25天的地區

中雷區為年平均雷暴日數在25～40天以內的地區

多雷區為年平均雷暴日數在40～90天以內的地區

強雷區為年平均雷暴日數超過90天的地區

北京地區年平均雷暴日數基本上接近多雷區。根據氣象資料表明，北京地區年雷暴日Td=35.2天，是雷電多發區。根據國標《建筑物防雷設計規范》規定，以辦公樓為例計算，則衛星天線場區年預計雷擊次數N=KNgAe，其中：

K=1 (校正系數，一般情況下取1)

Ng =0.1＊Td=3.52(建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度)

L=33（衛星天線場區的長度）

W=9（衛星天線場區的寬度）

H=7（衛星天線最高點的高度）

=0.008（與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積）

N=KNgAe=1＊3.52＊0.008=0.028次/a。

根據國標《建筑物防雷設計規范》第3.0.4條第1款規定，省級重點文物保護的建筑物及省級檔案館、第2款規定：預計雷擊次數大于或等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a的部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物應劃為第三類防雷建筑物。因此衛星天線場區應劃分為第三類防雷建筑物。

2.采用滾球法防雷設計方案計算

經過對衛星接收天線場區實際測量及相關防雷國標：決定采用滾球法防雷設計方案，在天線場區兩側架設兩根獨立避雷針，已知條件如下：

1號避雷針：

避雷針7米處的保護范圍內的遠端半徑:Rx=18米被保護物的防雷等級要求：滾球半徑：Hr=60米被保護物的高度：Hx=7.00米；

假設被保護平面的高度為H

被保護范圍寬度為Bx

公式和計算過程:

經計算：H=16.5(米)

1號避雷針的高度為保護平面的高度加上被保護物的高度H=16.5+7=23.5米，取整為24米

兩針距離D = 36.46米

D1 = D/2= 36.46/2= 18.23(米)

=16.28(米)

2號避雷針計算方法同1號，高度也為23.5米，取整約24米。

實際安裝高度為24米。

3．避雷針保護范圍示意圖：如圖三

3.1避雷針制作方案：

①、經過計算避雷桿高度為23.5米，實際制作高度為24米，采用熱鍍鋅角鐵制作。②、避雷桿的基礎為2米見方的混凝土澆筑 ③、防直擊雷接地電阻值小于10Ω。④、避雷桿采用CLPSA-3型

圖三

圖四

（圖五）接地體制作示意圖

圖六

3.2接地制作方案：

①、垂直接地極采用Φ50mm的熱鍍鋅鋼管。②、水平接地極采用4＊40mm熱鍍鋅扁鋼 ③、接地電阻小于10Ω。④、衛星天線基座和護欄分別于地網進行等電位連接。接地示意圖：如圖四

⑤、現場測得土壤電阻率約為300Ω/米，考慮到周邊土壤電阻率較高，土質為砂石結構。為了達到更好的降阻郊果，在接地體周圍敷設長效物理添充劑以增加地網的使用壽命。接地體制作：如圖五

防雷接地體制作時可用長約2m，Φ50mm的熱鍍鋅鋼管或50x50x3mm的鍍鋅角鋼作垂直接地體，每根垂直接地體間距不大于3m，垂直接地體之間用40x4mm的鍍鋅扁鋼作為水平接地體連接，水平接地體的埋藏深度不小于800mm。水平接地體與垂直接地體都需要焊接牢固，焊接搭接頭長度應為扁鋼寬度的2倍，焊接時采用對焊方式，焊接后需用防銹漆做防銹處理。在傳統接地工程中，降低接地電阻的方法有加入食鹽，木炭、草木灰等，現在普遍使用施加化學降阻劑降低電阻的方法，本方案中也在接地體周圍施加了化學降阻劑，方案實施后經國家廣電總局防雷委員會專業驗收，實際多點測量接地電阻約為4Ω左右，各項檢測驗收數據符合設計方案標準。

4.直擊雷方案實施后實物照片：如圖六

六、結束語

衛星地面接收站接收天線一般選址安裝在比較空曠或是建筑物頂上等無遮擋的區域，這樣遭受雷擊的概率很大，所以衛星天線防雷、避雷工程設計及相關應對措施尤為重要。雷電對無線電設備、設施的危害往往使設備損害，停止工作，嚴重影響通信及廣播、電視等行業的正常運轉，因此防雷措施、防雷知識要貫穿整個行業系統方方面面，如果忽視這方面工作，沒有認真落實整改很可能會發生慘痛的教訓，對工作造成無法彌補的損失。以上是作者實際工作的一些總結和經驗積累，希望同行們給予批評指正。