航天器地面站授時系統雷擊損害機理及防雷設計

摘 要：本文介紹雷電在航天器地面站授時系統設備線纜上過電壓的表現形式，分析了傳導過電壓和感應過電壓形成機理、理論計算及產生的危害。提出航天器地面站授時系統防雷設計基本內容，包括授時系統室外天線、線纜及機房內授時接收設備具體防雷措施。

關鍵詞：航天器地面站 授時系統 雷電損害 防雷設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）05（a）-0000-00

雷電是一種常見的自然現象，全球平均每秒中發生65個閃電，每年發生2.5億個閃電。大約有54%的閃電發生在北半球。全球陸地平均閃電密度約為8.3個.km2/年，大約是海洋上的3.4倍[1]。2000年雷電災害被聯合國國際減災十年委員會公布為最嚴重的十種自然災害之一，又被稱為“電子時代的一大公害”[2]。

航天領域是信息電子設備應用的最前沿和最尖端的領域之一，該領域的信息電子設備特點是集成度極高，網絡交互復雜，某個環節出現故障就可能會影響整個任務質量。無論國際還是國內，因雷電天氣影響航天器發射的事件時有報道，因此雷電防護一直是航天信息電子應用領域研究的熱門課題。筆者及其所在小組的工作人員曾對多個航天地面站單位進行調研，每年雷雨季節都有單位的信息電子設備被雷擊壞，集中體現在授時、視頻監控和無線通信等系統，本文就從航天器地面站授時系統雷擊損害機理和防雷設計這個視窗展開分析研究，旨在提高航天器地面站授時系統雷電防護的水平。

1 雷電在授時系統設備線纜過電壓的形成機理

在發生雷擊時，強大的雷電流（幾kA～幾百kA）會在其放電中心1km里范圍內[3]產生很強的瞬變電磁場，雷電流和這個瞬變電磁場會通過傳導、感應等方式在授時系統設備線纜上產生各種暫態過電壓。當暫態過電壓沿電源線或信號線等線路進入設備接口和芯片，就會造成設備誤動作、性能降級或永久損壞。

1.1傳導過電壓

授時系統室外天線接閃桿或所在建筑物在遭受雷擊時，雷電流將沿引下線流入接地裝置，并最終通過接地裝置流入大地。在此過程中，雷電流將在防雷裝置上產生暫態過電壓。如果引下線與其周圍授時系統設備之間的間隔距離不夠，且設備接地點又沒有與防雷接地裝置等電位連接，兩者就會發生很高電壓并發生放電擊穿，造成防雷接地裝置反擊設備現象。反擊會導致授時系統設備的嚴重損壞，甚至危及室內操作人員生命安全。由于這種過電壓主要是因為雷電流沿線路泄放引起的過電壓，因此稱為傳導過電壓。圖1-1為簡要分析傳導過電壓的形成，通過公式1-1可以計算傳導過電壓在某點形成的暫態過電位。

上式中uA為A點暫態電位，Ri為沖擊接地電阻，h為A點對地面高度，L0為單位引下線長度的寄生電感，i為雷電流。由上式可分析，暫態uA含兩部分壓降，取決于雷電流瞬時值的接地電阻上壓降和雷電流波頭上陡度的引下線寄生電感上壓降。由于雷電流的幅值及其波頭上升的陡度很大，uA可以達到很高的值。如果周圍授時系統設備線纜與其沒有足夠的安全距離，雷電壓就有可能擊穿線纜絕緣（因為設備線纜絕緣設計是不考慮雷電壓絕緣）進行放電，進而在設備線纜上形成傳導過電壓。

1.2感應過電壓

感應過電壓主要分為磁場感應過電壓和電場感應過電壓，前者是雷電感應過電壓主要表現形式。磁場感應過電壓是指當授時系統接閃桿或所在建筑物遭受直擊雷時，在建筑物防雷系統中流過的暫態電流或雷電放電通道中的雷電流將在周圍產生的瞬變脈沖暫態磁場，這種快速變化的磁場鉸鏈這些回路后，將在授時系統回路中感應出暫態過電壓。電場感應過電壓是指一條架空線路（電源或信號線路）位于雷擊點附近或上空有雷雨云經過，在負極性雷放電的先導階段，先導通道中綜合了負電荷，它對架空線產生靜電感應作用，使架空線上距先導通道近的部分累積起正電荷，或在雷雨云在架空線上感應出與其底部相反的正電荷，這些正電荷受先導通道中或雷雨云底部的負電荷束縛，而架空線上的負電荷將被排斥到線路的遠端，經線路泄漏電阻或系統中性點入地[4]。當先導發展達到地面后，主放電開始，先導通道中的負電荷被自上而下地迅速中和或雷雨云迅速消散，從而使架空線路上原先被束縛的正電荷被迅速釋放，形成暫態過電壓。圖1-2，簡要分析某建筑物內某一導體回路磁場感應過電壓，并通過式（1-2）和（1-3）可計算回路中任意一點磁通量和回路中感應過電壓。

2航天器地面站授時系統防雷設計的基本內容

2.1室外天線裝置雷電防護

航天器地面站授時系統室外天線多數是安裝在屋面，且高出屋面女兒墻接閃帶，因此應安裝獨立接閃桿保護，防止天線裝置遭受直擊雷造成其物理損害。接閃桿金屬桿體或引下線應與屋面接閃帶不少于2點電氣連接。接閃桿與天線安全間隔距離符合式（2-8）要求。對有內設集成電路或晶體管電路的天線（如GPS、北斗）或信號放大器應在天線接口安裝天饋電涌保護器，天線應安裝屋面中部。

接閃桿保護范圍應采取電氣幾何模型數值計算，工程計算可按照《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010附錄D進行，下面依單根接閃桿保護范圍為例介紹計算方法，并推導接閃桿高度計算公式。

式（2-1）為單根接閃桿地面保護范圍計算，式（2-2）為接閃桿在被保護物高度面的保護范圍計算，式（2-3）為推導出接閃桿高度計算。上述式中h為接閃桿高度，單位m，hr接閃桿滾球半徑，取28m（考慮，hr=10I0.65=28.46≈28m，I選擇5kA主要考慮國內天饋電涌保護器一般標稱放電電流In都在5kA左右，即使對5kA以下雷電流接閃桿攔截失效擊中天線上，設備天饋線纜上的電涌保護器在線纜無屏蔽層或屏蔽層接地不良的情況下也可以承受，將雷電流安全泄入大地）。

式（2-8）為接閃桿與天線安全間隔距離工程簡化公式，其中Ri為沖擊接地電阻，通過測量天線所在建筑防雷接地工頻接地阻值后，按照《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010附錄C規定系數進行轉換即可求得，hX為天線距離屋面垂直高度，為了考慮安全期間，當通過式（4-8）計算后數值小于3m的應取3m。

2.2線纜雷電防護

（1）室外屋面電纜敷設應安裝在金屬屏蔽槽（管）內，金屬屏蔽槽和管在屋面中部敷設，應多點接地，遠離屋面防雷裝置。

（2）機房內電纜敷設應盡量集中在建筑物中部，發生雷擊時，建筑物中部暫態電磁場相對較小。

（3）注意線纜屏蔽層的連續性并良好接地，屏蔽層接地盡量與機柜接地排連接。

2.3機房內設備雷電防護

（1）機房內授時系統設備電源和天饋接口要安裝適配的電涌保護器，電涌保護器是目前解決設備線纜過電壓最有效的途徑，同時也是信息電子設備雷電防護設計的核心。電涌保護器主要技術參數（沖擊電流、電壓有效保護水平）等應通過式（2-9—2-13）計算后確定。

（2）機房應安裝Mm型防雷接地網，內部網格邊長宜在0.6—3m范圍內，為了考慮接地線長度可能出現干擾頻率波長的1/4或其奇數倍時產生諧振，呈現高阻，出現接地線失效的情況，設備金屬外殼或專用接地排接地線長度應小于設備工作波長1/20或機柜對角兩條線與接地網連接，兩線相差20%。

3結論

通過雷擊航天器地面站授時系統損害機理及防護的研究，本文得出以下列主要結論：

（1）雷電在電氣和電子設備線纜上過電壓形成主要是因為雷電流及其形成暫態電磁場在設備線路或回路中的傳導和感應效應。

（2）推導出雷電在受時系統線纜上傳導過電壓和感應過電壓計算公式。

（3）提出了航天器授時系統防雷設計基本要點。

參考文獻

[1]許曉峰、郭虎等，《國外雷電監測與預報研究》，氣象出版社，2003

[2]王昂生，大氣災害學[J]。地球科學進展，1991，6（5）：74-75

[3]張小青，《建筑物內電子設備的防雷保護》，電子工業出版社，16-17

[4]張小青，《建筑物內電子設備的防雷保護》，電子工業出版社，16-17

[5]《雷電防護 第2部分：風險管理》GB/T21714.2-2008/IEC62305-2：2006

[6]《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010