湛江VTS雷達站防雷接地研究與探討

陳柳云 張俠義

摘 要：本文從湛江海事局VTS雷達站防雷和接地技術實際出發，闡述近年來防雷實踐、雷電侵入雷達站的四種途徑、雷達站綜合防雷設計和實施方法，明確加強雷電防護技術管理工作，以求最大限度地減少雷電對VTS的破壞，履行好海上交通安全通信職責，給予類似地區VTS雷達站防雷接地管理工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：VTS雷達站;防雷;接地

中圖分類號：TU856? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0041-03

船舶交通管理系統（VTS）雷達站是由岸基雷達、甚高頻（VHF）通信設備、雷達數據數字處理（DU）、頻分復用（PCM）等網絡傳輸設備、氣象設備、CCTV監管設備、機房環境監控設備（空調監控、視頻監控、溫濕度、水浸、UPS狀態監控等等）以及機房環境設備（空調、除濕機、UPS穩壓電源、發電機等）等多種專業精密電子設備集成的復雜系統，是VTS系統重要的組成部分。湛江VTS系統是船舶進出湛江港的重要監控手段，全年7×24 小時運行，除因臺風風力達到雷達工作風速需停止雷達天線運行外，不能中斷，VTS雷達站多位于高山、海島等多雷暴、多強風地區，年平均雷暴日達112日之多，最大風力18級以上[1]，雷電對雷達站設備造成損壞從而導致VTS系統可用率大幅降低，進而威脅設備和船舶航行安全。

湛江海事局VTS中心一直重視雷達站的雷電防護，在2000年廣東（湛江）就和海南、深圳的VTS中心聯合編寫了《VTS系統中心及雷達站防雷技術規范》，近年來亦逐步完善防雷系統和設備，目前運轉良好，防雷效果明顯。2019年，湛江VTS海上大都匯雷達站正在遷建中，雷達站的雷電防護是遷建工程的重點，湛江海事局嚴陣以待，多次探討，力求將雷電影響降到最低。本文從湛江海事局VTS雷達站防雷和接地技術實際出發，闡述近年來防雷實踐、雷電侵入雷達站的主要途徑，具體介紹運行良好的雷達站防雷系統，明確加強防雷技術管理工作，以求最大限度地減少雷電對VTS的破壞，給予類似地區VTS雷達站防雷接地管理工作提供參考和借鑒。

1 近年來湛江VTS雷達站防雷情況

湛江海事局VTS中心設備管理人員在管理維護過程發現的因雷暴過后引發的一些現象：①發生過一起TERMA雷達收發信機調制解調模塊損壞，需維修更換;②雷達天線停轉，雷達收發信機死機，重啟運轉命令后解決;③PCM、VHF收發信機、UPS設備死機，重啟電源后恢復正常;④DU、維護終端等電腦主機進程DOWN，重啟電腦后進程恢復正常;⑤空調、航空燈被雷擊發生故障次數相對較多，需維修。

主要存在以下原因和措施：

（1）廣東省湛江市的年平均雷暴日數Td=112，屬于雷暴區，雷達站雷擊計數器記錄的雷擊次數較多，特別越靠近外海越空曠位置受雷電影響越大;

（2）感應雷防護不到位：如市電進線端要多級防護、雷達天線、航空燈電源線、室外信號配電箱、監控系統等設備進入機房端加裝了電源電涌保護器進行防護;同時塔頂雷達控制線至機房收發信機柜前端、室外信號箱、（UPS信號線兩端）監控系統等進入機房端都應串聯安裝信號電涌保護器，全部雷達加裝后未再次發生調制解調器故障;

（3）等電位連接不規范：雷達站機房內新增無線主干網、CCTV等等設備，未按照等電位連接入機柜和地板下均壓環銅帶上，機殼部分線路和電位地未連接，接線不規范、光端機沒有接地、使用的地線直徑不符合規格等，后期進行了整改;

（4）空調、發電機未實現防雷防護，由于發電機、空調壓縮機瞬間啟動功率較大，容易造成UPS、機房設備等電壓不穩，故而空調電路采用單獨電源線路供電，在UPS前端就獨立出來，防雷保護力度較弱，且空調室外機和航空燈在機房外部，容易被雷擊，后在航空燈加裝電涌保護器，空調增加接地點，故障情況有所改善;

（5）各類型設備出現死機等現象，但未出現硬件性能故障，說明設備線路在雷暴甚至直擊雷情況下，經過全方位的防雷保護，將過電壓降到了設備能承受的水平。

2 雷電侵入雷達站的主要途徑

2.1直接雷擊

雷電直接擊中雷達站鐵塔或混凝土塔、空中機房、變壓器，裸露在外部的雷達天線、VHF天線、氣象傳感器、能見度儀、微波、無線主干網設備、CCTV監控頭、航空燈、空調室外機、線纜等，因高電壓、大電流引起的熱效應、機械效應造成建筑物或設備破壞性損壞。

2.2電源雷電波沖擊

電力系統發生雷電感應時，沿電力線路將有很大的不平衡電流流動，雷電波沿著電源線路侵入，造成變壓器、UPS設備、發電機、空調、照明、環境監控等供電設備損壞。

2.3感應電磁脈沖

云層對地面或云層對云層之間流動的雷電流，會在雷擊點附近的架空或地下線路中產生感應電磁脈沖，電源線、光纜、雷達波導管、雷達電源及信號線、架空線纜、光纜、VHF饋線、環境監控設備傳輸線、金屬線槽，CCTV信號線等等架空或者其他金屬管線受到強大的電磁脈沖影響，導致連接在線路上的設備損壞。

2.4地電位反擊

雷擊時在接地裝置的地電位會瞬間增強到數萬或數十萬伏，流向供電系統或各種網絡信號系統，形成的電勢差導致雷達站設備受損。

3? 雷達站綜合防雷設計和實施方法

按照《通信局（站）防雷與接地工程設計規范》GB 51120-2015規范和《海事系統助航設施防雷技術規范》進行防雷系統建設，保護系統設備不受雷電損壞。圖1是湛江VTS雷達站現行電子收發設備的防雷系統的示意圖，在湛江雷暴區能夠保持設備運轉良好，防雷效果比較明顯，可供參考。

3.1接地方式

雷達站及機房的接地和防雷系統首先要符合規范要求，電源接地、防雷接地、保護接地和信號接地采用聯合接地方式共用接地裝置，接地電阻應小于1Ω。[2]

雷達站地網根據雷達站所在地地質情況，雷達站離海比較近，土壤腐蝕性較強，埋入土壤中的人工垂直接地體間距宜為5m，宜選用熱鍍鋅角鋼或圓鋼。針對部分雷達站的石頭地或者沙地等高土壤電阻率區，可采用降阻劑、接地模塊以及接地體延伸到海中等措施降低接地電阻。

發電機房、儲油間、箱變電房、UPS設備間等大型設備房，直接或通過接地干線與基礎接地裝置連通，其接電點采用專用的接地干線穿塑料管與基礎接地連通。

雷達設備間、大型弱電機房、屋面提前放電避雷針等，其接地點采用40*4銅帶作為專用接地干線，暗敷于柱子內，從專門接地裝置引至機房架空地板下方。所有電力設備、用電設備的金屬外殼、電器安裝金屬支架、電纜的金屬外皮、插座用接地專用接地保護線與接地系統連通。

機房的地線等電位連接還要消除高頻的電位差，高頻電流的趨膚效應更明顯，要求銅帶等材料不僅要橫截面大，同時表面積也要比較大。機房防靜電地板下方布設高純度紫銅帶并與地網連接，紫銅帶呈井字網格狀鋪設，并用絕緣端子支撐。

3.2天線、饋線防雷

天饋系統防雷以預防直擊雷和空中的感應雷為防雷的主要方向，采用安裝避雷針、同軸饋線避雷器、信號防雷器、屏蔽及防護接地方式。

饋線等同軸饋線進入機房處采用串聯方式安裝饋線避雷器，VHF天線饋線避雷器接地接口端子，就近接到鐵塔室外饋線入口處接地地線上。[3]饋線上部、下部和入室折彎處三點就近接地，并在收發信機端接信號防雷器。VHF同軸電纜金屬外護層應分別在兩端就近接地。另外在架空線建設時應考慮用抗風、防腐強的材料。

雷達天線底座、雷達天線波導的兩端就近接地處理和等電位連接;雷達收發機與雷達天線間的控制信號線和電源線等外部纜線應采用金屬屏蔽電纜線。[4]

2015 年“彩虹”登陸湛江，登陸風力強度為15 級，瞬時風力18級，造成部分雷達站線槽掀開，內部走線線纜幾乎全部吹斷，臺損修復時已經全部改裝成橫截面小一點的不銹鋼線槽，受風面積變小，升級了線槽鎖扣，同時也加強了線槽的接地，這部分也是要注意的。

3.3電源系統防雷

供配電系統的交流電，采用電涌保護器（SPD）保護。在進線端、分配端和設備端應設Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級防護，通過選擇多級保護電路和合理地設置各級元器件的參數可以實現整體保護性能的優化[5]，針對專門的雷達站傳感器，室外設備部分也要加裝電源電涌保護器。

雷達站機房設備、雷達站配電房及雷達站內建筑物（包括室外架設設備）等部位，從電力傳輸角度，自內向外劃分為三級保護區，最內層區最安全但雷電承受能力差，越往外，危險性越高，最外層是最容易受直接雷擊區域。[5]而機房通信設備受電涌和感應雷等雷電沖擊主要是通過電源線路竄入的，故從最內層到最外層保護區，必須實行分級過電壓保護，從而將過電壓降到雷達站設備所能承受的水平。[6]

3.4信號線路防雷

雷達信號控制和電源線、CCTV監控線，UPS和視頻等環境監控線、氣象傳感器采集線、網絡傳輸線等等外部纜線包括電源線纜，特別是架空線纜，應采用金屬屏蔽纜線，如材料所限無金屬屏蔽，則電源和信號纜線應分別加上金屬管道，并在金屬管道兩端就近接地，并根據管道長度添加接地點，所有備用的留空線兩端也均應接地處理。[4]且在信號線設備端宜加裝信號電涌保護器，信號電涌保護器是串聯應用于數據線路設備前端。

雷達站機房內外所有的網線宜采且帶屏蔽網線和接駁金屬屏蔽RJ45接頭，同時與網線相連的設備和交換機的接地接口必須就近接地。所有網絡線應根據所其連接設備的重要性和價值、設備位置、設備自身防雷措施、電涌敏感度等選擇是否在設備端串聯加裝網絡信號防雷器。如網線或信號線較長，宜敷設在金屬屏蔽線槽內，線槽兩端和中間部分就近接地。

租用的電信運營商光纜線路的所有金屬接頭、加強芯等，在機房入戶處接地，光貓或光端機殼接地。

3.5信息設備防雷

應將各類機柜、設施和信息化設備等通過接地系統安全接地，在機柜內部設置，匯流排與多股銅線之間的連接形成等電位連接，接入地板下方銅帶上。

4 防雷技術管理

4.1重視完善雷達站建設初期方案

現在雷達站存在的一些缺陷與不足都是雷達站在建造之初就埋下的，比如防雷引下線的設置問題，接地系統的建設情況等等，最近某雷達站出現雷電事件，主要原因就是在雷達站設計雷達塔頂避雷針時采用鐵塔結構鋼材代替，依靠鐵塔本身接地，無專門的下引線連接地網。因此在建設方案初期就要與土建設計公司、主要設備設計公司、防雷公司進行充分溝通，重點參考雷達站所處地理、地質、氣象、環境等條件的實際環境情況進行方案設計與修改工作，并嚴格根據方案中的具體要求來進行相關器材的選擇與使用，保證雷達站的防雷設備符合國家和行業的相關規范以及相關要求。

4.2扎實日常防雷維護工作

堅持“預防為主，安全第一”的原則，做實做細日常防雷維護工作。日常維護管理過程中，要定期對相關的設備、地阻值進行檢測工作并記錄到維護、巡檢記錄本上，在雷雨天氣之后一定要進行防雷設備的檢查與維修工作，及時做好檢測、維護和保養，避免接地網在使用過程中逐漸老化和腐蝕，針對地質條件為石頭、沙地等高土壤地租率區的雷達站，更要重點關注，當接地電阻值升高無法達到要求時，需采用添加降阻劑、回填土等方法使接地電阻降低。[7]

4.3 雷達站機房設計布置與防雷吻合

雷達站機房防雷系統在設計和安裝布設階段，就要充分考慮走線和防雷器的安裝位置，不能因為走線符合某種美學，看起來比較統一和規整而延長走線，實際布線安裝過程中盡可能就近安裝防雷裝置，特別是機房電子通信設備精密度比較敏感的場所，盡量縮短設備、防雷器和接地引線的長度，以縮短防雷器與被保護端口連線及防雷器與接地匯接板連線的長度，主要是引線電感會產生額外的殘壓。

VTS雷達站防雷和接地是一個系統工程，是保證VTS系統正常工作、信號傳輸通暢、人員和設備安全的重要工作。做好VTS雷達站的防雷管理工作，應根據國家和行業相關防雷規范，做到既有針對性，又有全面性，需要加強對雷達站工程的整體設計、施工和日常管理維護，才能提高雷電保護工作的成效，確保船舶交通管理系統正常，保障海上船舶交通安全，服務好當地的經濟社會發展。

參考文獻：

[1]夏亮，余明友，金建偉，王光，余娟.空管雷達站避雷針研究與設計[J].電瓷避雷器，2015（2）：119-123

[2]朱曉鋒.關于弱電機房安全運行的主要設計思路[J].科技資訊，2008（30）：108.

[3]鐘昭香，伍祥清，黃徐燕.移動通信基站的直擊雷和感應雷防護[J].科技創新與應用，2013（06）：43.

[4]龔瑞卿，湯同明.海事VTS系統防雷技術[J].中國水運，2007（12）：56-57.

[5]夏亮，楊江平，鄧斌，楊紅梅，伍暘，鄭玉軍.雷達站電源綜合防雷系統研究與設計[J].電力系統保護與控制，2019（16）：143-150.

[6]尤衛華.關于變電站綜合自動化系統設計中若干問題的探討[D].華北電力大學（北京），2008.

[7]陳一路.淺談如何提高甚高頻（VHF）通信系統的防雷成效[J].珠江水運，2013（13）：20-21.