雷達站電源綜合防雷系統設計分析

摘 要：雷達站電源作為主要的動力能源，但也容易遭受到雷電攻擊。這就需要全面做好雷達站電源防雷設計工作，采用綜合性手段，快速降低雷電流幅值、隔離電磁脈沖能量、消除殘留電流電壓，這樣才能夠確保最終的保護效果。基于此，本文首先分析雷電危害以及雷達站電源防護現狀，進而探究雷達站電源綜合防雷系統設計方案。

關鍵詞：雷達站;綜合防雷;系統設計;電源

引言

由于雷達站的特殊性，通常都設置在高山、海島等區域，這些區域具有強雷、強風特點，這的雷達站電源系統設計提出了更高要求。雷達站電源大體上可以分為是市電供電、油機供電兩種形式，無論是哪種形式都有可能導致電源遭受雷擊，雷電大電流、強電磁脈沖會通過電源線進入到設備內部，造成設備損壞甚至是人員傷亡，這就要設計一套完善、可靠的電源防雷系統，有效減少雷電對雷達站的負面影響。很多雷達站防雷系統雖然可以實現多級保護、釋放大量雷電流，但依然存在一定量殘壓，威脅著后續電路安全。這就需要在多級防護基礎上，設計隔離系統，進一步消除殘壓，提高安全系數。

1.雷電危害以及雷達站電源配置現狀

1.1雷電危害

空氣中充滿著物理、化學、生物物質，在云的聚集下、風的帶動下，這些物質在云層中會相互摩擦產生電荷，并不斷累積形成巨大的雷電能量。而雷電是帶電云雷對地面放射雷電的一種自然現象，大體上可以分為直擊雷、雷電磁脈沖、雷電感應、雷電反擊四種情況[1]。直擊雷的破壞性最大，但是發生概率最低，雷達站電源主要是受到雷電磁脈沖、雷電感應威脅。雷電反擊是指金屬物受到雷擊產生的接閃瞬擊和大地之間的電壓，因此被擊金屬以及線纜會出現閃絡情況。雷達站電源和相關設備多數都是弱電設備，對電涌沖擊、電磁感應更加敏感一些。

1.2雷達站電源配置以及設備配置情況

絕大部分雷達站都是采用高壓電源進站，站內的變壓器將10kV的高壓電轉化為380V的交流弱點，實現雷達站設備的電能供給。同時還配有油機供電機組，配備了交互界面切換市電和油機供電方案。電能先是進入到60kVa的UPS并機系統中，之后為弱電設備、附屬直流電源提供電能。在雷達站設備方面，雷達和高頻設備都配備了室外天線，雷達信號、高頻信號輸出線纜分別連接MODEM、PCM設備。傳輸設備通過光纖、微波將信號傳遞給目標地。

2.雷達站電源綜合防雷系統設計方案

本文提出一種SPD多級保護與隔離變壓器的綜合防雷系統，可以有效起到雷達設備的保護作用。具體如下：

2.1SPD多級保護設計

《雷電電磁脈沖的防護標準》中提出了一類防雷建筑電源系統三級SPD防護措施。作為典型的一類防雷建筑體系，雷達站電源防護系統設計可以參考該方案。SPD三級保護主要是采用總配電柜、分配電柜、設備三級防護方法。一級SPD防護可以將大部分雷電流釋放，采用開關型SPD設備，使用要求為額定釋放雷電流在40kA以上，響應時間在100±10ns、保護電壓為500V;二級SPD防護主要是用作低能雷電流吸收以及浪涌過電壓限制作用，選擇限壓型SPD保護設備，使用要求釋放電流在40kA以上，響應時間為20ns、保護電壓為350V;三級SPD防護主要是負責進一步加強低能雷電流吸收和浪涌過電壓抑制，同樣是選擇限壓型SPD裝置，使用條件為釋放電流在20kA以上，響應時間為20ns，保護電壓為320V。

由于不同等級防護的額定響應時間差異，確保一、二、三級按照順序作出響應，必須要確保兩個SPD設備之間留有一定距離。通過分析可知，電纜中電磁波傳播速度為1.5*108m/s，已知不同等級保護響應時間，最大的間距方案為一、二級防護間距為15m;二、三級防護間距為3m。這是由于《建筑物防雷設計規范》中提出兩個限壓型SPD設備間距最大距離為5m，為了保證二、三級防護體系的有效性，可以將二者距離提升到5m。此外，SPD引線上會產生寄生電感，會直接影響過電壓，而過電壓提升則難以實現保護效應[2]。這就需要盡可能保證SPD引線兩端為最短設計，最大長度不超過50cm，這樣即可確保引線長度、提高SPD保護作用。

SPD多級防護只是綜合防雷系統的一個分支，雷電流通過三級防護后電壓幅值會大幅度下降，但依然有較高的殘壓，影響雷達站電源安全性。所以多級SPD防護更多是降低雷電流幅值，不能將殘壓全部消除，所以還要增設隔離變壓器消除雷電流殘壓。

2.2隔離變壓器防護

隔離變壓器在實際應用中可以有效消除線圈之間的分布電容，這樣可以降低共模雷達過壓耦合作用。還可以將繞組方式進行優化，提高共模抑制比，這樣會增加共模雷電壓轉變為差模雷電壓，起到防護作用。在隔離變壓器電路設計過程中，考慮到三級SPD防護之后依然有較大的殘壓，通常在1200V左右，超出了隔離變壓器的承受范圍內，這就需要配套一個電涌保護器，將二者結合進一步消除殘壓。電涌保護器的可以降低殘壓值，之后殘壓會進入到變壓器，借助電涌保護器進一步限制過電壓。變壓器輸出端與雷達設備連接、輸入端與電源內連接，在電流通過時，電涌保護器動作，減少與SPD防護之間的電位差，并將大部分殘壓電流釋放到大地。在隔離變壓器輸出端安裝電容吸收裝置，主要負責吸收過電容，進一步降低殘壓能量，確保雷達設備處于安全范圍內[3]。

當今，新型隔離變壓器中都加入了計數控制體系，雷電每次對隔離變壓器進行雷擊，感應線圈會計數一次，并且內部的SPD指示燈可以顯示SPD多級防護的運行情況，避免SPD防護損壞造成變壓器損壞，變壓器旁還可以設置電流指示儀、電壓指示儀，可以時刻關注雷電造成的電流電壓量，保證系統可以安全運行。

2.3綜合防護體系

通過上述兩點我們可以看到，雷電通過SPD多級防護之后依然會留有大量的殘壓，會對后續雷達設備產生影響;隔離變壓器可以進一步限制殘壓，隔離脈沖能量，但在較大雷電沖擊下，會超出變壓器承受范圍。因此，必須要將SPD三級防護、隔離變壓器綜合設計，可以在SPD二級、三級之間增設隔離變壓器，這樣可以避免變壓器受到較大殘壓供給，還可以有效降低殘壓。確保SPD三級防護后雷達設備的運行安全性[4]。

電源系統線纜雷達陣地采用金屬鎧裝埋地電纜，也可以采用鋼管作為防護套直接埋入地下，埋地超度不得低于15m，進入到雷達塔樓中，電源線纜外皮、鋼管、塔樓接地裝置采用等電位連接方法。配電變壓器兩側均要安裝一套氧化鋅避雷器。SPD多級保護按照2.1設定釋放電流量、響應時間、保護電壓、配置距離。在二級SPD、三級SPD之間安裝三相隔離變壓器，設計方法和單相變壓器類似，但在接線上存在差異，需要注意。

結束語

綜上所述，本文介紹了一種雷達站電源綜合防雷系統，該系統通過仿真和試點應用證明，可以有效防護雷電流、電磁脈沖等，雷電殘壓在通過三級SPD防護之后，完全在雷達設備的可承受范圍內，使用效果很少，保證了雷達設備正常運行、操作人員安全，適合進一步推廣。

參考文獻

[1]夏亮， 楊江平， 鄧斌. 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）：555-556.

[2]李志江， 王偉， 王華. 沈陽新一代天氣雷達站防雷工程設計與實踐[J]. 建筑電氣， 2019（01）：620-625.

[3]張凡. 雷達站防雷措施研究[J]. 科學與財富， 2012（10）：724-725.

作者簡介：姓名：尹垚（1993.10.9-），性別：男、民族：漢、籍貫：山西朔州、就職單位：無、學歷：大專。