羅蘭C系統發射機過壓防護研究與實現

周早君

摘 要：羅蘭C導航系統[1]是一種脈沖相位調制的陸基中遠程低頻無線電導航系統，而無線電導航系統的地面發射臺[2]是無線導航系統的主要組成部分，它極易受強雷雨等外部惡劣環境因素影響。為了系統地面發射臺可靠工作，研究羅蘭C系統發射機過壓防護能力問題對羅蘭C系統穩定性、信號利用率和提高軍事應用能力具有很大價值。本文就針對羅蘭C系統發射機過壓防護問題進行了詳細的研究。

關鍵詞：羅蘭C導航系統;固態發射機;過壓防護

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0082-02

導航臺站作為系統地面發射臺起著決定性作用，曾發生多起因雷擊導致發射機房設備、接收系統設備、臺內供電線路等設備、模塊、板件或器材損壞情況。針對導航臺目前的建筑結構劃分、設備情況及雷電損害的實際情況，依據現行國標、軍標、行業規范的要求，通過對建筑物、構筑物、供配電系統、通信等系統接地系統的完善，并在電源、通信網絡加載相應的防雷設備，實現在雷電氣象條件下建筑物、供配電系統、通信系統的正常運行，以確保導航臺設備正常工作。

1設計內容

依據IEC61312-1、2、3及IEC61024，并結合相關國家標準如GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》、GB50057-94《建筑物防雷設計規范》（2000年版）等國內主流標準、規范，針對場區發射機、發射機房、控制機房、配電室的防直擊雷系統、供配電線路防雷系統、通信系統防雷現狀，以建筑物內的低壓電路保護為主（不涉及高壓防雷保護）設計該方案。

導航臺綜合防雷工程參照A級保護分級，按三級防護進行設計，包含：完善的外部防直擊雷系統、合理配置過電壓保護裝置（含電源、通信）、良好的等電位連接三個有機的整體。IEC/TC-81將整體防雷總結為：DBSE技術，即分流（Dividing）、接地（Earthing）、屏蔽（Shielding）、等電位連接（安裝防雷器）、四項技術的綜合，從合理安裝避雷器、改善接地系統等角度入手解決問題。按照全面防護，綜合治理的原則進行設計。

1.1分流

就是室外直擊雷防護，常見的分流措施有：設置避雷塔、避雷針、避雷帶、避雷線，包括防直擊雷設施的引下線敷設這些方法。

臺現狀：經實地勘察，臺所有建筑物、構筑物防直擊雷系統均安全、可靠。此方案不涉及此部分設計。

1.2接地

顧名思義就是室外全保護接地體，通過新建接地的方式為建筑物內部機房、設備、人員等提供一處安全可靠接地端，提高安全可靠性。

臺現狀：場區內使用聯合接地系統。GB50057-94《建筑物防雷設計規范》（2000年版）和GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》對于接地電阻阻值的要求為≤4Ω。實測臺場區聯合接地電阻<1Ω，優于國家標準的技術要求。

營區辦公樓接地電阻8Ω-12Ω，不符合上述標準要求，需進行整改。本次防雷工程場區繼續使用現有接地體，營區需對現有接地體進行整改。

營區辦公樓新建安全保護接地體采用“垂直法”進行設計。即在營區辦公樓外距落水坡3米外的土壤中，按要求垂直埋入6根W50mm×L2500mm鍍鋅接地棒作為接地電極，接地棒間隔3-5m。接地棒頂部距離土壤表面大于0.7m，各接地棒通過3×40mm鍍鋅扁鐵焊接，焊接處焊點長度為鍍鋅扁鐵寬度的2倍。相連后至土壤外通過接地匯流轉接盒與接地下引線連接，接地下引線采用絕緣電線BV25mm2順墻壁垂直而上，每間隔1.5米用固定卡固定與墻壁上，引入機房后接在接地匯流銅排上，焊接處進行有效防銹、防腐處理。實測接地體接地沖擊電阻值小于4歐姆時，進行回填。回填時，接地體使用100kg離子降阻劑，與土壤均勻混合，進行回填處理。

1.3屏蔽

分為室外建筑物、構筑物屏蔽與室內屏蔽兩部分，基于建筑物而言，法拉第籠體是一個等位體，內部電位為零，電場為零，當外部產生電荷時，籠體直接將電荷泄放入地，以減少建筑物內部的磁場強度。保證內部設備、人員安全。

臺現狀：建筑物利用自身建筑墻內鋼筋進行屏蔽，由于機房均在一處建筑物內，不存在穿越不同防雷分區敷設線路的情況。現有屏蔽措施可用。

對于進出監控值班室的部分電纜以及光纜采用T2 0.05×40mm2紫銅帶緊貼其進行纏繞的方法對電纜進行屏蔽處理，并在信號線纜進入建筑物前使用BV6mm2護套銅線分別對紫銅帶、線纜屏蔽層良好接地。

進入監控值班室的通信光纜的加強芯，通過BV6mm2護套銅線進行接地處理。

1.4等電位連接（安裝防雷器）

等電位的目的是為了避免因地電位反擊電壓導致電擊事故，同時可減少電位差、電弧、電火花發生的機率。針對無法直接接地等電位的線路通過安裝防雷保護器來進行等電位連接。防雷器的作用是用來保護供電、信號、饋線等系統中各種電器設備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態過電壓沖擊而損壞的一種電器。

1.4.1供電系統防雷措施

為防止和減少雷電涌對被保護設備造成的危害，保護人民的生命和財產安全，依照相關標準及規范的要求，結合用戶的實際情況，對臺防雷工程進行設計、施工，確保概率超過99%以上的雷電氣候條件下被保護的供配電系統及通信系統的設備能夠正常工作、人員的安全。

電源第一級防雷：分別在場區低壓配電房1#變壓器輸入柜、低壓配電房2#變壓器輸入柜以及營區低壓配電室總開關輸出端各安裝一套德國OBO MCD50-B/3+MCD125-B/NPE+V20-C/3+NPE-AS高能量三相電源防雷器。

分別在L-N、N-PE間進行保護，對上述低壓配電室后端所有用電設備進行電源的第一級防護;同時配備UC-2000雷電流記錄裝置，用來檢測防雷器工作狀態，并24小時不間斷統計防雷器工作數據。

電源防雷器工作原理：供電系統防雷設備其核心保護單元為氧化鋅壓敏電阻材料，氧化鋅壓敏電阻片具有良好的非線性伏安特性。在系統電壓低于其壓敏電壓時，呈高阻狀態，只有以容性電流為主的很小的（μA級）電流通過;當電壓超過氧化鋅電阻片壓敏電壓時，會立即導通氧化鋅電阻片，使其呈低阻狀態，吸收過電壓產生的能量，限制過電壓的幅值，因其良好的非線性伏安特性，即使通過的電流達到幾kA，其兩端的殘壓仍被限制在規定的范圍內。采用這種高性能的氧化鋅電阻片作為限壓釋能元件而制造的氧化鋅避雷器，可有效保證系統和設備的安全。

電源第二級防雷：在場區控制機房配電箱內、發射機房配電箱內、空調機房配電箱內、營區辦公樓一層低壓配電總柜內分別安裝一套德國OBO V20-C/3+NPE-AS三相電源防雷器，附帶AS聲光報警功能。

分別在L-N、N-PE間進行保護，對上述低壓配電室后端所有用電設備進行電源的第二級防雷。

電源第三級防雷：對重點設備增加電源第三級防雷措施（精細級電源防雷插座），進一步降低線路過電壓，并且將電壓嵌位到安全水平。

在場區控制、發射、值班室、營區通信機房設備等各類用電終端設備的電源前端，分別加裝德國OBO單相插板型低殘壓防雷插座CNS 3-D-PRC（10A三孔）最大通流量為7.5kA/線。

1.4.2場區控制機房防雷措施

在場區控制機房的GPS接收機3個饋線端口處、北斗信號接收1個饋線端口處以及天線電流取樣設備1個饋線端口處分別加裝1套德國OBO DS-BNC同軸線信號防雷器，共5套。在場區控制機房的遠導2#接收機3個饋線端口處、GPS信號1個饋線端口處分別加裝1套德國OBO DS-N同軸線信號防雷器，共4套。DS-N傳輸功率400W，放電電流10kA（8/20us）和5kA（10/350us），傳輸頻率0-5.3GHz。在場區控制機房的同步監測機柜、時頻機柜、控制授時機柜電源前端各加裝1套德國OBO V10-C/2+K3*10-16A單相電源防雷插座箱，共6套。

信號防雷器工作原理：信號防雷器其核心保護單元采用晶體二極管，晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。

1.4.3場區發射機房防雷措施

導航臺發射系統設備自身已有比較完善的防雷系統，加之發射系統在日程工作中所承擔的任務非常重要，不允許對現有防雷系統進行改造。所以，此次方案設計建議發射系統繼續使用現有防雷系統即可。僅在發射設備靜電地板下方加裝德國OBO 1801接地匯流排來完善現有發射設備等電位系統。

接地匯流排工作原理：在內部防雷系統中（或者電氣系統）接地匯流排主要作用是均壓。一般接地匯流排安裝在機房至地網的地線前端，而機房里所有設備的接地線匯集到這個匯集排上，當然，如果機房設備過多，一般是在靜電地板下制作均壓環，設備接地線和靜電地板接地線就近連接至均壓環上，防止地電位反擊事故反生。

1.4.4雷電峰值記錄系統

在導航臺動力配電室、各通信機房所在建筑物總配電室、各建筑物內接地匯流總排上分別安裝一套雷電流峰值記錄卡，可以監測到建筑物接地裝置上向地泄放雷電強度的大小。雷電峰值記錄系統工作原理：使用雷電計數器和雷電流峰值測試系統，通過一個或幾個雷雨季節的持續觀測，分析得到的數據，可以客觀地評價導航臺的雷暴實際情況，為導航臺的雷擊風險評估、被保護設備的雷電防護等級的確定以及今后設備受損賠償提供依據。

2防雷系統在饒平導航臺安裝試驗情況

饒平導航臺位于廣東省東端沿海饒平縣，在東經116°35′～117°11′，北緯23°28′～24°14′處，北回歸線在縣境南部穿過。該地區屬海洋副熱帶季風氣候區，氣候溫和，季風明顯，雨量充沛，年平均氣溫21.4°C，降雨量1475.9毫米。饒平縣屬全國雷電災害多發區，每年6月至10月是雷擊事故高發期。根據近40年的氣象資料統計，年平均雷暴日數52.6天，雷擊頻率和強度屬于高雷區，每年因遭雷擊傷亡人數達40至50人，直接經濟損失數千萬元。饒平導航臺也多次遭雷擊損壞裝設備。

經組織北京天佑雷諾科技有限公司在饒平臺進行了綜合防雷設備的安裝。兩年以來，經強雷雨等惡劣環境的檢測和實測防雷設備運行參數，達到了系統防強雷電的預期效果。但由于前期勘察現場不細致，設計方案仍有缺陷，并做了部分調整： （1）原方案天線電流取樣信號線（在室內由發射機房引至控制機房）加裝防雷意義不大，調整為接收天線饋線防雷;（2）原方案發射天線安裝OBO地極平衡保護器的設計，對連續發射大功率信號和保護器的性能指標論證分析不足，導致安裝失敗，燒毀保護器，況且在發射天線人為加接一個高阻設備是否對天線電參數造成變化更需科學地分析和論證，經雙方現場協商，調整為將保護器安裝在通信機房新建地與原接地體之間，進行有條件聯合接地;（3）為了避免防雷器對信號的延遲，取消對衛星雙向接收機安裝信號防雷器。經綜合分析，取消了這一項，防雷器作為備品留存導航臺。

參考文獻

[1] 黃智剛，孫國良.無線電導航原理與系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] 劉鈍，甄衛民，馮健，等.長河二號東、北海臺組發射機線路圖集[D].西安：西安電子科技大學，2014.