發(fā)射臺防雷的思考

金東星

摘? 要：隨著技術的不斷進步，新型發(fā)射機內大量應用各種微電子器件，由于這些器件的工作電壓很低，抵御電磁干擾的能力較弱，往往成為雷電的主要攻擊點，導致出現(xiàn)設備損壞、數(shù)據(jù)丟失、通信中斷和引發(fā)火災等情況。其中很多事故所造成的損失已遠遠超出設備價值本身，間接損失無法估量。因此，現(xiàn)代防雷技術已將傳統(tǒng)的直擊雷防護與近年來不斷受到重視的雷電感應和雷電波侵入的防護視為并重的兩大部分，強調全方位防護，綜合治理，層層設防，把防雷看作一個系統(tǒng)工程。

關鍵詞：直擊雷;屏蔽;等電位

中圖分類號：TN95? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

發(fā)射臺整體的雷電防護包括針對建筑物的直擊雷效應的防護、針對建筑物內設備、人員的雷電波侵入和雷擊電磁脈沖效應的防護等2個大部分。

1 發(fā)射臺防雷的基本原則

發(fā)射臺防雷要從雷電物理、雷電監(jiān)測等方面考慮。雷電對人身、設施的危害，對系統(tǒng)、電子設備的破壞作用所呈現(xiàn)的形式是多樣的，既有直接雷擊，又有感應雷擊（雷擊電磁脈沖），還有雷電波侵入等;雷電入侵的路徑也是多樣的，既有空間電磁、電場通道，又有有源電路和無源導體通道，還有安全距離的絕緣擊穿閃擊放電危害等。所以發(fā)射臺防雷要考慮到多種全面的措施。總結防雷的基本原則是：實現(xiàn)綜合治理、整體防御、多重保護、層層設防。除此之外，綜合防雷系統(tǒng)工程還要同時采用攔截、疏導、屏蔽、均壓、分流、聯(lián)合接地及等電位連接等綜合措施。

2 直接雷擊

雷電發(fā)生時，直擊雷危害是直接作用于發(fā)射臺的建筑物和發(fā)射機等設備上產生破壞的現(xiàn)象，包括直接擊中和側面雷擊?？罩袔щ姷睦自坪痛蟮刂g巨大的電勢差，沿著建筑物和發(fā)射機等設備的防雷設施瞬間釋放能量，同時產生機械效應、熱效應或電磁效應從而產生破壞作用。

2.1 直擊雷的危害

2.1.1 直擊雷的熱效應破壞帶電

雷云對低電位物體放電時，向被雷擊的物體瞬間輸入巨大的雷擊電流，電流的瞬時值高達數(shù)百kVA，被擊中物體表面瞬間產生的高溫可達到6 000 ℃～10 000 ℃，如果被擊中是發(fā)射臺電子設備，可能導致金屬物質熔化;如果侵入的是發(fā)射臺的供電電路，可瞬間將線路熔斷。

2.1.2 直擊雷的機械破壞

發(fā)生直擊雷損壞時，雷擊電流產生瞬間電動力破壞周圍電子器件，或直接作用于電容等器件生成機械壓力破壞器件。

2.1.3 直擊雷的沖擊波破壞

直擊雷放電時，空氣中被電離的游離態(tài)帶電電荷正負互相中和，導致放電通道中的空氣瞬間升高溫度，空氣體積膨脹而向四周快速擴張，形成沖擊波，產生劇烈震動，破壞發(fā)射臺設備。

2.2 直擊雷的保護措施

直擊雷的保護措施主要借助于避雷針接地系統(tǒng)和接地網。具體措施如圖1所示。

2.2.1 避雷針接地系統(tǒng)

雷電流沿著避雷針與敷設引線流入接地系統(tǒng)，保護發(fā)射臺內的人或設備避免雷擊危害。避雷針接入的優(yōu)異接地系統(tǒng)是保證發(fā)射臺人身和設備安全的保證，它既可以快速泄放雷擊電流，同時也避免了反擊電動勢和殘波電壓的危害。

對于直擊雷危害，發(fā)射臺建筑物實際采用的避雷接地系統(tǒng)，主要措施是在機房頂部構筑避雷帶，采用涂刷水銀粉的圓鋼（φ10）;設置和地網相連的引線，采用扁鋼鍍鋅（40mm×4mm）。避雷帶的設置沿著機房建筑物頂部四周，同時與電磁屏蔽網和引下線及避雷針連接好。

2.2.2 接地網

在發(fā)射機房附近設計合適的接地網，埋深>0.8 m。水平接地體采用直徑14 mm鍍鋅圓鋼管;垂直接地體采用5mm×50mm×2500mm的鍍鋅角鋼。接地網的實測接地電阻≤1Ω。接地體也可以采用銅包鋼、離子接地棒或接地模塊，主要做法包括以下3點。1）銅包鋼材料的接地體工藝采用熱侵涂層，底部是尖端，頂部設計為螺牙或平頭，長度一般是1.5 m～3 m，根據(jù)發(fā)射臺的地阻情況選擇。2）離子接地體是在接地系統(tǒng)中引入緩釋填充劑，這種填充劑具有吸水和釋放水分的可逆性特點。當接地體周圍的土壤環(huán)境含有大量水分時，該填充劑可以吸收自身100倍以上的水分;而當周圍環(huán)境干燥時，填充劑發(fā)生逆向反應，釋放掉一部分所含水分，保持土壤濕潤。同時這種填充劑還使接地極變成一個離子發(fā)生器，接地極外表面的填充劑與內部電解離子之間相互作用降低了土壤的電阻率，這樣形成了一個在大地土壤和被緩釋的接地極之間的過渡帶，有效地增大了接地極與土壤之間的接地截面積，降低了相互之間的接觸電阻，改善了土壤的電場分布。而填充劑具有優(yōu)秀的滲透能力，可以深入到巖峰和土壤中間，形成了網絡樹形結構，加強了泄電流能力。3）非金屬材料的低電阻接地模塊由導電能力強，穩(wěn)定性好的電解質和非金屬礦物質構成，它的主要特點是接地面積大，提高了散流接觸面，降低接地體和大地之間的接觸電阻，同時具備較好的吸水保濕能力，降低周圍土壤的電阻率，增大了土壤的介電常數(shù)，提高了接地金屬導體的抗腐蝕能力，延長了使用壽命。

3 雷電感應和雷電波侵入

雷電感應和雷電波的侵入主要破壞發(fā)射臺機房內部設備。破壞方式是雷擊生成的電磁脈沖，雷電波入侵及高電位反擊。防范的方法主要是屏蔽、接地、等電位連接，包括線路屏蔽和空間屏蔽、設備接地和安全接地、線路等電位連接和金屬構件的搭接。

3.1 雷電感應和雷電波的侵入的危害

雷電感應給發(fā)射臺帶來的危害包括靜電感應危害，電磁感應危害，電磁脈沖危害和雷電反擊危害。

靜電感應是指雷擊時，雷電流進入發(fā)射臺機房的設備中，在不同設備的器件之間產生較高的電位差，這種電位差會導致設備的芯片損毀[1]。

雷擊產生的電磁脈沖在空間傳播時會通過天線、電源和設備的金屬外殼耦合進發(fā)射臺設備，導致在設備的部分環(huán)路中產生浪涌電流，使設備的微電子器件發(fā)生燃爆。同時電磁感應導致的電脈沖和磁脈沖會直接輻射至工作設備中，干擾設備的正常播出。

雷擊產生的高電勢能反擊破壞。雷擊后導致的設備各部分對地電勢升高，某些部位出現(xiàn)與最近金屬導體擊穿現(xiàn)象造成設備器件損壞。同時高電位也可能導致跨步電壓，威脅附近工作人員的人身安全。

雷電波的侵入的危害。雷擊發(fā)生時，金屬管道和架空電纜會為雷電波提供進入機房內部的入侵通道，破壞機房內部設備。

3.2 防范雷電感應和雷電波侵入的具體措施

3.2.1 采取屏蔽措施防止雷電感應和雷電波侵入

無論何種類型的電磁脈沖都可以通過屏蔽的辦法解決，雷擊的瞬時電流因趨膚效應沿著屏蔽表面流動入地。屏蔽不僅可以防止機房外部因雷擊產生的電磁能量入侵至屏蔽層內，也可以防止屏蔽的設備向外擴散電磁能量。屏蔽的內容包括靜電場屏蔽、電磁屏蔽和電磁輻射屏蔽。防止雷電感應危害采取的屏蔽措施是屏蔽雷電產生的電磁脈沖，具體方法是將發(fā)射機房、設備、電纜及各種管道進行屏蔽，利用機房鋼筋門窗等金屬物體連接在一起產生一個“法拉第籠”[2]，然后與地網連接，形成屏蔽網絡。然后根據(jù)發(fā)射設備的耐壓水平采取逐級屏蔽。屏蔽需要注意各種“洞”的屏蔽密封，特別是對門窗之外的通信線路和電力電纜入口處，采用金屬編織網或金屬導管進行屏蔽。典型的屏蔽結構—“法拉第籠”如圖2所示。

3.2.2 采用接地網絡分流排泄雷擊帶來的電磁干擾能量

接地網絡可以有效地抗擊雷電流沖擊波，雷電流沖擊波的幅值比較大，容易在接地體周圍產生極高的電場強度，地網的引入相當于增加了接地體的接觸面積，降低了接觸電阻。

3.2.3 采取等電位連接雷擊保護需要的發(fā)射臺的各種設備

各種孤立的導電體通過電涌保護器或均壓電位導體連接在一起組成一個等勢體連接網絡，削弱各部分之間因雷電流產生的電勢差。具體辦法是在設備的進出線路電纜安裝避雷/電涌保護器（SPD），依靠SPD的分流和嵌壓作用抵御雷擊感應的危害。

4 結語

發(fā)射臺的防雷措施除了安裝避雷針，做接地網，屏蔽和等電位手段外還可以采取很多措施，如在信號源系統(tǒng)加裝信號防雷裝置，在電力電源部分加裝電源防雷裝置等。但每年雷擊都會給發(fā)射臺帶來一定的損失，是發(fā)射臺設備維護面臨的重大課題，需要不斷地探索和尋找新的解決辦法。因此，防雷永遠是發(fā)射臺設備維護人員需要思考的問題。

參考文獻

[1]周文俊，李涵.為電子設備防雷[M].北京：中國電力出版社，2016：34-35.

[2]郭在華.防雷裝置與器件[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：75.