配電裝置對(duì)于入侵雷電波的防護(hù)

1、 南 京 氣 象 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 系 別 電子工程系 專 業(yè) 防雷專業(yè) 姓 名 劉 春 學(xué) 號(hào) 200405207 論文題目 雷達(dá)站的綜合防雷 指導(dǎo)教師 梅 衛(wèi) 群 二O O四 年 六 月雷達(dá)站的綜合防雷摘要：本文介紹的是雷電的危害，雷電損壞設(shè)備的入侵渠道以及基本的防護(hù)方法。雷達(dá)站系統(tǒng)綜合防雷設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞：雷達(dá)站，防雷技術(shù)一、前言： 1.1 雷電探測(cè)技術(shù)在軍事、科技領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它已經(jīng)成為國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)手段。隨著超大規(guī)模集成電路在雷達(dá)中的大量應(yīng)用，雷達(dá)信息資料處理自動(dòng)化程度的不斷提高，使雷達(dá)的性能日益完善。但是，由于微電子技術(shù)的應(yīng)用，以及為減少遮蔽角而把雷達(dá)架設(shè)在平原地區(qū)

2、的高大建筑物頂部或高山的原因，使得雷達(dá)設(shè)備的抗擾性能不能滿足抑制或抵抗雷達(dá)設(shè)備所處環(huán)境中的自然電磁騷擾的需要，往往導(dǎo)致雷達(dá)設(shè)備性能下降甚至損壞。1.2 雷達(dá)設(shè)備所處環(huán)境的自然騷擾源主要是雷電。據(jù)報(bào)道，美國(guó)裝備了一百多部先進(jìn)的88D多普勒雷達(dá)，但幾年來(lái)的使用表明，影響88D雷達(dá)安全運(yùn)行的最主要因素是雷電。同樣，我國(guó)軍事，科技等領(lǐng)域使用的雷達(dá)，遭受雷電損壞的情況也比較嚴(yán)重。為此，我國(guó)氣象防雷減災(zāi)機(jī)構(gòu)組織力量對(duì)雷達(dá)站的防雷問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。二、防護(hù)的原則：2.1 雷達(dá)站建筑物的外部防雷設(shè)計(jì)應(yīng)按照GB50057-94第二類防雷建筑物的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)2.2 雷達(dá)站內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)應(yīng)采用等電位連接、屏蔽、

3、隔離、合理布線、電涌保護(hù)和共用接地系統(tǒng)等現(xiàn)代雷電防護(hù)措施進(jìn)行綜合防雷。2.3 防雷裝置應(yīng)符合國(guó)務(wù)院主管機(jī)構(gòu)規(guī)定的使用要求。三、天線的雷電防護(hù)：3.1 天線的直擊雷防護(hù)圖一 天線罩安裝示意圖雷達(dá)天線被安裝在具有小遮蔽角的高大建筑物上，以88D雷達(dá)天線罩的直接雷防護(hù)為例。88D雷達(dá)天線罩直徑約12m，天線部分設(shè)備的方形支撐鐵架高2.2m，寬6.5m,.天線罩安裝如圖一（a）所示，方形支撐鐵架尺寸如圖一（b）所示。天線罩安裝在鐵架上，如圖一（c）所示，以下各圖的長(zhǎng)度單位均為 m.3.2設(shè)計(jì)參數(shù)為:3.2.1 雷達(dá)站的防雷保護(hù)按第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)，則滾球法半徑hr=45m；3.2.2 為減輕反擊和避

4、免天線進(jìn)入雷擊電流的強(qiáng)磁場(chǎng)，設(shè)定避雷針與罩體外緣的距離為3m。3.2.3 被保護(hù)高度hx=12+2.2-0.957=13.24m,再考慮保護(hù)裕量=1m,則hx=14.24m采用的是等邊三角形分布的等高三針對(duì)天線罩進(jìn)行直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)，其俯視圖見(jiàn)圖二。圖二 罩側(cè)的保護(hù)如圖所示：正ABC邊長(zhǎng)為AB=AC=BC=15.59m.只要針高EB=FG=hr DF =hr =12.63m即可保護(hù)邊外的球部分。因此，關(guān)鍵應(yīng)考慮內(nèi)部之球體的保護(hù)情況下面用作圖法求針高：用半徑為45m的球讓三支針支撐起來(lái)，使?jié)L球最底點(diǎn)比罩端高出=1m裕量，罩體即獲得保護(hù)了。滾球的中心線0P垂直ABC，且通過(guò)它的重心。這樣三角形外側(cè)受

5、到了保護(hù)（上面已經(jīng)證明）。因?yàn)镺P=所以，針高為：h=hr-OP+1+13.24=45-+14.24=15.15m如圖三所示：圖三 針高計(jì)算 有時(shí)會(huì)受到建筑物天面面積的限制，未能采用針的對(duì)稱安置方式，這時(shí)可取靈活設(shè)計(jì)方式，但應(yīng)按針的具體布置進(jìn)行計(jì)算，使設(shè)計(jì)達(dá)到保護(hù)的目的. 按下述方法設(shè)計(jì)，當(dāng)針距罩邊緣是3m,設(shè)雷電流I=10KA時(shí)，對(duì)罩邊緣和中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，B0進(jìn)行評(píng)估：B1=(4××10×10³×10000)/(2××3)=6.67GS則磁場(chǎng)強(qiáng)度H1=6.67×79.6=531A/m, B0=2.22GS

6、如果要求在罩邊緣處B1=2.4Gs即H1=191A/m則Sa=I/(2××H)=10000÷(2××191)=8.33m此時(shí)，B0=1.4GS見(jiàn)圖四：圖四：磁感應(yīng)強(qiáng)度3.3避雷針材料選擇：頂端的接閃器采用Ø20的不銹鋼加工而成，已減少日后維護(hù)的工作量，長(zhǎng)度一般為1m。支撐豎桿采用高強(qiáng)度玻璃管代替金屬桿，已減少雷達(dá)回波損耗，并用螺栓分別與上下導(dǎo)體相連，其內(nèi)使用截面積不少于50mm²的多股銅線實(shí)現(xiàn)頂端接閃器與避雷針引下線的電氣連接。在樓頂天面沿女兒墻應(yīng)敷設(shè)避雷帶（材料為Ø10以上的鍍鋅原鋼或L40×4鍍鋅扁鋼

7、）。避雷帶架高一般是1015cm，長(zhǎng)度每隔1m應(yīng)固定一次。在大樓天面女兒墻上應(yīng)每隔18m從結(jié)構(gòu)柱主鋼筋上預(yù)留長(zhǎng)200mm的鋼筋頭，將水平避雷帶或金屬欄桿與之焊接。天線罩的機(jī)座導(dǎo)電部分應(yīng)與屋面的避雷帶鋼筋相連，在天面安裝微波天線，通信天線，以及較大的金屬物體應(yīng)良好的接地。3.4 直擊雷防護(hù)引下線的設(shè)計(jì)要求應(yīng)利用外墻構(gòu)造柱內(nèi)至少兩根以上的主鋼筋自下而上電焊連通作為引下線。引下線應(yīng)充分利用構(gòu)造柱內(nèi)全部鋼筋，當(dāng)柱內(nèi)鋼筋采用綁扎時(shí)，施工中需在每層高度加一個(gè)短路環(huán)或利用箍筋焊接。引下線下部與基礎(chǔ)圈梁主鋼筋電焊連接，上部與避雷帶和避雷針電焊連接，各樓層的接地預(yù)留件應(yīng)從建筑物中心結(jié)構(gòu)柱的主鋼筋引出，用做總等電

8、位連接端子的引下線應(yīng)焊接，下部與基礎(chǔ)地網(wǎng)靠的主鋼筋焊接。3.5 雷電側(cè)擊的防護(hù)高層塔樓從距地面45m每隔6m在結(jié)構(gòu)圈梁內(nèi)的主鋼筋應(yīng)焊接連通并與防雷引下線焊接成一整體，外墻上的欄桿，金屬門(mén)窗等較大的金屬物體應(yīng)焊接接地，以防側(cè)擊雷。鋁合金門(mén)窗處應(yīng)做預(yù)留接地端子，以做接地之用，各層玻璃幕墻的金屬支架應(yīng)電氣連接接地。3.6屏蔽3.6.1 屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，為減少感應(yīng)效應(yīng)采取以下措施：外部屏蔽措施，線路埋地引入并敷設(shè)與合理的路徑，內(nèi)部線路屏蔽，內(nèi)部線路應(yīng)穿金屬槽，管屏蔽或使用帶屏蔽層的纜線，這些措施應(yīng)聯(lián)合使用。其屏蔽層至少在兩端和防護(hù)區(qū)交界處做等電位連接。3.6.2 為改進(jìn)電磁環(huán)境，所有與建

9、筑物組合在一起的大尺寸金屬部件都應(yīng)等電位連接，并與接地裝置相連。3.6.3信息系統(tǒng)設(shè)備機(jī)房應(yīng)選擇在最高級(jí)別雷電防護(hù)區(qū)中，應(yīng)避免設(shè)在計(jì)算機(jī)的頂層，當(dāng)建筑物天面部分的避雷網(wǎng)格尺寸不符合系統(tǒng)屏蔽要求時(shí)，應(yīng)在天面加裝屏蔽層或加密網(wǎng)格，使用非金屬屏蔽電纜，入戶前應(yīng)穿金屬管并埋入地中水平距離10m以上。如受條件限制無(wú)法穿金屬管埋地入戶，則應(yīng)加長(zhǎng)入戶屏蔽，且入戶時(shí)在雷電防護(hù)區(qū)交界處應(yīng)做等電位連接和接地。3.6.4雷達(dá)天線接到機(jī)房的所有電纜宜敷設(shè)在金屬屏蔽槽內(nèi)，接地端子和波導(dǎo)管在傳經(jīng)每樓層時(shí)應(yīng)與該層等電位連接帶電氣連接，金屬屏蔽槽首尾應(yīng)電氣貫通。雷達(dá)天線至機(jī)房的電纜線入口處應(yīng)用金屬罩屏蔽并接地，為雷電電磁脈沖

10、干擾，所有線纜均應(yīng)敷設(shè)在金屬屏蔽槽內(nèi)，并進(jìn)行多次等電位連接后進(jìn)入機(jī)房，在建筑物設(shè)計(jì)，施工時(shí)應(yīng)預(yù)留穿管用的孔洞。3.6.5 雷達(dá)機(jī)房和控制室的外墻的鋼筋宜適當(dāng)加密，鋼筋網(wǎng)孔直徑不宜大于20mm×20mm；雷達(dá)機(jī)房和控制室應(yīng)使用金屬板門(mén)窗，窗上應(yīng)加設(shè)網(wǎng)孔不大于20mm×20mm的金屬網(wǎng)。金屬門(mén)和網(wǎng)與建筑物內(nèi)的主鋼筋應(yīng)做可靠的電氣連接。3.6.6 雷達(dá)機(jī)房和控制室內(nèi)的設(shè)備距外墻及梁柱的距離一般不應(yīng)小于1000mm。3.7 等電位連接3.7.1 機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的等電位連接如圖五所示當(dāng)采用S 型等電位連接網(wǎng)絡(luò)時(shí),該信息系統(tǒng)的所有金屬組件,除等電位連接點(diǎn)外,應(yīng)與共用接地系統(tǒng)的各組件有足夠的

11、絕緣,通常S型等電位連接網(wǎng)絡(luò)用于相對(duì)較小,限定在局部的系統(tǒng),其所有服務(wù)性設(shè)施和電纜僅在一點(diǎn)進(jìn)入該信息系統(tǒng).本網(wǎng)絡(luò)因僅通過(guò)唯一的一 圖五 等電位連接點(diǎn)(即ERP)結(jié)合到共用接地系統(tǒng)當(dāng)中去。在此情況下。各設(shè)備之間的所有線路和電纜應(yīng)按照星型結(jié)構(gòu)與各等位連接線平行敷設(shè),已避免產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)路。由于采用唯一的一點(diǎn)進(jìn)行等電位連接,故不會(huì)有與閃電有關(guān)聯(lián)的低頻電流進(jìn)入信息系統(tǒng),而信息系統(tǒng)內(nèi)的低頻干擾源也不會(huì)產(chǎn)生大地電流。做等電位連接的這唯一的點(diǎn)也是接浪涌保護(hù)器以限制傳導(dǎo)來(lái)的過(guò)電壓的理想的連接點(diǎn), 如果采用的M型等電位連接網(wǎng)絡(luò),則該信息系統(tǒng)的各金屬組件不應(yīng)與接地系統(tǒng)的各金屬組件絕緣,M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)通

12、過(guò)多點(diǎn)結(jié)合到接地系統(tǒng)中去,通常,本網(wǎng)絡(luò)用于延伸較大和開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)。而且在設(shè)備之間敷設(shè)許多線路和電纜,服務(wù)性設(shè)施和電纜在幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)入該信息系統(tǒng)。本網(wǎng)絡(luò)用于各種高頻均能得到一個(gè)低阻抗網(wǎng)絡(luò)。此外,本網(wǎng)絡(luò)的多重短路環(huán)對(duì)磁場(chǎng)將起到衰減環(huán)路的作用,從而在信息系統(tǒng)的鄰近區(qū)域內(nèi)減弱初始磁場(chǎng)。3.7.2 進(jìn)入建筑物內(nèi)金屬導(dǎo)體的等電位連接進(jìn)入建筑物內(nèi)金屬導(dǎo)體,如埋地電力電纜,自來(lái)水管道,通信電纜,因此在該雷達(dá)站建筑物的首層,應(yīng)設(shè)專用接地的匯流排,對(duì)進(jìn)入建筑物的外來(lái)導(dǎo)體實(shí)行等電位連接，如圖六圖六 匯流排3.7.3 屋面雷達(dá)天線、大金屬物體的等電位連接在雷達(dá)站天面通常設(shè)有微波天線,通信鐵塔,UHF通信天線等.等電位的的連

13、接如圖七：圖七 屋面的等電位連接 3.8 共用接地技術(shù)：3.8.1 宜用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)為共用接地系統(tǒng)。如建筑物沒(méi)有達(dá)到基礎(chǔ)鋼筋地網(wǎng)或達(dá)不到要求時(shí)，宜在建筑物四周埋設(shè)人工垂直接地體和水平環(huán)形接地體，接地體的沖擊電阻一般不應(yīng)大于4歐。3.8.2 應(yīng)利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋作為自然接地體，重要的電子的接地電阻在當(dāng)?shù)赝寥离娮杪市∮?000·m時(shí)，宜在建筑物外大于5米處埋設(shè)環(huán)形人工接地網(wǎng)，該環(huán)形水平接地體宜在散水坡以外并在不同的方向用四根以上40×40的鍍鋅扁鋼或大于等于12鍍鋅圓鋼與建筑物基礎(chǔ)鋼筋焊接，此時(shí)共用接地電阻可適當(dāng)放寬。圖八 雷達(dá)站進(jìn)行等電位連接和接地示意圖3.8.3

14、埋于土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼，鋼管，圓鋼或接地模塊，埋于土壤中的人工水平接地體宜采用扁鋼、圓鋼。圓鋼的直徑不應(yīng)小于10mm，扁鋼截面積不應(yīng)小于100mm,其厚度不應(yīng)小于4mm,角鋼不應(yīng)小于L40×40×4，鋼管壁厚不應(yīng)小于3.5mm,人工垂直接地體的長(zhǎng)度宜為22.5m.人工垂直接地體之間的距離應(yīng)大于接地體本身長(zhǎng)度的2倍，人工水平接地體之間的距離宜為5m。當(dāng)受到環(huán)境條件限制時(shí)可適當(dāng)減少。人工接地在土壤中的深度不應(yīng)小于0.5m,接地體應(yīng)遠(yuǎn)離由于磚窯、煙道等高溫影響土壤電阻率升高的地方。雷達(dá)站進(jìn)行等電位連接和接地如圖八所示。3.9 綜合布線為了防止遭到雷擊時(shí)產(chǎn)生的雷電脈沖

15、耦合到線纜中，傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備內(nèi)而毀壞設(shè)備，在布線時(shí)應(yīng)采用合理的布線原則，不同的線纜間應(yīng)有一個(gè)安全的距離。3.10 雷達(dá)站浪涌保護(hù)器SPD的選擇與安裝：如圖九所示圖九 雷達(dá)站浪涌保護(hù)器SPD的選擇與安裝3.10.1 在低壓配電線路中，當(dāng)變電所與雷達(dá)站合一時(shí)，必須采用TN-S系統(tǒng)，當(dāng)分設(shè)兩處時(shí)，宜采用TN-C-S接地系統(tǒng)。在不同的供電系統(tǒng)中SPD安裝的數(shù)量類型不同。在不同等級(jí)的雷達(dá)站安裝的保護(hù)級(jí)數(shù)也不同。3.10.2，選擇的原則：不同等級(jí)的雷達(dá)站SPD參數(shù)選擇應(yīng)有所不同，如果是架空電源線路進(jìn)入雷達(dá)塔樓的SPD1 宜選擇I級(jí)分類試驗(yàn)用沖擊電流通過(guò)幅值電流4010KA（10/350s波形）的開(kāi)關(guān)型SP

16、D，也可選擇100-60kA(8/20s波形)的限壓型SPD；SPD2宜選用6020KA（8/20s波形）的限壓型SPD；SPD3宜選用2010KA（8/20s波形）的限壓型SPD；SPD4為精細(xì)保護(hù)，主要是在強(qiáng)雷暴區(qū)需要對(duì)微電子設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行精保護(hù)時(shí)才安裝，一般宜選用105KA（8/20s波形）的限壓型SPD。各級(jí)SPD的標(biāo)稱導(dǎo)稱電壓Un從1級(jí)到4級(jí)應(yīng)選擇一個(gè)合適的梯度，SPD連接導(dǎo)線應(yīng)短而直。SPD連接導(dǎo)線不宜大于0.5m,當(dāng)SPD1 和SPD2的線距長(zhǎng)度小于10m,SPD2和SPD3的線距長(zhǎng)度小于5m時(shí)，在兩SPD之間應(yīng)加退耦裝置。為防止SPD老化作成短路。SPD安裝線路上應(yīng)有過(guò)電壓保護(hù)裝置，宜選用有劣化顯示功能的SPD。3.11 其他附屬裝置防護(hù)3.11.1雷達(dá)天線頂部的航空障礙燈應(yīng)使用屏蔽電纜供電，屏蔽層兩端應(yīng)做等電位連接，供電線路上應(yīng)安裝SPD。3.11.2 雷達(dá)站建筑物外部安裝的裝飾用射燈，墻角燈，輪廓燈，彩燈等的電