雷达站的雷击电磁脉冲防护

The Protection against LEMP at Radar Station

徐迁岐
Xu-Qianqi

（天津市防雷中心 天津300074 ）

提要：本文从工程的角度对雷达站雷击电磁脉冲的防护进行了分析并提供了设计方法。

雷达系统是集高频微电子技术、计算机技术、自动控制技术、微波技术、通信技术为一体的高科技电子设备。现代雷达设备大量采用大规模、超大规模集成电路芯片及微波电子器件杉树器件构成的板、卡工作电压低，极容易受到雷电电磁脉冲和浪涌电压的干扰以破坏。
　　另外无论是军用警戒雷达、搜索雷达还是民用航空导航雷达，军用和民用气象雷达大都安装在高山、高层建筑的顶端或是空旷地带，一般全天候不间断运行，越是雷雨天气越要开机运行，它是最容易遭受雷电灾害的精密电子设备。因此做好雷达站的防雷保护具有重大的社会效益和经济效益。

一、雷达天线的防护

在安装雷达天线基座的平台上，应安装避雷针接闪。避雷针高度用滚球法计算确定，以使雷达天线和平台处于LPZ0_B 区内。每支避雷针必须与建筑物主钢筋电气连接。连接导体应使用4mm×40mm镀锌扁钢或Φ12镀锌圆钢。当雷达天线基座的平台高度较低时，可在地面架设独立避雷针或架空避雷线接闪。位于高山的雷达站宜根据环境情况设置水平接闪器防止自下而上的雷击。
　　引下线宜采用雷达站建筑物外墙主钢筋，在雷达天线平台的女儿墙上应留出四组以上150mm-200mm长的钢筋头，同时将平台环形水平避雷带或金属栏杆与之电气连接。避雷针、架空避雷线的金属支撑杆和平台上所有金属组件含雷达天线基础内的金属构件均应与避雷带电气连接。
　　为降低避雷针高度以方便施工，可采用架空避雷线的方法进行接闪。
　　为减少避雷针或架空避雷线金属支撑杆对雷达工作的影响，避雷针杆或架空避雷线金属支撑杆应在雷达天线仰角零度下边缘以上使用一段高强度玻璃钢管代替金属杆，玻璃钢管的壁厚一般不应小于6mm，其内使用截面积不小于50mm²多股铜线实现接闪器与金属支撑杆的电气连接。接闪器的避雷针长度不小于1m，使用圆钢的直径不应小于16mm，使用钢管的直径不应小于25mm。

二、电缆与波导管的防护

雷达天线接到机房的所有电缆宜敷设在金属屏蔽槽（管）内，金属屏蔽槽（管）和波导管在穿经每一层楼时应与该层等电位连接带电气连接。金属屏蔽槽（管）首尾应电气贯通。

三、雷达机房的防护

机房必须采取电磁屏蔽措施，为防雷击电磁干扰，所有线缆均应敷设在金属屏蔽槽（管）内，并多次进行等电位连接后进入主机房。在建筑物设计、施工时应预留穿管用的孔洞。
　　雷达主机房和控制室的外墙的钢筋宜适当加密，钢筋网孔不宜大于200mm×200mm的金属网。金属门和网与建筑物内的主钢筋应作可靠电气连接。
　　雷达主机房和控制室内的设备距外墙及梁柱的距离一般不应小于1000mm。
　　机房的综合布线系统与其他干扰源的间距，见下表。

综合布线电缆与电力电缆的间距

类别

与综合布线接近状况

最小净距

380v电力电缆
<2kv.A

与缆线平行敷设

130

有一方接地金属线槽或钢管中

70

双方都在接地金属线槽或钢管中

10

380v电力电缆
2-5kv.A

与缆线平行敷设

300

有一方接地金属线槽或钢管中

150

双方都在接地金属线槽或钢管中

80

380v电力电缆
>5kv.A

与缆线平行敷设

600

有一方接地金属线槽或钢管中

300

双方都在接地金属线槽或钢管中

150

注：1．当380v电力电缆<2kv.A。双方都在接地线槽中,且平行长度≤10m时,最小间距可以是10mm。
　　2．电话用户存在振铃电流时，不能与计算机网络在同一根对绞电缆中一起运用。
　　3．双方都在接地的线槽中，系指两个不同的线槽，也可在同一线槽中用金属板隔开。

　　　　墙上敷设的综合布线电缆、光缆及管线与其他管线的间距

其他管线

最小平行净距（mm）

最小交叉净距（mm）

电缆、光缆或管线

电缆、光缆或管线

避雷引下线

1000

300

保护地线

50

20

给水管

150

20

压缩空气管

150

20

热力管（不包封）

500

500

热力管（包封）

300

300

煤气管

300

20

注：如墙壁电缆敷设高度超过6000mm时，与避雷引下线的交叉净距应按下式计算：S≥0.05L

式中 S──交叉净距（mm）； L──交叉处避雷引下线距地面的高度（mm）。

四、传输系统的保护

　　雷达数据传输线路采用有线工作方式时，其线缆宜采用屏蔽电缆或穿金属管埋地引入。在线缆与MODEM之间应安装SPD。雷达数据传输线路采用无线传输方式时，传输设备天馈线应在LPZ0区与LPZ1区交界处穿金属管屏蔽接地引入。在天馈线的发射设备端和接收设备端应安装天馈SPD。
　　进入主机房的电话线宜穿金属管屏蔽埋地引入，并应在接线盒前端的电话组线箱内安装电话线SPD。雷达数据信号经由同轴电缆或双绞线上网时，应在同轴电缆或双绞线上安装SPD，双绞线宜穿管屏蔽等电位连接后引入。使用含有金属部件的光缆传输时，应在光缆的终端将金属部件直接或通过开关型SPD接到等电位连接带上。数据传输线路上安装SPD，其接口、传输速率、特性阻抗、驻波比、插入损耗、频带宽度等性能指标均能满足传输性能的要求。

五、资料处理系统的防护

进入资料处理系统机房的线缆应穿金属管屏蔽并可靠连通，其两端应作等电位连接。资料处理系统机房内应设等电位连接带，机柜金属外壳、线缆金属屏蔽层和其他金属物体以及SPD均应就近与等电位连接带连接。
　　资料处理系统上网时，应在网络连接线出口加装SPD。

六、供电系统的防护

雷达站低压供电应选用TN-S或TN-C-S系统。位于高山的雷达站在使用架空高压线供电时，可参照电力行业标准在10kv级以上高压线上架设避雷线、接户线距低压线路接地点50m以内采取多点接地和在靠近变压器处加装避雷器。有条件时，宜在进入变压器前50m使用埋地电缆引入。低压线路宜全线采用屏蔽电缆直接埋地敷设或穿金属管埋地敷设。
　　低压配电线路中，当变电所与雷达站合一时，必须采用TN-S系统，当分设两处时，宜采用TN-C-S系统。在不同供电系统中SPD安装的类型和数量不同，SPD分为电压开关型、电压限制性和混合型。
　　1．一等雷电防护雷达站应安装3-4级SPD进行多重保护。SPD额定泄放电流和波形应为：
　　SPD₁：安装在电源总配电柜上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于40KA的开关型SPD（10/350μs）；
　　SPD₂：安装在雷达站建筑物配电盘上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于40kA的限压型和混合型的SPD。（8/20μs）
　　SPD₃：分别安装在雷达主机房和控制室的分配电盘上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于10KA的限压型SPD（8/20μs）
　　在计算机设备前端可采用响应时间更快的SPD进行精细保护。
　　2．二等雷电防护雷达站应安装3级SPD进行多重保护，SPD额定泄放电流和波形应为：
　　SPD₁：安装在电源总配电柜上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于20KA的开关型SPD（10/350μs）；
　　SPD₂：安装雷达站建筑物配电盘上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于20KA的限压型和混合型SPD（8/20μs）；
　　SPD₃：分别安装在雷达主机房和控制室分配电盘上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于10KA的限压型级SPD（8/20μs）；
　　3．三等雷电防护雷达应安装3级SPD进行多重保护，SPD额定泄放电流和波形应为：
　　SPD₁：安装在电源总配电柜上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于10KA的开关型SPD（10/350μs）；
　　SPD₂：安装在雷达站建筑物配电盘上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于20kA的限压型和混合型的SPD。（8/20μs）；
　　SPD₃：分别安装在雷达主机房和控制室分配电盘上，宜选用每条相线和中性线上每个SPD额定泄放电流不小于10KA的限压型SPD（8/20μs）；
　　雷达天线伺服控制电缆的两端均应加装额定泄放电流不小于5KA，响应时间不大于10ns的SPD。在雷达传输系统和雷达处理系统的供电线路前端应加装SPD进行保护，如该系统与主机房控制室使用同一分配电盘供电，可不重复加装SPD。
　　开关型SPD的响应时间不大于100ns，残压不应大于4KV；限压型SPD响应时间不大于50ns，残压不应大于1.5KV；SPD₃的响应时间不应大于25ns,其残压不应大于设备额定电压的1.5--2.2倍。
　　为加装SPD进行电涌防护，总配电柜、配电盘和分配电盘上均应留出安装SPD的空间。SPD接至等电位连接带的导线要短而直，长度一般不大于0.5m。当SPD₁至 SPD₂线距长度小于10m时，SPD₂至SPD₃的线距小于5m时，在SPD之间应加装退耦装置。为防止SPD老化造成短路，SPD安装线路上应有过电流保护器件，宜选用有劣化显示功能的SPD。
　　在应选用符合I级分类试验的电压开关型SPD时，如使用符合II级分类试验的电压限制性SPD，其额定泄放电流应达到如下指标：
　　I_2sn＝17．5I_1sn
　　I_1sn——10／350μs波形试验的开关型SPD额定泄放电流；
　　I_2sn——8/20μs波形试验的限压性SPD额定泄放电流。
　　当电源线穿金属管屏蔽入户时，可将17．5的倍数降至5倍数选择使用II级分类试验的限压型SPD。

七、等电位连接与接地

　　将分开的设备各导电部分用等电位连接导体或SPD连接，应利用建筑物内主钢筋和所有金属构件的多重连接形成等电位连接网络。
　　所有进入金属雷达站的金属道管、信号电缆外屏蔽层、电力电线外铠均应在雷达站的入口处做等电位连接后与地网连接，并与建筑物组合在一起的大尺寸金属连接在一起，按GB50054--1995的要求做总等电位连接。进行总等电位连接之后，应在后续的雷电防护区的交界处，进行局部等电位连接。连接主体应包含雷达系统装置本身(含外露导电部分)，电源线(PE线)，信号线缆和防静电金属地板等。
　　雷达主机房和控制室内的PE线、直流地、屏蔽地、保护地和SPD接地均应与建筑物主钢筋连接的等电位连接带可靠电气连接。
　　应利用雷达站建筑物的基础钢筋网作为自然接地体，该接地体的冲击接地电阻值在当地土壤电阻率小于100Ω．m时，不应大于1Ω；土壤电阻率大于100Ω．m小于300Ω．m时，不应大于2Ω；在大于300Ω．m小于1000Ω．m时，不应大于4Ω。当雷达站所在地土壤电阻率大于1000Ω．m时，应在建筑物外埋设人工辅助接地网。该环形水平接地体距建筑物的距离不应小于5m，并在不同方向用4根以上扁钢与建筑物基础钢筋网焊接，此时共用接地系统的接地电阻值可适当放宽。

八、雷达站建筑结构防雷设计、施工要求

　　8.1雷达站的防雷设计、施工应与雷达站基建设计、施工同步进行。
　　8.2 应充分利用雷达站建筑物内金属构件的多重连接实现等电位连接。凡已明确需要作等电位连接的部位，都应预先设计等电位连接并施工，还应从建筑物结构主钢筋上引出等电位连接预留件备用。预留件宜从建筑物中心部位结构主钢筋引出，连接导体的最小截面不应小于下表的要求。
　　8.3雷达站主机房的门和窗处，应在门窗安装之前从建筑物结构引出等电位预留件备用。使用金属材料在门、窗处进行屏蔽时可与此预留件电气连接。连接导体的最小截面不应小于下表的要求。
　　8.4在雷达站建筑物设计施工时，宜在安装雷达天线基座的平台上预留出间距相等的2-4至独立避雷针的基础。其与雷达天线罩的水平距离不应小于3m。

连接等电位连接带或将其连接到接地装置的导体最小截面

　

总等电位连接处
LPZ0_B以LPZO1交界处

局部等电位连接处
LPZ1以LPZ2交界处及以下交界处

铜材

16mm²

6mm²

钢材

50mm²

16mm²

注：等电位连接带使用铜或钢板的最小截面不小于50mm²