卫星通信地球站防雷击解决方案

 以麦克斯韦电磁场理论为基础，对某卫星通信地球站天馈线中心体中的高频电子设备多次被雷击坏进行了分析，并提出了卫星通信地球站防雷系统是一个系统工程，应采取综合防雷措施。对某卫星站防雷击提起出了简单的雷击解决方案。
关键词  卫星地球站  电子设备  防雷

1、 卫星通信简述
 卫星通信是以人造卫星为中继站的无线电通信。它工作于微波波段。卫星通信已成为重要的现代化的通信手段，在国内外获得了广泛的应用。美国在海湾战争期间，采用卫星通信处理美军战区约90%的通信业务。卫星通信的优点是通信距离远，建站成本与通信距离无关，以广播方式工作，便于实现多址联接，通信容量大，能传送的业务类型多，性能稳定可靠，不受地理条件限制，灵活机动等特点。我国的卫星通信发展迅速，固定式卫星通信地球站，车载式卫星通信地球站，便携式卫星通信地球站，移动卫星通信地球站等等大量应用于国内军用民用卫星通信网中。随着卫星通信技术的发展和卫星通信业务的需求，国内卫星通信已从单一的C波段发展为C、UHF、Ku多波段的卫星通信。在抗震救灾中，便携式卫星通信地球站，移动卫星通信地球站充分发挥了它的作用。本文仅对地面某固定卫星通信地球站防雷问题进行探讨。

2、 某卫星站电子设备多次被雷击坏
某卫星通信地球站机房楼顶架了避雷针，离地高度约27米，以保护机房通信设备。天线场并排架了三座铁塔避雷针，离地约32米。以保护天线场的天线馈线系统级及天线尾部的高频设
           

               图1   先后雷击坏某卫星站高频电子设备的天线

备（低噪声放大器LNA和高功放HPA）。几年来，天馈系统的高频部分设备多次被雷击坏，不是在这部天线被击坏，就在另一部天线被击坏。为什么约32米高的铁塔避雷针却不能使2—5米高的高频电子设备避雷而被雷电击坏呢？先后被雷电击坏的某卫星站高频电子设备的天线如图1所示。图1中右边C波段天线尾部中心体内的2个低噪声放大器（LNA）在一次雷击时损坏，中间和左边的2个Ku波段天线高频设备在另一次雷击时被损坏。下面对雷电产生和防雷进行探讨。

 

3、 雷电
3．1闪电是速变电磁场
对闪电有几种观点，一种认为是恒压电路，另一种认为是恒流电路，第三种认为是速变电磁场，它辐射的电磁波极宽，包括比微波频率更高的光波。笔者比较认同第三种观点，即闪电是一种速变电磁场。闪电的电磁场能量转变为光能、声能和电磁场中物体的热能。
3．2 雷电的形成
雷电的形成。由于大气空间场的作用下，云层分离从而带电。雷云中电荷的分布是不均匀的，形成多个堆积中心。不论在云中或云对地间，电场强度是不一致的，当云中电荷密集处的电场强度大到一定程度，就会由云开始先导放电，当先导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导，先导与迎面先导会合时，形成云到地面的电离通道。其为雷电的主放电阶段，伴有电闪雷鸣。该地物就遭到雷击。简单地说，当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便击穿空气，产生闪电现象，形成雷电。

4、避雷针
4．1 避雷针是引雷针
避雷针实际是引雷针。俄罗斯叫其为“接闪器”，美、英称为“导电针”。接受直击雷的防雷装置称为接闪器，例如：避雷带、避雷网、避雷线、法拉第笼等等。避雷针是接闪器的一种。避雷针的保护作用是拦截闪电，使闪电打在自已身上，从而使建筑物避免遭受直接雷击而受到保护。避雷针把雷电的能量沿铁塔或引下线安全地导入地中。避雷针的保护范围采用滚球法。避雷针的上部空间是其引雷空域，下部空间是其保护范围，使不直接遭受雷击。
4．2避雷针应用环境
4．2．1避雷针防雷不宜用在山区建筑物
在雷雨低于山头的坡地上往往产生侧向雷击。应采用避雷带或避雷网。
4．2．2避雷针防雷不宜用在高层建筑物
按防雷《规范》，避雷针高度大于60米，其滚球法保护范围已无效。高架避雷针上部有一段落可能自身受侧向雷击的空间（称为对针杆的侧击区）。高架避雷针引雷能力强，使得高架避雷针附近地面的落雷密度较该处平均落雷密度大，（称为雷电闪击区）。防雷应尽量采用避雷带或避雷网，只有天线等用短针防雷。
4．2．3避雷针宜用于平原地区矮小建筑物防雷
 
5、雷电感应高电压和和雷电电磁脉冲
 5．1雷电产生雷电感应高电压和和雷电电磁脉冲
避雷针可防直击雷，保护建筑物。但随着科学技术的发展，现在大量的使用电气、电子、微电子设备。 在打雷闪电时，在放电通道周围产生电磁感应、雷电电磁脉冲使电源线，信号传输线、天馈线等感应的雷电高电压通过这些线路造成放电，损坏电气、电子、微电子设备。
5．2防雷电感应用高电压和和雷电电磁脉冲采用浪涌保护器（SPD）。
浪涌保护器安装在电子设备的外连线路（电源线路、信号线路、天馈线路）中，将雷电过电压、过电流泄放入地，起到保护设备目的。防雷器件主要由放电间隙、放电管、高频二极管、压敏电阻、瞬态二极管、晶闸管高低通滤波器根据不同频率、功率、传输速率、阻抗、驻波、插损、带宽、电压、电流等要求，做成各系列浪涌保护器。
5．2．1 波导分流器型电子避雷器
传统避雷器在工作频率（F）、承受功率（W）、通流容量（I）三者之间不能兼顾、不可调和、互相制约。众所周知，雷电冲击波能量的99%以上分布在100KHz以下频域，而有用信号波的能量分布在几百仟赫以上频域，因此，完全可以用由集中或分布参数电路元件构成高低通滤波器组合网络（无源、互易网络）。将雷电波和有用信号分流，使雷电波入地，有用信号正常传输。

6、电子信息防雷系统必须有一个合格的接地网
接地系统有多种做法。比较好的一种是选用中光防雷公司的低电阻非金属接地模块。其优点是适合于高土壤电阻率的土壤，腐蚀性强的土壤，高寒地区冻土。西藏乃堆拉某哨所海拔4500米高，属高寒火山石地面，如图2所示。以前该地区多次做的电子设备或营房建筑的防雷地网，多的到960Ω，低的到180Ω。经多车泥土和降阻剂，最低的也只能做到53Ω。远达不到国家标准小于4Ω的要求。采用中光防雷公司低电阻非金属接地模块。经计算，用了60个模块。经用日本仪表4102型地阻仪测试，地网电阻由原来的53Ω降低至3.5Ω，达到了避雷针地网电阻小于10Ω，设备地网电阻小于4Ω的国家标准。攻克了西藏高海拔火山石质地面长期未能解决的防雷地网问题。

             

                  图2  海拔4500米西藏乃堆拉火山石质地面

7、综合防雷
近年来，雷电防护由富兰克林式的避雷针防直击雷，发展到综合防雷工程新阶段。电子信息防雷系统应该是一个综合防雷工程。由直击雷防护措施、等电位连措施、屏蔽措施、规范的综合布线、设计安装SPD、完善合理的接地系统。

 

8、雷击原因勘察探讨
根据前述综合防雷的六个要素，对雷击原因进行了勘查。并主要对防直击雷，防感应雷击和地网进行了重点勘查。地网电阻符合《规范》。三个高高的铁塔避雷针正常。配电房，主机房设备，天线场高功放设备正常。配电房进行了电源一级防雷，主机房进行了二级电源防雷，天线场高功放机房进行了三级电源防雷。被雷击坏的是2个KU波段天线的电子设备，其工作频率为12GHZ频段。经查，连接该电子设备的电源线路、信号线路、天馈线路都没有安装防感应雷击的避雷器件（即SPD）。避雷塔离传输电缆距离不到2米。
避雷针是一个接闪器，即引雷器。它可以防直击雷，但不能防感应雷击。良好的地网可以使雷电流经避雷针及塔或引下线进入地。闪电产生的雷电波是速变电磁场，会在信号线路、电源线路、天馈线路感应出过电压，传入线路两端的电子设备；变化的雷电流经避雷针塔或下引线入地时，会产生变化的感应电磁场，也会在信号线路、电源线路、天馈线路感应出过电压，传入线路两端的电子设备。如果上述线路两端电子设备不安装浪涌保护器，感应的过电压电流就会损坏电子设备。电子设备防雷，只安避雷针，不安装防感应雷击的防雷器件，是防不到雷击的。避雷针越高，越容易把远处的雷引过来，增加了感应雷击次数，又不装防感应雷击的器件，无异于把雷引过来打电子设备。因此，找电子设备防雷工程的设计单位和施工单位都应当是有设计资质和施工资质的单位。施工过程应严格监督把关，竣工时要严格验收。竣工后要检查维护。

9、结束语
综上所述，闪电的雷电波是速变电磁场。卫星地球站防雷系统应采取综合防雷措施。即直击雷防护措施、等电位连接措施、屏蔽措施、规范的综合布线、设计安装SPD、完善合理的接地系统。避雷针是引雷针，可防直击雷，但也把雷引过来，增加了电子设备的感应雷击次数，不安装防感应雷击器件，电子设备会更容易被雷击。防雷工程设计及施工应找有设计资质和有施工资质的单位。施工中应严格监督把关，竣工时应严格验收。某卫星站防雷系统应进行改造。防直击雷措施可进行适当改造。避雷塔的位置、高度和数量可从新计算和施工。天线场到室内设备的电源线、信号线、天馈线两端都应当增装防感应雷击的浪涌保护器。（祥细防雷改造成方案另文叙述）。