卫星地球站电子设备防雷探讨

　　1、卫星通信简述

　　卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是:通信范围大;只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信;不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通信(多址特点);电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。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）在雷击时损坏，中间和左边的2个Ku波段天线高频设备在另雷击时被损坏。下面对雷电产生和防雷进行探讨。防雷的目的在于保护地球站内易受雷击损坏的设备，因此有效的防雷措施尤为重要。避雷针位于雷电防护的前端，以便在雷击放电时形成保护。但为了避免感应雷电的破坏，应制定完整的防雷计划，包括系统接地、互连、搭接、屏蔽以及浪涌抑制等。

　　图1 先后雷击坏某卫星站高频电子设备的天线

　　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

　　雷电是由雷云（带电的云层）对地面建筑物及大地的自然放电引起的，它会对建筑物或设备产生严重破坏。因此，对雷电的形成过程及其放电条件应有所了解，从而采取适当的措施，保护建筑物不受雷击。

　　在天气闷热潮湿的时候，地面上的水受热变为蒸汽，并且随地面的受热空气而上升，在空中与冷空气相遇，使上升的水蒸汽凝结成小水滴，形成积云。云中水滴受强烈气流吹袭，分裂为一些小水滴和大水滴，较大的水滴带正电荷，小水滴带负电荷。细微的水滴随风聚集形成了带负电的雷云；带正电的较大水滴常常向地面降落而形成雨，或悬浮在空中。由于静电感应，带负电的雷云，在大地表面感应有正电荷。这样雷云与大地间形成了一个大的电容器。当电场强度很大，超过大气的击穿强度时，即发生了雷云与大地间的放电，就是一般所说的雷击。

　　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”。是用来保护建筑物等避免雷击的装置。在高大建筑物顶端安装一个金属棒，用金属线与埋在地下的一块金属板连接起来，利用金属棒的放电，使云层所带的电和地上的电逐渐中和，从而不会引发事故。避雷针规格必须符合GB标准，每一个级别的防雷需要的避雷针规格都不一样。

　　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，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。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。