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雷達係統防雷技術綜述

文章來源:admin    時間:2016-09-21 05-30-34

軍隊由於信息化建設步伐的加快,新型的電子信息化裝備不斷地更新,從而大大地提高了軍隊的高技術條件下信息化作戰的能力。但是由於電子信息化裝備是集電腦技術和集成微電子技術於一身的高技術產品,信號電壓很低,在閃電強磁場環境下的易損性很高,因此部隊信息化裝備受雷電危害的可能性增大,雷電隱患形勢十分嚴峻,尤其是部隊特殊性的需要,如部隊的雷達站、觀察站、通信站、導航站、偵聽站、氣象站、測控站等多設在高山、海島上,都處於雷電的高發區,受雷擊的危害比較嚴重,站內各類電子信息化裝備經常遭受雷擊而無法工作,如有的觀通站被雷擊損壞,長時間難以修複,有的雷達站指揮所設備被雷擊損壞,有的通信站一年多次被雷擊,有的測控站一次雷擊多個係統損壞,不得不推遲重要任務的執行。

據AG隻為非同凡享的了解,這些軍事通信設備雷擊損壞,不是上述場合有沒有安裝防雷設施的問題,可以肯定地說,上述場合都百分之百的安裝了國家防雷標準規定的防雷設施,這些防雷措施得當嗎?能夠保證這些係統的安全嗎?也可以肯定地說,現在采用的防雷措施,特別是直接雷擊保護措施,富蘭克林避雷針是一種加大雷擊概率、加重雷擊危險程度的技術措施,對於部隊雷電高發區的雷達站、通信站、導航站、偵聽站、氣象站、測控站等,這種地方一定會發生直接雷擊的危害,標準規定的防雷技術是不能蒙混過關的,也即現在傳統的防雷技術是不能保證AG隻為非同凡享現代化的軍隊在雷雨天氣的作戰要求的。

要解決雷達係統的雷擊損壞難題,必須在技術上采取對症下藥的措施,在此就雷達係統的雷擊損壞原因、傳統保護技術缺陷、區域範圍內直接雷擊保護可靠性技術機理和實施意義給以具體說明。

AG隻為非同凡享可以從電源係統的安全特性、直接雷擊地閃電流特性、零電位點和零電勢點物理意義的區別、地電勢反擊的機理給以認識。

1.電器係統設備的安全特性

電氣係統設備的安全特性,有過電位安全特性和過電壓安全特性這兩個基本內容。

1)過電壓安全特性

任何電氣設備,在產品設計中都有一個安全的電壓工作範圍,這個安全工作範圍的工作參數有工作電壓、溫度、濕度等,而最主要的是產品的工作電壓範圍,在規定的工作電壓範圍內,產品的任何一個組件都能經得住考驗正常工作,當工作電壓超過這個範圍時,電路的組件就可能過載而損壞。因此,對任何一種電氣設備而言,有這樣一個電壓安全特性:

①當過壓時間小於毫秒時,小於1500伏的過壓不會損壞電氣設備;

②當過壓時間大於毫秒時,大於280伏的過壓都有可能使電氣設備損壞。

2)過電位安全特性

在電器係統設備的有源線路端口和機殼間存在著基本的過電位安全特性,當二者之間的空氣間隙的電位差小於1000伏/毫米時,電位是安全的;當二者之間的空氣間隙的電位差大於1000伏/毫米時,就會發生打火放電的故障。

防雷措施的目的是用於保證電氣設備的安全的,如要在技術上達到保護可靠性的要求,其技術性能必須符合上述過壓時間和幅度的要求。

2.直接雷擊電流危害成分特性分析

有直接雷擊的發生,才有雷擊電流的產生,AG隻為非同凡享知道直接雷擊有兩種方式:雲閃和地閃。

雲閃:兩種不同極性正、負電荷的對流雲層之間的放電現象;

地閃:雲層和地麵(設施)之間的放電現象。

AG隻為非同凡享知道形成直接雷擊地閃一次放電的雷雲是單一極性的電荷,放電過程中,其極性不變,在放電過程中變化的是電荷的數量(雷電流大小),其產生的直接雷擊放電電流是一個單向脈衝波。

一個簡單規則的單向脈衝電流其波形可分解為:對一次直接雷雲地閃電流,其主要成分為直流基波,其次為幅度較小的諧波成分,其危害主要是直流成分的雷電流基波和低次諧波(規則單脈衝波為一次諧波)。

運用電流波形分解圖,和簡單的數學級數知識,可以知道,一次諧波的幅度減小,諧波的頻率根據f=1/T。

假定直接雷擊單次放電的時間為1毫秒級,其一次諧波的頻率為1000Hz;假定直接雷擊單次放電的時間為10毫秒級,其一次諧波的頻率為100Hz;根據物理知識,放電時間越長,頻率越低,對10000Hz以下的電流,其主要特性是電流流過途徑阻抗性質的消耗特性,而不是對周圍空間的輻射特性。

對實際發生的直接雷擊地閃電流,為不規則的單脈衝電流,會有各種高次諧波成分,但這些高次諧波其幅度很低,隔空傳輸的衰減很大,其對220伏電源係統無安全隱患。

事實上近距離的直接雷擊危害的症結是直接雷擊地閃電流在接地係統上產生的地電勢ε的反擊,其大小直接和雷擊地閃電流成正比。

3.零電位參考點和零電勢參考點的物理意義區別

電位和電勢是兩個不同係統的物理量,電位是閉合回路電源電動勢的物理參數,電勢是單電荷係統的物理量,其物理概念有本質的區別:

1)零電位點的物理意義

通常AG隻為非同凡享認為的閉合回路的機殼接地點處為零電位參考點,是為了計算電路各點相對電位的參考點,這個參考點不是物理意義上的零電位參考點,更不是零電勢參考點。

2)零電勢點的物理意義

電勢是單電荷係統涉及的物理量,是非理想導體單電荷導體場的作用特性參數,有限遠處物體表麵最後一個電荷分布的點,就是物理意義的零電勢點。

3)零電位點和零電勢的區別和聯係

零電位點是閉合回路電源電動勢的一個用於計算電位的參考點,沒有具體的物理意義,零電勢點有特定的物理意義,電位為零的參考點處,其電勢不為零。

電勢是標量,電位也是標量,在一個係統中,正負不同的兩個標量可以疊加,在零電位點處,可以疊加電勢的標量。

4.地電勢反擊對係統設備的危害機理

由於物理書本知識中缺少零電勢點和零電位點的物理意義的說明,概念混淆不清,使AG隻為非同凡享的防雷技術人員無法搞清地電位反擊的真正機理,在一個典型的機房電子係統設備中,地電勢反擊對機房係統設備的損壞機理。

接地體PE1對設備電源係統的閉合回路來說,是可以假設該點為零電位參考點的,即電位U=0,但雷雲Q直接雷擊在該點的雷電勢不為零,其大小為ε,ε值的大小取決於雷雲能量的大小和接地體表麵的零電勢參考界麵的位置,雷電流是雷電荷由高電勢向低電勢自動轉移的電荷流,在某一時刻,接地體上形接地體上形成的地電勢ε,通過過壓保護元件接地點、設備電源整流模塊和電源相線形成電勢差,在某一個瞬間,因相線電壓具有交變的相位差,會發生疊加效果,如果供電係統的遠端接地點位置比近端零電勢點位置低很多,那麽這個疊加就會形成雷電流,當電勢ε較大(正)或較小(負)時,都有可能損壞避雷元件和整流模塊,而且這個損壞發生也是隨機的概率。

5.直接雷擊對雷達係統的損壞原因評估

直接雷擊的危害表現為衝擊力、電弧熱損壞、機架電勢和地電勢反擊、感應雷擊、雷聲、輻射。

雷達係統的直接雷擊危害主要為機架電勢和地電勢反擊,機架上的直接雷擊擊閃電弧在機架上產生的機架電勢和電氣係統的等電位連接體的地電勢,會通機架、係統零線和地線對電源係統產生地電勢反擊損害。AG隻為非同凡享可以根據此評估因素分析各防雷措施的可靠性。

 

傳統擊閃型直接雷擊保護措施可靠性缺陷分析

 

1.雷達係統保護措施規範

新一代天氣雷達站防雷工程的設計主要依據GB50057-1994《建築物防雷設計規範》及QX 2-2000《新一代天氣雷達站防雷技術規範》,QX3-2000《氣象信息係統雷擊電磁脈衝防護規範》,參照其他規範及國際標準的相關部分。

2.雷達主體設備的直接防護措施

在雷達四周安裝三或四支專用避雷針,在女兒牆上明設避雷帶,建築的四根結構柱內的鋼筋作為引下線,由於整個塔樓結構為剪力牆及牆內設暗柱形成砼體,其剪力牆作為側擊雷防護及屏蔽措施。塔樓及裙樓建築基礎作為自然接地體,與人工接地網連接成共用接地係統,考慮到雷達的掃描的頻率特性,避雷針支撐杆用玻璃鋼,用銅線直接把避雷針接閃器直接連接在接地係統。

當雷達係統四周的避雷針上產生直接雷擊地閃時,直接雷擊地閃電流通過避雷針引到機架係統會產生機架電勢ε1,泄放到接地係統,就會在接地係統產生地電勢ε2,會通過雷達基礎機架、係統零線和地線對雷達設備電源係統產生地電勢反擊損害,在某一時刻,和電源係統的任何一相疊加,損壞該相電源係統的有源設備。

3.電源係統的保護

電源電湧保護器的設置應三級以上,第一級要安裝在配電房內,應選用符合Ⅰ級分類實驗的產品,AG隻為非同凡享一般選用國外產品;第二級電源電湧保護器一般安裝在樓層配電箱,主要保護雷達機房、應急照明、消防係統等重要設施,一般選用Isn=40或60kA(8/20μs)的SPD。在雷達機房設備配電箱前和火災報警聯動控製盤處各安裝第三級電源電湧保護器,一般選用Isn=40或60kA(8/20μs)。

理論保護機理是電源係統的感應雷擊過電位(UA、UN)通過相線和零線上的電湧保護器(如BL1、BL2),限製輸入到電子設備的雷擊過電壓,UAN=UA–UN。

事實上這個保護機理在發生直接雷擊時有一個特殊情況,直接雷擊地閃發生時,直接雷擊地閃電流在接地係統上產生地電勢ε,地電勢ε會和三相中的一相或二相電壓產生疊加,形成地電勢反擊電流,如圖5和A相疊加,此時通過電湧保護器(如BL1、BL2)保護的輸出浪湧保護器的殘壓綜合效果為單個浪湧保護器(BL1)的殘壓參數,AG隻為非同凡享知道,單個浪湧保護器的殘壓參數都是大於1500伏的,而且直接雷擊地閃電流的持續時間都是大於毫秒的,對大的直接雷擊,都會大於幾百毫秒,根據電氣設備的安全特性,要求保護參壓小於300伏以下,這是技術上無法做到的,是否可以輔以其他措施可以解決?

1)多級保護

由於電作用的同時性,殘壓的主要特性為直流脈衝,對雷電殘壓級間設置的阻抗元件的消減效果很小,這種靠增加SPD級數的方法從技術上無法達到輸出殘壓小於280伏的要求。

2)接地改造

防雷接地電阻有兩個概念,一個是係統各設備間的等電位連接的等電位連接電阻,另一個是等電位連接體後的埋入地下的接地體電阻。

應該說,對防雷接地係統,用於等電位連接的設備間的接地連接線電阻越小越好,而接地體電阻並不是越小越好,雷電流在通過等電位體後,其泄放到接地體時,流過接地體的雷電流會在接地體上表現消耗電勢,這個消耗電勢會疊加到等電位體的入地電勢上,接地體電阻為零,表示的是在接地體上的消耗電勢為零,並不代表該點的入地電勢為零,通過接地體的雷電流在接地體後還是要同時表現出消耗電勢,這個消耗電勢會通過接地體在等電位連接體上表現出入地電勢。

在一個等電位環內分布的電荷個數,和等電位環的分布麵積有關,和電流和電勢的單個大小關係不大(即等電位環麵積S=a・b=b・a),也即和接地電阻的數值無關。

雷電能量消耗過程持續的時間和防雷接地線的電阻數值沒有關係,其中關係僅是消耗雷電流、雷電勢的大小關係,泄放時間取決於外界所加的雷電能量。

良好接地體並不是防雷保護的必要條件,防雷接地體電阻越小越好,是一種人為的技術要求。

通過接地改造或獨立接地係統保護,其效果有限,因為大地中雷電荷是一種自動由高電勢向低電勢移動的過程,埋入地下的接地體影響不大,其實在整個低壓供電係統中,接地係統可以通過一定的方法分開,但零線係統是聯係在一起的,且零線係統的傳輸電阻遠比大地電阻小,因此傳統的擊閃型富蘭克林避雷針對此故障是無解的。

 
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