简述《机场雷达站》电子设备雷电及过电压防护

◆背景描述

雷电实际上是一个不断变化的高频电流，当它发生时其电流周围会产生相应频率的高频电磁场。雷电对现代电子设备的破坏主要是因为雷电电磁场通过空间辐射在周围金属线缆上产生的感应过电压脉冲通过传输线进入到建筑内，从而造成电子设备发生损坏。《机场雷达站》是电子设备集中使用的场所之一，由于雷电的功率强大、雷电发生的时间很短，因此雷电电磁脉冲对电子设备的破坏效果十分强大。为了《机场雷达站》电子设备正常的运行和保证航班的安全起降，在气象条件下有效地防止《机场雷达站》电子设备不受雷电的侵害，LPS防护装置系统是防护雷电侵害电子设备的有效途径之一。

◆挑战与需求

1、《机场雷达站》电子设备系统遭受雷害的途径

1）遭受雷害的途径：《机场雷达站》电子设备系统遭受雷害的途径有直击雷、反击和雷电电磁脉冲的侵害。

2）直击雷侵害途径：直击雷产生的电涌对《机场雷达站》电子设备系统的危害主要以其热效应、机械效应、反击电压和电磁感应使电子设备系统遭受破坏。

3）雷电侵入波途径：雷击的主要物理表征是雷电流和伴随雷电流脉冲产生的雷击电磁脉冲（LEMP），雷电流的波型是一个前沿非常陡、后沿较长、能量极高的脉冲电流波，由于《机场雷达站》电子设备的功率很高，机场雷达站周围空间的电磁场强度远远大于附近地区，造成机场雷达站周围空间空气的电离程度远远大于正常的强度，给雷电提供了一个良好的泄放通路，从而增加了雷击损坏电子设备的概率，机场雷达站电子设备耐过电压的能力都比较差，电子设备大部分通过各种传输线相互关联，在传输线上出现过电压时线缆连接设备的接口部分很容易直接受到感应而损坏。

4）地电位反击：《机场雷达站》电子设备系统的供电电源系统、微电子（信号）系统的电子设备工作电压等级多而不一，电子设备的地电阻值（工作接地、保护接地、防雷专用接地）技术参数要求也不同，在气象条件下直击雷产生的闪络现象形成的雷电流通过各自的接地系统造成了电压差使电子设备之间相互反击损坏设备。

2、《机场雷达站》电子设备系统防雷分类设计思想与防护措施

1）设计理念：雷电防护措施设计分为雷电流和雷击电磁脉冲对设备的雷击损害进行分项保护，对雷电流进行防护称为（LPS）雷电防护系统，对雷击电磁脉冲的防护称为LEMP雷电防护系统。

2）防护模式：采用LPS系统（是对极高能量的雷电流脉冲产生的损害，防止或减少实体的损害和人身伤害，LPS由外部LPS和内部LPS组成）和LEMP防护系统（是对剩余的雷电流脉冲和因LEMP感应产生的雷电流形成的浪涌和电磁场的辐射进行防护）两种防护模式。

3）地电位反击：均压和等电位连接是防地电位反击的有效方法，等电位连接是将设备和装置外露可导电部分的电位基本相等的电气连接，用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构物、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来，目的在于减小需要防雷的空间内各金属物与系统之间的电位差。

◆方案与解决

1、《机场雷达站》电子设备系统结构组成：

1）建筑物（体）直击雷; 2）电源系统（高、低压）配电装置; 3）电子信息设备系统（网络系统、监控系统、火灾报警装置、消防系统、通信系统）; 4）均压（等电位）装置;5）接地泄流系统

2、《机场雷达站》电子设备系统雷电防护内容：

1）直击雷装置; 2）雷电电磁脉冲防护装置; 3）均压（等电位）装置; 4）泄流装置

3、《机场雷达站》电子设备系统雷电及过电压防护措施采用规范标准和技术依据：

1）GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》：本规范适用于为使建筑物防雷设计因地制宜的采用防雷措施，防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失，做到安全可靠，技术先进，经济合理。

2）GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》：本规范主要对建筑物电子信息系统综合防雷工程的设计、施工、验收、维护与管理作出规定和要求。

3）GB50174-2008《电子计算机机房设计规范》：本规范适用于陆地上新建、改建和扩建的电子计算机机房的设计，为了使电子计算机机房确保电脑网络系统稳定可靠运行和保障机房安全使用，应符合现行有关标准规范的规定。

4）GB7450-87《电子设备雷击保护导则》：本导则论述了电子设备防雷击保护原则，供从事电子设备设计、生产及使用人员考虑设备质量、成本、人身安全时，将在电子设备上产生的雷电冲击限制到设备容许范围内提出技术要求，以达到GB3482－83《电子设备雷击试验方法》所规定的技术要求。本导则适用于与外线相联接的电子设备的雷击保护，对雷电直击设备不能提供保护。

5）GB50054-95《低压配电设计规范》：本规范适用于新建和扩建工程的交流、工频500V以下的低压配电设计。

6）GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》：计算机信息系统加装有效可靠的防雷保安器，是国际上通用的最有效的防护措施。防雷保安器是保证计算机信息系统安全的专用产品，因此它应符合本标准的技术要求、实验方法、检验规则、标志、包装、运输及储存，并能有效防止感应雷电破坏该系统受保护设备。

7）IEC1312《雷电电磁脉冲及其防护》：本标准为建筑物内或建筑物顶部信息系统有效的雷电防护系统的设计、安装、检查、维护，并对装有这些系统（如电子系统）的建筑物评估LEMP屏蔽措施的效率的方法。针对防雷器（SPD）应用在防雷区概念安装上提出相关要求。

8）QX 2-2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》：本标准规定了新一代天气雷达站的防护原则、雷电防护区及防护等级的划分、雷达站建筑结构防雷设计及施工要求、雷达站各装置的防护措施等。

9）FAA-STD-019D《设施和电子设备的雷电及浪涌防护、接地、等电位连接及屏蔽要求》：

本标准是提供系统性的雷电（在新建、改建、升级、新设备安装等工程中，用来规范雷击保护、瞬变保护、静电放电保护、接地、等电位连接、屏蔽处理的配置和实施程序的强制性标准）防护方法，最大限度地降低由雷击、电涌、静电放电、电源失效可能导致的人身伤害、电磁干扰和对设施设备的损坏。

10）《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》：本标准规定了民用航空通信、导航、监视地面设施的雷电防护原则、雷电防护分区及防护等级划分、综合防雷保护措施、施工、维护管理要求。

4、《机场雷达站》电子设备系统雷电及过电压防护措施设计与施工原则：

1）设计原则：综合以上规范标准内容进行实际对比，《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》是采用了GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》、GB50174-2008《电子计算机机房设计规范》、GB50054-95《低压配电设计规范》，参考了GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》和IEC1312《雷电电磁脉冲及其防护》、FAA-STD-019D《设施和电子设备的雷电及浪涌防护、接地、等电位连接及屏蔽要求》的有关标准及相关材料，根据民用航空通信、导航、监视地面设施的特殊要求而制定的。《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》的要求是行业性的，更细致更具体，对民航工程更具有明确的指导性。因此，《机场雷达站》电子设备系统雷电及过电压防护措施的设计将主要依据此规范的要求为设计原则，结合《机场雷达站》电子设备及防雷装置实际情况来制定《机场雷达站》电子设备雷电及过电压防护方案。

2）施工原则：电子设备是《机场雷达站》集中使用的地方之一，雷击灾害特别是感应雷击灾害对电子设备带来的危害性无处不在，雷击灾害直接影响到《机场雷达站》电子设备系统的正常工作，完善的雷电防护装置方案设计是防雷保护措施的基石，高质量的防雷施工是体现防雷设计的要求和达到防雷效果的保证。防雷工程施工中将依据这些标准、规定和设计要求为施工原则进行防雷工程的施工。

5、《机场雷达站》电子设备系统雷电及过电压防护措施具体内容：

1）《雷达站》机房及天线的直击雷防护

2）《雷达站》设备电源系统及障碍灯电源的防雷保护

3）《雷达站》电子信息设备系统（网络系统、监控系统、火灾报警装置、消防系统、通信及电话线路系统、MODEM、232串口、天馈信号系统）防雷保护

4）《雷达站》等电位连接装置

5）《雷达站》接地网络装置

6、《机场雷达站》电子设备系统雷电及过电压防护措施设计方案：

☆设计方案中心内容：雷电接闪、限压保护、等电位连接、屏蔽、接地系统。

1）《雷达站》机房及天线直击雷防护设计方案：雷达站机房建筑物直击雷防护应符合建筑物防雷标准GB50057-2010第4.2.1条、第4.2.4条、第4.3.1条、第4.4.1条、第4.4.8条、第4.5.2条技术要求。天线系统设备直击雷防护依据建筑物防雷标准GB50057-2010《附录D：滚球法确定接闪器的保护范围》第D.0.2条技术参数确定接闪器高度的计算公式，作为有效保护半径技术措施（民用航空通信导航监视设施防雷技术规范要求：1. 第5.2.2条指出“所有通信导航监视设备的天线应放在LPZ0B 区内，即应安装防直击雷装置”。2. 第7.1.1条指出“通信导航设施与所在建筑物直击雷的防雷设计应按GB50057 第二类防雷建筑物的要求进行设计施工”。3、第7.2.1.1条指出“雷达站避雷针数量不宜少于三支”）。直击雷防护装置材料需符合GB11032-89防雷器材指标要求。

2）《雷达站》设备电源系统及障碍灯电源的防雷保护设计方案：按照电源系统浪涌分级泄放原理和依据GB50057/GB50343防雷规范要求和《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范要求》，在《雷达站》设备电源系统380V低压配电室总电源、支回路电源装置、末端设备电源装置和障碍灯电源系统输入端安装相对应的电源浪涌保护器作为电源线路、设备电源系统及障碍灯电源设备的电涌保护装置。

3）《雷达站》电子信息设备系统防雷保护设计方案：根据GB50057-2010建筑物防雷设计规范第5.4.条规定，参照5.4.1-1图、5.4.1-1表和GB50343-2012建筑物电子信息系统的防雷设计规范（5.4.1-2表、5.4.2条、5.4.2-1表、5.4.2-2表、5.4.3条、5.4.4条、5.4.5条、5.4.6条、5.4.7条、5.4.8条、5.4.9条之技术参数）的要求和《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范要求》，在电源系统输入/出控制端、电子（信号）设备系统的线路终端设备、网络系统、监控系统、火灾报警装置、消防系统、通信及电话线路系统、MODEM、232串口、天馈信号系统的终端设备加装相对应的防雷器（SPD）防止传输线路中感应雷的雷电波/流侵害电子设备及人员的操作安全。

4）《雷达站》等电位连接装置设计方案：根据GB50343-2012 建筑物电子信息系统的防雷设计规范的要求，参照规范第5.2.1条、第5.2.2条、第5.2.3条、第5.2.4条、第5.2.5条、第5.2.6条、第5.2.7条、第5.2.8条、第5.2.9条、第5.2.10条之规定和《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范要求》设计（电源系统、微电子信号设备）等电位（均压环）保护措施。

《机场雷达站》建筑物均压装置依据GB50057-2010第4.2.1条、第4.2.4条、第4.3.1条、第4.4.1条、第4.4.8条、第4.5.2条技术要求实施）采用建筑物外围结构钢筋圈梁外边上下两根钢筋（搭接头可靠连接并与柱主钢筋引下连接）作为建筑物的均压带（环）防护装置。电源设施（加油机设备）地电位均压装置采用PE汇流排与建筑物柱主钢筋可靠连接构成有效地法拉第笼保护装置。

5）《雷达站》接地网络装置设计方案：建筑物体接地装置（泄流体）利用建筑物整体砼钢筋基础作为雷电感应泄放通道体。《机场雷达站》电源供电模式为TN-S系统，电源浪涌保护措施PE点线接至被保护的电源装置的（箱、柜、设备、设施）的接地PE点作为雷电防护泄流系统的装置（接地阻抗值参照电气设施设计值应符合规范要求和使用条件）。电子（信号）设备雷电（静电）感应泄放通道体应符合地电阻设计值的技术要求，采用汇流排（或等电位）连接（在条件允许前提下应采用公共接地装置系统或法拉第笼保护模式）作为防雷接地泄流装置（防雷接地电阻值设计值为R≤1Ω）。

7、《机场雷达站》电子设备系统雷电及过电压防护措施防雷电装置工艺要求：

1）直击雷防护工艺要求：

A：接闪装置引下线布线于建筑物、构筑物外，不穿透或侵入建筑物、构筑物。

B：接闪装置引下线的弯曲或连接不能形成小于90度的夹角，引下线与电力（包括障碍物标志灯电缆）或信号导体之间的间距＞2m。

C：接闪装置的引下线与接地装置可靠连接，接闪（引下）装置工艺应符合D501-1~4规范要求。

D：直击雷防护装置安装应符合设计和《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》要求，有效保护半径应符合建筑物防雷标准GB50057-2010《附录D：滚球法确定接闪器的保护范围》第D.0.2条技术参数确定接闪器高度的计算公式为标准。

E：直击雷防护（引下）装置材料应符合GB11032-89防雷器材指标要求。

2）SPD工艺要求：

A：电源系列SPD装置安装在尽可能接近（＜300mm之内）被防护装置设施拆分处的地方。

B：电源系列SPD装置的位相采用绝缘铜芯导线（线径符合GB50343-2012规范标准或设计要求）与公共设施拆分处的位相端子相连接，连接线尽可能的短和直接，不允许盘成环形、直角或打结，各位相绝缘护套的颜色与国家电工编码标准相一致。

C：电源系列SPD的PE线取最直接路径与接地装置连接点可靠连接（连接长度应符合GB50057-2010和GB50343-2012规范要求）。从SPD元件输出终端到公共设施拆分处接地总线间不可有回环、剧烈的弯头或死扣。

D：信号、天馈和控制线的设施等级瞬态抑制部件（SPD限压分流装置）安装在线路进入设施之处，或线路传输到控制的分界点处，其要求与作用：

a、提供高能抑制部件或装置，以去除每条线路上大部分瞬态能量，

b、提供低能抑制部件，以降低每条线路的瞬态能量和电压至电子设备灵敏等级之下。

E：《机场雷达站》电子设备中使用同轴电缆的电子设备在设施和电子设备入口处都应安装相对应的SPD装置对电子设备和传输线路提供瞬态防护。

F：电源线路与设备SPD逐级防护和信号设备（控制线）SPD等级防护的技术参数应符合设计及《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》要求，SPD通流容量（波形）应符合GB50057-2010与GB50343-2012规范要求。

G：SPD装置安装材料应符合GB11032-89防雷器材指标要求。

3）等电位连接与屏蔽工艺要求：

A：等电位连接的结合面之间的接触面积不小于200mm2。

B：等电位连接点（焊接点）均可靠紧固，目的是确保过电流流经等电位连接点时畅通无阻。

C：电子设备机房内封装信号线缆、电源线的屏蔽槽就近与多点接地系统连接。

D：电子设备机房内管道的端接以及管道与装配件、走线架，通过螺栓紧固连接，以保持电连续。

E：无护套跳接线不得用在电缆管道或电缆槽的内部。

F：等电位装置和屏蔽装置的制作应符合设计和《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》要求，技术参数应符合GB50057-2010与GB50343-2012规范要求。

G：等电位连接与屏蔽装置材料应符合GB11032-89防雷器材指标要求。

4）接地系统工艺要求：

A：接地极屏蔽间隔距离不可以小于极的长度，极间的额定间隔为极长的2到3倍之间。

B：接地极顶端在整平地面下不小于500mm，接地极位于建筑物基础或外底脚外600mm到1800mm之间。

C：接地极的连接、接地连线与地网的连接，全部采用热焊接，操作时需叠加焊接，水平接地极之间采用扁钢的长边搭接，搭接长度不小于6mm，不少于三面施焊，水平接地极与垂直接地极之间不允许” T”型焊接，而是要采用扁钢长边搭接，搭接长度不小于60mm，不少于三面施焊。所有焊接点均采取防腐措施。

D：接地系统装置的制作应符合设计和《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》要求，技术参数应符合GB50057-2010与GB50343-2012规范要求。

E：接地系统装置材料应符合GB11032-89防雷器材指标要求。

5）敷设布线工艺要求：《机场雷达站》建筑物内的供电电源系统、电子（信号）系统的线路布线施工时，为减小雷害风险任何导线/金属线路均应尽可能避免与直击雷防护系统平行捆扎（布线应实施屏蔽措施），而应依有关规范要求合理布线。

6）整体防御体系工艺要求：《机场雷达站》电子系统设备的防雷保护是一项系统工程，必须以雷电防护原理为基础对《机场雷达站》电子系统作概要分析，对实际运行的各个电子系统在保护配置上应根据保护原则具体问题具体分析，根据电子系统设备的重要程度和防雷保护的要求进行多层次、全方位的整体防御，建立完善的雷电防御体系。

◆方案实施 （产品选型）

1、直击雷防护装置

1）GFL系列接闪塔; 2）普通接闪器; 3）优化接闪器; 4）提前放电接闪器。

2、雷电电磁脉冲防护装置（SPD）

3、泄流（接地）装置

1）铜包钢接地极; 2）离子接地极; 3）石墨接地模块; 4）等电位连接器。