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【摘 要】针对雷达站防雷存在的问题，结合现代防雷的基本原则，从外部防雷和内部防雷两个方面，讨论了雷达站的系统防雷设计方案，着重阐述了电源线路防雷和信号线路防雷的方法。将光电耦合器和TVS管结合起来，提出了一种信号线路过压保护的方案。本文所提出的方案对雷达站防雷工程的设计有一定的参考意义。
【关键词】雷达站；防雷；系统防雷方案
1.引言
众所周知，雷电是一种非常严重的自然灾害。随着a民航事业的发展，航管设备也日趋先进、精密，微电子技术、大规模甚至超大规模集成电路得到了广泛应用。这些昂贵的航管设备在空中交通管制系统中，发挥着极其重要的作用。但雷电对这些高精密电子仪器设备危害极大，轻则设备掉电保护，停止工作；重则设备损坏、系统崩溃。因此，对航管设备来说，防雷是一件非常重要、必不可少的工作。本文主要讨论雷达站的系统防雷方案。
2.防雷的基本原则
雷电对设备的危害主要有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击四种形式。其中又以感应雷和电压反击对设备破坏能力最强。当天空的雷雨产生雷击时，其将携带高负荷雷电脉冲、电压及电流，以电磁波形式无规则释放，从而导致雷区域1～5公里范围内所有带金属的导线，在瞬间内感应到相应强度的脉冲电压及电流，这些电流沿着电器设备上的各种电源电线或信号电缆进入电器设备内部，在雷击电压超过电器设备额定抗电压的瞬间击坏内部器件；主要原因是由于连接在电器上所有电线电缆所带的电压高低不等，高电压就会往低压冲去，形成电流，从而将电器设备局部击坏，造成整个设备系统瘫痪，严重时甚至把整机击毁，触及到人身安全。
防雷大致可分为外部防雷和内部防雷两部分，现代防雷的基本原则如图1所示。
外部防雷：将绝大部分雷电流直接引入地下疏散；
内部防雷：快速释放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压；
这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可[1]。
3.综合防雷设计
雷达站通常都建在山顶、高地或开阔地，加上雷达天线塔的高度，雷达站通常是该地区的制高点。在这种地形环境下雷达站遭雷击的概率会大大增加。
从现代防雷的基本原则可看出，防雷的方法包括外部防雷和内部防雷。防雷是一项系统工程，应采用从外到内、综合防护的方法。
3.1 外部防雷设计
外部防雷主要是对机房、雷达塔天線等建筑物或露天设备，用来防止建筑物或露天设备（含室外独立电子设备）免遭直击雷危害，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体等。
避雷针——根据机房和雷达塔天线的地理位置、现有结构、重要程度等情况，采用避雷针作为防止直击雷的主要器件。避雷针可将地面产生的电荷通过尖端释放到空中，又可将接收的电流迅速疏散到地下，避免雷击。
引下线——断面积足够大，连接牢固。
接地体——根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版），外部防直击雷接地宜和防雷电感应、电气设备、信息系统等接地共用同一接地装置，并宜与埋地金属管道相连接[2]。
3.2 内部防雷设计
内部防雷系统主要是针对感应雷，给机房内易受过电压破坏的电子设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速释放能量，从而保护设备免受损坏。内部防雷可分为电源线路防雷和信号线路防雷。
3.2.1电源线路防雷
电源线路防雷主要是为了防止雷电波通过电源线路对设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大，或更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，电源线路防雷应采取分级保护、逐级泄流的原则：在高压电源的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器，高压部分供电局有专用高压避雷装置；对经过高压变压器后的380v低压线路应进行过电压保护， IEC664-1规范中提出，可对电源线路分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级防护，将过电压数值降低到设备可以承受的水平[3]，如表1所示。
（1）在低压配电房到机房总配电箱之间的电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为次级电源避雷器，为I级保护。为了确保遭受雷击时，高电压先经过首级电源避雷器，再经过次级电源避雷器，首级电源避雷器和次级电源避雷器之间的距离要大于5米，如果两者间距不够，可采用带线圈的防雷箱，这样可以避免次级电源避雷器首先遭受雷击而损坏；
（2）在机房总配电箱到各楼层配电箱间电缆内芯线两端对地加装避雷器，作Ⅱ级保护；
（3）在楼层配电箱到各机房内部的配电箱间对地加装避雷器，作Ⅲ级保护；
（4）在雷达设备、甚高频设备、传输设备、UPS等所有重要的、精密的设备的前端对地加装避雷器，作为Ⅳ级保护。
电源避雷器是一种低压电源的保护设备，当市电因雷击或其他因素产生高脉冲电压时，将会损坏电路上的设备；以三相四线制系统为例，电源避雷器并联于三火一零线上，在正常情况下，避雷器处于高阻状态，当电源线路由于雷击或开关操作出现瞬时脉冲电压时，避雷器在极短时间内导通，将脉冲电压短路对地泄放，从而保护机房内的电子设备，当脉冲电压过后，防雷器又变成阻断状态，不影响设备的供电[4]。（见表1）
3.2.2信号线路防雷
雷达站需要传输多种信号，包括一次雷达、二次雷达信号、甚高频信号以及其他视频监控信号，这些都是进行航空管制所必需的信号，对这些信号线路进行防雷保护是一项非常重要的工作。
由于雷电波在信号的传输线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络传输设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分传输设备由于电子元器件的高度集成化导致耐过压、耐过流水平下降，设备在雷电波冲击下由于过电压而损坏的现象越来越多，造成整个通信系统的运行中断，因此必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。防雷保护装置应能无损坏地承受电压降和不影响数据的正常传输，机房内的保护器主要是过电压限制器，对信号线路进行过压保护和光耦隔离，电路的主体部分如图2所示。 图中使用的光电耦合器，是一种把发光二极管和光敏三极管组装在一起，通过光线实现耦合构成电——光和光——电的转换器件。当有电信号进入光电耦合器的输入端时，发光二极管因电流而发光，光敏三极管受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数字电路，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。
电路使用光电耦合器对发送、接收以及控制信号进行光耦隔离。光电耦合器在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使线路上的信噪比大为提高，主要有以下几方面的原因[5]：
（1）光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，根据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气连接，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏设备。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的反应速度极快，其反应延迟时间只有10μs左右，适于对反应速度要求很高的场合。
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片，采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能，用来提供RS-485电气接口。MAX485芯片内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，分别与设备的RXD和TXD相連；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用设备的一个信号控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。
当需要保护的信号线路的电气连接为RS-232时，可将电路图中的MAX485芯片换成MAX232芯片。
在接收和发送的差分信号端，并接了两个TVS（Transient Voltage Suppressor）管，TVS是一种限压保护器件，利用器件的非线性特性将过电压限制到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。当TVS管的两极受到因雷电感应产生的瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压限制在一个预定值，有效地保护设备免受浪涌脉冲的损坏。
3.2.3 等电位接地
机房内部防雷的目的就是要有效地抑制和吸收感应雷的干扰，采用等电位接地的是行之有效的方法。等电位接地可以减小需要防雷的空间内各种金属部件和各种系统之间的电位差，防止雷击电流入地造成的地电位升高产生的地电位反击。当有雷击电流通过时，机房所有设施的电位同时升高，形成“暂态均衡”，避免产生旁侧闪络放电，从而保护机房内的人员和设备。
4.结束语
雷电对雷达站的危害是多种多样的，真正能做到理想的防护效果是一个非常复杂的问题。雷达站的防雷仅靠避雷器以及其他避雷装置是远远不够的，只有通过加强对防雷工程的整体设计、施工和管理维护，提高值班人员的防雷意识，及时启动防雷应急预案，才有可能获得较好的效果。总之，防雷是一门永恒的课题，需要我们不断深入地学习、研究、探索……
参考文献：
[1]芮静康. 建筑防雷与电气安全技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003，10．
[2]建筑物防雷设计规范（GB50057-94）[S]，2000.
[3]电工标准国际标准IEC标准IEC664-1[S].
[4]邵赴闽. 计算机机房的综合防雷[J]. 赤峰学院学报（自然科学版）， 2009， 9.
[5] http：//www.838dz.com/jicu/changsi/189.html.
作者简介：
胡石根（1983－），男（汉族），湖南省宁远县人，硕士研究生，中南空管局技术保障中心，助理工程师。
【关键词】雷达站；防雷；系统防雷方案
1.引言
众所周知，雷电是一种非常严重的自然灾害。随着a民航事业的发展，航管设备也日趋先进、精密，微电子技术、大规模甚至超大规模集成电路得到了广泛应用。这些昂贵的航管设备在空中交通管制系统中，发挥着极其重要的作用。但雷电对这些高精密电子仪器设备危害极大，轻则设备掉电保护，停止工作；重则设备损坏、系统崩溃。因此，对航管设备来说，防雷是一件非常重要、必不可少的工作。本文主要讨论雷达站的系统防雷方案。
2.防雷的基本原则
雷电对设备的危害主要有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击四种形式。其中又以感应雷和电压反击对设备破坏能力最强。当天空的雷雨产生雷击时，其将携带高负荷雷电脉冲、电压及电流，以电磁波形式无规则释放，从而导致雷区域1～5公里范围内所有带金属的导线，在瞬间内感应到相应强度的脉冲电压及电流，这些电流沿着电器设备上的各种电源电线或信号电缆进入电器设备内部，在雷击电压超过电器设备额定抗电压的瞬间击坏内部器件；主要原因是由于连接在电器上所有电线电缆所带的电压高低不等，高电压就会往低压冲去，形成电流，从而将电器设备局部击坏，造成整个设备系统瘫痪，严重时甚至把整机击毁，触及到人身安全。
防雷大致可分为外部防雷和内部防雷两部分，现代防雷的基本原则如图1所示。
外部防雷：将绝大部分雷电流直接引入地下疏散；
内部防雷：快速释放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压；
这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可[1]。
3.综合防雷设计
雷达站通常都建在山顶、高地或开阔地，加上雷达天线塔的高度，雷达站通常是该地区的制高点。在这种地形环境下雷达站遭雷击的概率会大大增加。
从现代防雷的基本原则可看出，防雷的方法包括外部防雷和内部防雷。防雷是一项系统工程，应采用从外到内、综合防护的方法。
3.1 外部防雷设计
外部防雷主要是对机房、雷达塔天線等建筑物或露天设备，用来防止建筑物或露天设备（含室外独立电子设备）免遭直击雷危害，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体等。
避雷针——根据机房和雷达塔天线的地理位置、现有结构、重要程度等情况，采用避雷针作为防止直击雷的主要器件。避雷针可将地面产生的电荷通过尖端释放到空中，又可将接收的电流迅速疏散到地下，避免雷击。
引下线——断面积足够大，连接牢固。
接地体——根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版），外部防直击雷接地宜和防雷电感应、电气设备、信息系统等接地共用同一接地装置，并宜与埋地金属管道相连接[2]。
3.2 内部防雷设计
内部防雷系统主要是针对感应雷，给机房内易受过电压破坏的电子设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速释放能量，从而保护设备免受损坏。内部防雷可分为电源线路防雷和信号线路防雷。
3.2.1电源线路防雷
电源线路防雷主要是为了防止雷电波通过电源线路对设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大，或更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，电源线路防雷应采取分级保护、逐级泄流的原则：在高压电源的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器，高压部分供电局有专用高压避雷装置；对经过高压变压器后的380v低压线路应进行过电压保护， IEC664-1规范中提出，可对电源线路分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级防护，将过电压数值降低到设备可以承受的水平[3]，如表1所示。
（1）在低压配电房到机房总配电箱之间的电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为次级电源避雷器，为I级保护。为了确保遭受雷击时，高电压先经过首级电源避雷器，再经过次级电源避雷器，首级电源避雷器和次级电源避雷器之间的距离要大于5米，如果两者间距不够，可采用带线圈的防雷箱，这样可以避免次级电源避雷器首先遭受雷击而损坏；
（2）在机房总配电箱到各楼层配电箱间电缆内芯线两端对地加装避雷器，作Ⅱ级保护；
（3）在楼层配电箱到各机房内部的配电箱间对地加装避雷器，作Ⅲ级保护；
（4）在雷达设备、甚高频设备、传输设备、UPS等所有重要的、精密的设备的前端对地加装避雷器，作为Ⅳ级保护。
电源避雷器是一种低压电源的保护设备，当市电因雷击或其他因素产生高脉冲电压时，将会损坏电路上的设备；以三相四线制系统为例，电源避雷器并联于三火一零线上，在正常情况下，避雷器处于高阻状态，当电源线路由于雷击或开关操作出现瞬时脉冲电压时，避雷器在极短时间内导通，将脉冲电压短路对地泄放，从而保护机房内的电子设备，当脉冲电压过后，防雷器又变成阻断状态，不影响设备的供电[4]。（见表1）
3.2.2信号线路防雷
雷达站需要传输多种信号，包括一次雷达、二次雷达信号、甚高频信号以及其他视频监控信号，这些都是进行航空管制所必需的信号，对这些信号线路进行防雷保护是一项非常重要的工作。
由于雷电波在信号的传输线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络传输设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分传输设备由于电子元器件的高度集成化导致耐过压、耐过流水平下降，设备在雷电波冲击下由于过电压而损坏的现象越来越多，造成整个通信系统的运行中断，因此必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。防雷保护装置应能无损坏地承受电压降和不影响数据的正常传输，机房内的保护器主要是过电压限制器，对信号线路进行过压保护和光耦隔离，电路的主体部分如图2所示。 图中使用的光电耦合器，是一种把发光二极管和光敏三极管组装在一起，通过光线实现耦合构成电——光和光——电的转换器件。当有电信号进入光电耦合器的输入端时，发光二极管因电流而发光，光敏三极管受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数字电路，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。
电路使用光电耦合器对发送、接收以及控制信号进行光耦隔离。光电耦合器在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使线路上的信噪比大为提高，主要有以下几方面的原因[5]：
（1）光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，根据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气连接，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏设备。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的反应速度极快，其反应延迟时间只有10μs左右，适于对反应速度要求很高的场合。
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片，采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能，用来提供RS-485电气接口。MAX485芯片内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，分别与设备的RXD和TXD相連；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用设备的一个信号控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。
当需要保护的信号线路的电气连接为RS-232时，可将电路图中的MAX485芯片换成MAX232芯片。
在接收和发送的差分信号端，并接了两个TVS（Transient Voltage Suppressor）管，TVS是一种限压保护器件，利用器件的非线性特性将过电压限制到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。当TVS管的两极受到因雷电感应产生的瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压限制在一个预定值，有效地保护设备免受浪涌脉冲的损坏。
3.2.3 等电位接地
机房内部防雷的目的就是要有效地抑制和吸收感应雷的干扰，采用等电位接地的是行之有效的方法。等电位接地可以减小需要防雷的空间内各种金属部件和各种系统之间的电位差，防止雷击电流入地造成的地电位升高产生的地电位反击。当有雷击电流通过时，机房所有设施的电位同时升高，形成“暂态均衡”，避免产生旁侧闪络放电，从而保护机房内的人员和设备。
4.结束语
雷电对雷达站的危害是多种多样的，真正能做到理想的防护效果是一个非常复杂的问题。雷达站的防雷仅靠避雷器以及其他避雷装置是远远不够的，只有通过加强对防雷工程的整体设计、施工和管理维护，提高值班人员的防雷意识，及时启动防雷应急预案，才有可能获得较好的效果。总之，防雷是一门永恒的课题，需要我们不断深入地学习、研究、探索……
参考文献：
[1]芮静康. 建筑防雷与电气安全技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003，10．
[2]建筑物防雷设计规范（GB50057-94）[S]，2000.
[3]电工标准国际标准IEC标准IEC664-1[S].
[4]邵赴闽. 计算机机房的综合防雷[J]. 赤峰学院学报（自然科学版）， 2009， 9.
[5] http：//www.838dz.com/jicu/changsi/189.html.
作者简介：
胡石根（1983－），男（汉族），湖南省宁远县人，硕士研究生，中南空管局技术保障中心，助理工程师。