气象预报保障车防雷设计

气象预报保障车防雷设计

周昇

南京大桥机器有限公司  江苏南京  211101

摘要：气象预报保障车需要经常在野外展开作业，由于车上安装有各种机械和电磁设备，容易受到直击雷等的干扰，影响到保障车的工作和车内人员的安全，本研究从实际出发，对整车的防雷系统进行设计，包括便携式避雷装置，电源防雷器，接地棒等器件防止雷击的发生，在实际应用中给出了气象预报保障车整车防雷设计的具体方法。

关键词：保障车；防雷设计

0 引言

气象预报保障车主要用于在野外对周边环境天气进行监测预报，并实时接收气象卫星下发的气象数据。保障车舱顶装有多种天线和通信装置，舱内安装有配电箱，设备机柜，大屏显示器等电磁设备。整车在野外工作时，容易受到直击雷和感应雷的干扰，对车上的电磁设备和人员安全构成威胁。因此，研究整车的防雷设计对于保障车内工作人员的安全性和车上设备的正常运转具有重要的意义。

1 气象预报保障车的组成

1.1 气象预报保障车结构组成

气象预报保障车主要由卫星气象数据接收处理子系统、预报保障子系统、视频会商子系统、车载通信子系统和载车子系统等5个子系统组成。主要包括天线设备，通信设备，电源设备和机械电子设备。整车在结构组成上分为载车底盘，电子方舱和舱外及舱内设备。

1.2 雷电成因

雷电是一种产生于带电积雨云中的瞬间强放电现象。当雷雨天气来临，云层中的水分子在气流等外力作用下会发生碰撞摩擦，产生静电，云层底部会带上负电，云层顶部和地面则带上正电，当正负电荷相遇就会产生剧烈的放电现象，闪电由此形成。闪电发生时能产生上百万伏特的电压，远高于人体所能承受的安全电压。同时，闪电具有上万安培的电流，这些强大的电流流经电子设备会在瞬间产生大量的热，从而损坏电子设备。

雷电按其传播方式可以分为直击雷和感应雷两种。带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷，也就是直接击在建筑物或防雷装置上的闪电。雷电直接击在受害物上，产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏和人畜造成伤害。感应雷也称为雷电感应或感应过电压。感应雷击是由于雷雨云的静电感应或放电时的电磁感应作用,使建筑物上的金属物件,如管道、钢筋、电线、反应装置等感应出与雷雨云电荷相反的电荷,造成放电所引起[1]。

由上述分析可知，直击雷和感应雷均会对气象预报保障车的安全构成威胁，因此，在进行整车的防雷设计时需要综合考虑多种防护方式，构成一套完整的防雷系统。

2 防雷设计

由于气象预报保障车在野外空旷地带无其他保护措施时容易遭受雷电的袭击，因此应当按照车辆的外型尺寸和车载设备的高度来布置避雷装置。根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》防雷分类的要求，气象预报保障车应参照二类防雷建筑物标准。车辆的整体防雷设计可以分为外部防护、内部防护和接地系统三部分来设计。

2.1外部防护

考虑到气象预报保障车车顶安装有C波段卫星天线、北斗通讯天线和电台通讯鞭状天线，如果将避雷装置直接安装在车体上，会与车顶天线产生干涉。因此采用便携式避雷装置，工作时直接通过避雷桅杆展开即可。

便携式避雷装置包含携行升降杆、避雷针、引下线、接地棒等设备。

“滚球法”是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法，已被世界上多数国家作为国家防雷规范采用，我国建筑物防雷规范GB50057-94也采纳“滚球法”作接闪器保护范围计算的方法。

依据气象预报保障车的结构设计，当滚球面与车载前部天线运动轨迹相切时，滚球面下部空间为保护整车的最小空间，如图1所示。位于车体方舱后部的单支避雷系统，向上延伸与球面的交点到大地的距离即为接闪系统最小高度H。

由相似三角形可以求得滚球面与车载前部天线运动轨迹切点到垂直位置的水平距离d为1.01m，进而可以求得单支避雷针的最小保护高度h为5.54m，避雷针在高度5.54m高度上的水平保护距离S为7.91m。

依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》单支避雷针保护范围计算公式：

               （1）

式中：h为建筑物被保护高度；

      H为单支避雷针高度；

      hr为滚球半径；

      S为单支避雷针在高度h位置的保护半径。

将S=7.91，hr =45，h=5.54代入（1）式可得单支避雷针最小高度H为11.5m。

图1 滚球法示意图

考虑运输及使用的方便，采用携行电动升降杆，升降杆安装在车尾舱壁上，自重小于35公斤，载荷30公斤，闭合高度1800mm,展开高度8000mm。避雷针以及转接杆高度为800mm，整个避雷装置展开时高度为8.8m。

引下线采用2条不小于50mm2 多股铜芯电缆；使用时，引下线沿避雷针外侧对称敷设，并与车体高度绝缘

2.2内部防护

（1）电源系统防护

统计数据资料表明，微电子网络系统中80%以上的雷电事故都是因为与系统相连的电源线路上感应的雷电冲击过电压造成的。电源防雷器（SPD）又名避雷器，浪涌保护器，电涌保护器。电源防雷器是通过现代电学以及其它技术来防止被雷电击中的设备。气象预报保障车在外接电源接入车内设备前加装电源防雷器，交流电源防雷器地线就近与车内接地系统相连。加装交流电源防雷器的目的是为了防止外部雷击损坏车内的电子设备；同时对感应雷击过电压也能起到抑制作用

[2]。

（2）信号系统防护

信号防雷器是浪涌保护器的一种，其作用是保护信号传输设备免受雷击破坏。通信设备、信号传输等设备，它们都属于低电流的设备，当电流电压超过一定的额度，就会影响设备的正常工作。然而，在雷雨天气雷电流一般都会通过信号线路侵入到信号设备，这时，信号防雷器就起到了重要的作用。气象预报保障车在设备机柜的以太网信号输入端安装以太网信号避雷器,输入输出采用RJ45公/母接口，串联保护。

（3）设备保护接地

在车内静电地板下可以设置环形的接地汇流排，汇流排采用40*4mm的铜排。将车体的金属接地端、设备金属外壳保护地、直流电源地、防雷地、静电地等就近与接地汇流排相连。接地体距车体水平距离应不小于5m并尽量远离防雷接地；每条接地汇集线的冲击接地电阻应不大于4Ω。

雷暴天气时接地系统间严禁工作人员走动。

2.3接地系统

对于气象预报保障车的接地系统而言，由于存在“移动”这一特殊性，因此不能按一般的方式进行设计及产品选型，必须考虑的因素包括：

适应能力：预报保障车停留的地域可能是各种不同的地貌环境，接地系统必须具备良好的地质适应性

构成简单：由于车辆移动性以及战场环境的要求，接地系统必须简单易行，在尽短的时间构筑完成投入使用，传统的扁钢地网显然不能满足上述要求。

低成本、可复用：同样由于车辆可能频繁移动，可重复使用的接地系统意味着更低的成本和后勤依赖性。

高性能：对于车辆及其附属的通信设备而言，<10Ω是比较合理的要求（在 >500 Ω.m的高阻值地质条件下）。

接地棒采用电铸铜接地棒，电铸铜接地棒采用先进工艺将含量为99.9%的电解铜分子均匀覆盖到低碳钢芯上，使铜与钢芯分子结合，铜层厚度可达0.25mm以上，粘合度好，不剥离，其抗拉强度可达600N/mm平方。电铸铜接地棒耐腐蚀性能很好，使用寿命可达50年以上。

与避雷针相连接的每条引下线与接地棒相连，连接方式为压接，压接螺栓不小于M12；考虑到车辆经常变换停留地点的因素，采用垂直接地极是比较实用的方案。每支接地体长1m，安装间距应大于2m；规范要求每条引下线的冲击接地电阻应小于10Ω，视实际情况而定。

避雷针接地使用两根接地棒，车辆设备保护接地单独使用一根接地棒，两者直接不互通，连接接地棒的接地电缆，可与接地棒、避雷针或车辆等分离。

3 结论

本文对雷电的成因，直击雷和感应雷的区别进行了分析，并在此基础上对气象预报保障车采取了一系列的防雷设计。在采取了上述防雷措施后，整车具备了在野外防止雷电冲击的能力，提高了车内人员的安全和车辆在野外条件下气象保障的能力。

参考文献：

[1]李健．无线通信车的防雷技术[J].电力系统通信，2007(5):47-49.

[2]崔思东.通信系统雷电与过电压防护[J].中国新通信, 2018,20(13):222.

作者简介:周昇（1989-），男，工程师，研究方向为气象装备车结构与总体设计。