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雷达系统对附近或直接雷击的防护
A.Annunziata, A.Dominicis
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G.Antonini, A.Orlandi
UAq EMC Laboratory, Dept. of Electrical Engineering, University of Lrsquo;Aquila,
Poggio di Roio, 67040, Lrsquo;Aquila, Italy.
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F.Fiamingo, C.Mazzetti
Dept. of Electrical Engineering, University of Rome “La Sapienza”,
Via Eudossiana, 18, 00184, Rome, Italy.
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摘 要：本文论述了用于固定式和移动式雷达的防雷系统（LPS）的特性。LPS设计包括外部（LPE）和内部（LPI）系统以及内部电气和电子系统的雷电电磁脉冲（LEMP）保护措施（即空气终端，下行导线，接地装置，内部等电位连接，电缆布线和屏蔽和浪涌保护）符合IEC62305标准系列。通过计算机模拟，评估了最关键的参数，并在LPS的电气设计和某些RADAR组件的选择中考虑了结果。
1引言
IEC62305标准系列[1] - [4]为LPS设计提供了有用的指导，并评估了采取各种保护措施的实际风险的影响。
特别是标准参考文献[2]要求执行与被保护结构的类型和位置相关的风险评估过程，以便：
（1）确定需要保护；
（2）选择最佳的保护措施组合；
（3）检查剩余风险；
（4）检查经济方便。
风险，定义为一个结构，因闪电活动可能产生的年均损失，取决于：
（1）每年影响结构和服务的闪电次数（N）；
（2）损坏概率（P）；
（3）后续损失的主要金额（L）；
标准参考[2]提供了一种评估这种风险的方法，通过将其分解成与4种不同损失相关的4种类型。
（1）R1：人员伤亡；
（2）R2：对公众服务损害；
（3）R3：文化遗产的损失（不适用于雷达）；
（4）R4：经济价值的损失。
一旦选择了风险的最大可容许限值（RT），该程序允许选择合适的雷电防护等级（LPL）和相关保护措施，以将总体风险降低至上述限制以下。
LPL根据一组雷电流参数值表示LPS分类，雷电电流参数值与自然发生的闪电中不会超过相关最大和最小设计值的概率有关。
天线放置在塔顶的典型雷达安装可以包括在标准参考文献[2]的各种结构中，允许建立全部风险。
标准编号[2]为RT提供了典型的价值，仅用于人类生命的损失，对公众的服务损失，并表明具有管辖权的当局有责任确定实际可容忍风险的价值。
这个问题并不仅仅是在雷达系统中定义RT的数字，而且也是为了让这个数字在国际上被共享和接受。
上述“过程”还应考虑到，雷达提供的“服务”如果与民用航空交通管制或国家安全问题有关，就监控用于防卫目的的航空空间而言，非常具体。
事实上，即使对于安全问题变得非常关键的移动系统，雷达系统对雷击的保护也常常由客户的合同强加。 在任何情况下，所提及的标准系列都可用于评估风险和选择适当的LPL所选择的保护措施。
很显然，风险评估仅适用于固定结构（即建筑物，塔楼等），并且只能在已知的以下特定情况下执行：
(1)环境的类型和结构的相对位置；
(2)土壤的类型（电阻率特性）；
(3)闪电密度（N°雷击/km2/年）；
(4)服务的特点（电力，电信，数据），不能用于可在任何地方部署的移动RADAR。
2 LPS用于固定雷达安装
对L波段（RAT-31DL）运行的3D雷达进行了LPS特性研究，并安装在天线罩结构保护的塔顶（见图1）。
图1 典型的雷达安装
根据IEC标准，初步的风险分析和评估表明，应该采用LPLI。
考虑到最大高度（包含天线罩）小于60米，忽视了防止向上闪光的结构保护经历了[5]高于80米的结构。定义的保护解决方案包括外部和内部LPS；
外部LPS（LPE）被定义为能够：
(1)拦截直接闪电；
(2)不会对雷达天线罩结构造成热和机械损害，也不会对雷电天线的危险过电压造成雷击电流雷达设备；
内部LPS（LPI）的定义是为了避免在要保护的结构内发生以下危险火花：
(1)在LPE和金属部件中流动的雷电电流，雷达的电气，信号和电信装置；
(2)由于进入建筑物的电力和通信线路发生直接和附近的闪电，导致浪涌。
很显然，LPI还包括对雷电电磁脉冲（LEMP）的保护措施，以控制结构内部的电磁场并限制内部电路和设备引起的浪涌。
LPE（见图2）由以下部分组成：
(1)一个三米高的空气终端，位于天线罩的顶部，使其达到50度。保护锥。（50度定义为天线罩表面和避雷针切线的交点之间的角度）；
图2 LPE配置
(2)天线罩内的上部环由50mm2铜导体制成；
(3)位于基座上的天线罩加强环上的接地环由50mm2铜导体制成；
(4) N°5在由50mm2铜导体制成的天线罩内部的下导体连接到顶部的避雷针，到中间引脚上的上环以及地面环上；
(5)N°4从天线罩接地环到接地终端系统的下导体；
(6)符合参考文献[3]第5.4.2.2款（B类布置）的接地终端系统，并且至少由建筑物外部的环形接地电极组成，并与土壤接触至少80％总长度。
上述配置允许：
(1)以保护天线罩的顶端部分免受直接损坏LPZ0A,LPZ1,LPZ0B闪光灯，特别是障碍灯，其供电电缆可以驱动现场配电系统内部的雷电流，因此可以驱动雷达设备内的雷电流；
(2)以确保雷电流的共享，以减少沿着引下线的电压降，并使相关的电磁场以及对天线罩区域内的结构（即天线）的相关诱发效应最小化。
需要注意的是，实际的“空气终端”由上部环形，上部5个下部导体和避雷针组成。 所提到的网格构成了一个倾斜网格，其等效面积A（见图3）约为20m 2，小于实现采用网格法的防雷等级I所需的等效面积（最大25m2）（参见文献[3]表2）：
如图3 空气终端系统的示意图
其中r是天线罩半径; h是上环上的球形弓的高度，n是下导体的数量。
已经获得实际配置作为从侧面的最佳设计实践和天线罩特性加上另一侧的客户要求之间的妥协。最好的解决方案意味着在天线罩结构外部安装了下导体和环，并且为下导体提供了尽可能短的路径（紧跟天线罩表面的曲率）。
天线罩的结构只允许沿着多边形面板的接头固定引下线（见图4）。
设计要求不得在天线罩结构外部安装导电体（包括LPS），以避免与雪绳（用于去除天线罩上的积雪）以及安装外部梯子（用于维护）的可能机械干扰。
图4下导体和上环路径
由于存在可能的设备，导致与天线罩外表面上的冰的形成和积聚有关的担忧，这种要求是有道理。
不可能确保与天线罩的辅助设备相关的电缆所需的间隔距离（见参考文献[3]第6.3节），将外部屏蔽直接连接到LPE导体。
需要注意的是，LPE的上述解决方案必须被认为完全符合雷达辐射性能，正如验收测试成功完成的两个站点所经历的那样。
LPI的定义和实施包括：等电位连接，电涌保护装置（SPD）的使用以及金属部件之间的绝缘。
特别是已经评估过：
(1)共享雷电流；
(2)如何使用网状结合网络来限制浪涌；
(3)所有金属部件的直接粘合或通过合适的方式粘合用于服务的电涌保护装置（SPD）；
(4)减少潜在差异的措施；
(5)如何限制内部电路引起的过压雷电流或从服务传输传入结构；
(6)结构和设备的屏蔽特征；
(7)内部布线/布线类型和布线注意事项；
(8)如何定义工具并安装一套协调的SPD。
图5模拟SPD保护评估电路的草图距离
它也被评估过SPD的保护距离，它意味着SPD和设备之间的最大距离，以最大限度地减少SPD触发时由于行波引起的振荡（见图5和6）。
图6 a）SPD端子的电压； b）由于行波引起的设备终端电压
通过使用PC仿真工具（Matlab的Pspice和Power Systems Simulink）并考虑以下因素，对闪电对结构造成的浪涌进行评估：
（1）注入电流：10 /350mu;s（第一短行程）或0.25 /100mu;s（后续短行程）；
(2)单接地和多接地配电系统；
(3)电缆分配馈线的长度从2.5米到500米；
(4)分布长度从1米到50米；
(5)从交换板到设备的电路长度保护20米；
(6)传统的地球阻抗（提供方）：范围从0.1到100Omega;。
在最坏的情况下（接下来的短行程，100Omega;用户的接地阻抗和1Omega;的每个中性导体接地点的接地阻抗的多接地系统）的仿真已经显示，进入服务的电流的近70％沿着中性导体，最大陡度达到3.5 kA /mu;s。
这些信息对于在SPD安装点，SPD保护等级和距离的选择以及SPD集合的协调以保护关键的内部设备时对浪涌值的正确威胁是有用的。计算机模拟还表明，设备终端的瞬态电压可以在几米内加倍，因此应提供SPD的第二和第三级，以建立一个与设备的耐受特性相协调的SPD系统保护。
3 LPS用于移动雷达
该系统由三个主要项目APU（天线托盘单元），PGG（发电机组）和ESG（设备）三部分组成，其中一部分为L波段（RAT-31DL /住房集团）如图7所示。
图7 雷达组成和防雷桅杆
一个LPE（顶部有一个空气终端和相关的下行导线的16.8m桅杆）非常接近天线，这代表RADAR中暴露最多的部分，因此需要详细研究雷电截获的雷击引起的电磁效应空中终端并由下行导体驱动接地。
需要注意的是，由于运输和部署时间要求，只允许设计一个桅杆。
在三项主要项目的最佳安排中，LPE提供了介于II和III之间（更接近II）的LPL介于中间。
根据参考文献[3]，接地终端系统是径向型的，第5.4.2.1款（A型安排），至少由三根杆组成。
假设初始接地电阻=30Omega;，已经执行了使用[6]的三维全波电磁仿真来表征：
(1)APU上的感应表面电流；
（2）通过包括滑环的接地通道（GC）的路径从天线流到接地终端地的电流；
（3）相关的耗散能量。
通过使用上述信息，通过全波等效电路变换，APU已经转换为等效电压源，以评估连接不同雷达项目的接地导线上的电流和电压。
在模拟中，已经考虑到RADAR可以部署在任何地方，因此接地终端系统的电阻可以假定值在非常宽的范围内变化（从几欧姆到几万欧姆，取决于土壤电阻率）。
APU的接地路径被认为由具有非常低电阻的四个部分形成：天线的金属框架，滑环的GC，在天线下方的托盘以及为天线提供静态支撑的接地杆以及连接到 托盘位于等电位节点。
在图8中示出天线模型的尺寸，其前部被制成连续的（而不是开槽的），以考虑感应电流强度的上限情况，整个结构由铝制成。
图8 天线的几何尺寸（所有尺寸均以米为单位）
托盘在展开时由四条支撑，假定与土壤电绝缘。 这在数字3D模型中也被考虑到了。
雷电通道（桅杆位置）被模拟为一个垂直的垂直天线，在该基座上，靠近地面的地方注入雷电流。雷电流，根据参考文献[1]的附件1：200kA-10/350mu;s的峰值。（见图9）
如图9 所示雷电流的波形
这种电流的解析表达式是：
其中I = 200 [kA]，k = 0.93，tau;1 = 19 [mu;s]和tau;2 = 485 [mu;s]。
如图10所示，用于定义计算域的边界条件考虑在顶部存在一个完全导电的平面，模拟一个虚拟云系统，在这个系统上雷电流接近地面。 在另一吸收边界条件的四个侧面用于模拟雷达操作的开放环境。
图10 边界条件
雷电通道与APU的垂直对称轴的距离d = 10m设置在三个不同的位置：横向，正面和背面。
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