简述《机场雷达站》电子设备雷电及过电压防护

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LEMF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。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。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。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。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。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。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。QX2-2000《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。FAA-STD-019《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-019《〈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、MODE、M232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421条、第424条、第431条、第4.4.1条、第448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/GB5034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。具体为:♦按照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》第3.2.3条的技术参数规定，各类供电线路和弱电线路，无论是导线还是电缆，无论是架空或埋地敷设，在进入设施建筑物时必须通过不小于3m长的铁管穿入实施屏蔽（屏蔽是减少电磁干扰的基本措施）。♦在《机场雷达站》供电电源配电室低压端总开关侧并联安装一套电源防雷器（型号FA50/4）作为机场雷达站电源线路闪电电涌的第一级浪涌保护，初步衰减从电源线路引入的强雷电流和高电压。♦在《机场雷达站》备用（柴油发电机）供电线路进入端电源柜开关侧并联安装一套电源防雷器（型号A50/4）作为机场雷达站备用供电线路（与市电供电线路电源侧同步保护）闪电电涌的单级（第一级）浪涌保护，有效地防护和衰减从市电供电线路传输引入的闪电电涌（强雷电流和高电压）。♦在《机场雷达站》供电电源配电室低压端支回路开关侧并联安装一套电源防雷器（型号B80/4）作为机场雷达站电源线路闪电电涌的第二级浪涌保护，进一步衰减从第一级分流下来的强雷电流和过电压，把雷电流脉冲降低到设备能承受的水平。♦在《机场雷达站》电源线路的支回路末端总配电柜（箱）开关侧并联安装一套电源防雷器（型号FB80/4）作为机场雷达站电源线路支回路（电源传输）闪电电涌的第二级（单级）浪涌保护，进一步衰减从电源传输线路上电磁感应分流下来的雷电流和过电压，把闪电电涌降低到末端设备能承受的水平。♦在《机场雷达站》电源线路的分配电箱（或 UPS电源装置、设备集中电源柜）开关侧前端□并联安装一套电源防雷器（型号F40/4）作为电源线路（设备）闪电电涌的第三级浪涌保护，进一步衰减从第二级分流下来的残电流和残电压，把雷电流脉冲降低到设备能正常运行的工作条件。♦在《机场雷达站》电子设备电源箱开关侧前端□并联安装一套电源防雷器（型号F20/4）作为电源线路（设备）闪电电涌的第四级浪涌保护，强化微残电流和微残电压的分流和限压保护，确保电子设备不受闪电电涌的侵害。♦在《机场雷达站》机电设备机房内微电子（电子或信号）设备末端电源前端口串联安装一套PDU电源装置（型号Z8X）作为微电子设备电源浪涌的精细保护。♦在《机场雷达站》的起降电器设施（助航灯、进近灯、跑道灯、天线平台障碍灯）电源的末端端□并联安装一套电源防雷器（型号 F20/AC22C）或在起降电器设施（助航灯、进近灯、跑道灯）电源箱并联安装一套电源防雷器（型号F20/AC380作为起降电器（助航灯、进近灯、跑道灯、天线平台障碍灯）设施雷电电涌的浪涌保护，以保护起降电器（助航灯、进近灯、跑道灯、天线平台障碍灯）设施在气象条件下不受雷电脉冲的侵害确保飞行器的起降安全。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54条规定，参照541-1图、541-1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、 MODE、M232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。具体为：♦按照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》的技术参数规定，长度大于3m的连接设备和设施的信号线、数据和控制线的线缆两端宜安装信号SPD以防止对地参考电位差产生的电涌耦合到线路上。♦在《机场雷达站》各微电子（信号）设备传输线缆端口串联安装一套信号防雷器（型号V485）作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入□以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》火灾报警系统、消防控制系统和各控制器电源的线缆端□并联安装一套宁普系列信号防雷器（型号CH24/12/6V）作为火灾报警系统、消防控制系统和各控制器电源末端的浪涌单级保护，防止电磁脉冲侵害微电子（信号）设备（信号SPD接入□以设备端□为配套定制）。♦在《机场雷达站》中心机房内网络系统的核心交换机IN端串联安装一套信号防雷器（型号C1000或NPX01-C1000/24作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号SPD接入□以设备端□为配套定制）。♦在《机场雷达站》中心机房内网络系统的路由器、服务器线缆端□串联安装一套信号防雷器（型号C100作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入口以设备端□为配套定制）。♦在《机场雷达站》中心机房内监控系统的视频矩阵 IN端串联安装一套信号防雷器（型号V40或V40/16）作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入口以设备端□为配套定制）。♦在《机场雷达站》中心机房内监控系统的控制机线路浪涌端端□串联安装一套信号防雷器（型号NPX01-V485作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》中心机房内的数据存储器端口串联安装一套信号防雷器（型号ADSL作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》中心机房内的程控交换机（主机）线路浪涌端端口串联安装一套信号防雷器（型号A60）作为微电子（信号）设备线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》安防系统的监控设备传输线路的末端（全球眼摄像机端口）串联安装一套信号防雷器（型号AVC3作为监控设备（全球眼摄像机）的线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》安防系统的监控设备传输线路的末端（定位摄像枪机端口）串联安装一套信号防雷器（型号AVC2作为监控设备（定位摄像枪机端口）的线缆传输对闪电电涌的信号单级防护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》的通讯系统、电视系统和导航设备系统的设备端口（或传输线缆端口串联安装一套天馈信号防雷器（型号T2000作为通讯系统、电视系统和导航设备系统的信号浪涌单极保护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》的室外安防设备（安全防护电子感应栏或周界报警系统脉冲主机）电源的末端安装一套信号防雷器（型号CH24作为监控设备（周界报警系统脉冲主机）电源末端的浪涌单级保护，防止电磁脉冲侵害微电子（信号）设备（信号SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在《机场雷达站》的门禁系统（控制器）末端电源端口并联安装一套信号防雷器（型号CH24作为门禁系统（控制器）电源末端的浪涌单级保护，防止电磁脉冲侵害微电子（信号）设备（信号SPD接入口以设备端口为配套定制）。♦在门禁系统（控制器）信号传输线缆端□的前端串联安装一套信号防雷器（型号V485）作为（控制器）信号传输线缆的浪涌单级保护，防止电磁脉冲侵害微电子（信号）设备（信号SPD接入□以设备端□为配套定制）。♦在《机场雷达站》的微电子传输线路232接□的进线端串联安装一套信号防雷器（型号V232）作为信号传输线缆的浪涌单级保护，防止电磁脉冲侵害微电子（信号）设备（信号SPD接入□以设备端□为配套定制）。♦在《机场雷达站》的雷达机房设备的油位告警线输出端和油位告警线输入端分别安装一信号防雷器（型号CH24作为油位告警线系统装置的浪涌保护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入□以设备端□为配套定制。♦在《机场雷达站》的机房设备提供给天线塔的编码线输出端和天线塔编码线输入端分别安装一套信号防雷器（型号CH12作为天线塔编码线装置系统的浪涌保护，防止传输线路上感应的电磁波侵害终端信号设备（信号 SPD接入□以设备端□为配套定制。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424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。具体为：♦在《机场雷达站》各电气设备接地连接汇流排装置（点）、泄流引下连接装置（点）和建筑物法拉第笼接地连接装置（点）均安装一套等电位连接器（型号EP04作为不同的接地装置之间和需要绝缘保护的不同金属体之间以及在雷击过程中由于地电位的不同而发生的雷电反击保护，有效地防止在气象条件下由雷电产生的电位差造成人身伤害和设备损坏。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RW1Q）07、《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（V300mn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）