雷達站電源系統多級防雷設計方案

2022-04-17 · 閱讀469

0引言

雷達站多處于高山、海島等強風、強雷暴環境之中;雷達站的電源系統包括市電供電和油機供電兩套系統，在雷雨天氣，電源系統容易遭受雷擊，雷電流和強電磁脈沖往往通過電源線耦合進入雷達設備內部，造成裝備損壞和人員傷亡，因此針對雷達站電源系統的防雷難題，要設計一套安全可靠、行之有效的防雷系統進行防護。

常見的電源系統雷電防護方法包括安裝放電間隙、瞬態抑制二級管和壓敏電阻等方法,其中放電間隙在遭受雷擊時，可以將大量雷電流泄入大地，使過電壓大幅度下降，從而起到保護作用;瞬態抑制二級管具有響應時間短、瞬態功率大、漏電流低等優點，廣泛運用于通信系統、交/直流電源的防護;壓敏電阻具有非線性特性好、殘壓低和通流容量大等優點，它可以通過電壓嵌位吸收多余的雷電流，從而保護敏感器件。

以上元器件可以統稱為浪涌保護器(Surge Protection Device, SPD), 因此，在雷達電源防雷系統中安裝浪涌保護器，可以把竄入雷達電源系統的雷電流泄放入地或限制在其所能承受的電壓范圍內，從而保護后續雷達裝備不受沖擊而損壞。

通過選擇多級保護電路和合理地設置各級元器件的參數可以實現整體保護性能的優化，這是多級保護器設計的一個關鍵性問題，對于這個問題，以往一般都是憑經驗進行選擇，缺乏科學依據。

為此，本文基于ATP-EMTP軟件,對元器件的參數選擇進行暫態響應分析和仿真計算，得到了仿真結果，根據仿真結果發現多級保護電路雖然可以泄放絕大多數的雷電流，但是仍然存在著殘壓，對后續電路造成威脅。

針對這個問題，本文在多級防護電路的基礎上，安裝隔離變壓器，構成綜合防護系統，經過實際測試和仿真分析，安裝了隔離變壓器之后，雷電浪涌徹底被隔離，殘壓變小，安全系數提高，可以有效地保證后續設備和人員的安全。

1 多級防雷保護

1.1多級防雷保護設計

根據IEC61312《雷電電磁脈沖的防護標準》規定，對于一類防雷建筑物的電源系統可以采取三級浪涌保護器SPD的防護策略。雷達站屬于一類防雷重點保護單位，因此，對于雷達站電源系統的保護可以參考此策略，在總配電柜、分配電柜和設備處分別安裝浪涌保護器，初步的三級防護安裝示意圖如圖1所示。

第一級浪涌保護器保護的作用是泄放絕大多數的雷電流，可以選用開關型浪涌保護器(放電間隙)進行泄放,應滿足的保護條件為額定泄放電流不小于12.5kA（10/350us）,響應時間為100ns， 保護電壓為≤2500V。

第二級保護的作用是吸收低能雷電流并限制浪涌過電壓，故選擇限壓型浪涌保護器作為保護器件,應滿足的保護條件為泄放電流不小于40kA（8/20us)，響應時間為25ns,保護電壓為1800V。

第三級SPD的作用是進一步吸收低能雷電流和抑制浪涌過電壓，也可以選用限壓型.浪涌保護器，應滿足的保護條件為泄放電流不小于20 kA,響應時間為25ns，保護電壓為1200V。

因為每一級保護都有額定的響應時間，為保證后一級保護在前一級保護響應之后動作，應保證兩者之間有足夠的距離，電磁波在電纜中的傳輸速度為v=1.5x10*m/s，又已知各級保護的響應時間，故可求出第一級和第二級保護距離為10m,第二級和第三級保護距離為5m。

根據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》相關要求,限壓型浪涌保護器之間的線路長度不宜小于5m;因此，本文把第二級和第三級之間的保護距離調整為5m。

另外還需要考慮的是浪涌保護器引線上的寄生電感,寄生電感會加大過電壓，導致浪涌保護器無法達到保護效果，所以在安裝浪涌保護器時，一定要使浪涌保護器兩端的引線最短，不超過0.5m，這樣可以減小過長引線對浪涌保護器保護效果的影響。

1.2建模與仿真

ATP-EMTP是用于電力系統暫態分析的一款軟件，它可以對電力系統在遭受雷擊后某個變量隨時間變化的規律進行觀測，因此可以用它對電源系統的三級浪涌保護器防護情況進行建模與仿真，通過ATP-EMTP建立的模型如圖2所示。

在模型中，雷電流選取幅值為50kA，波形為2.6/ 50 us的Heidler沖擊波電源作為激勵源，雷電流的波形如圖3所示。

電源線纜長度分別為15m和5 m，阻抗取為R=2Q/m, I=1 uH/m; SPD的連接線長度為0.4 m,引線電感L=0.8μuH/m ;雷達裝備的阻抗等效為L=300μH，R=400Q ;電壓觀察節點設置在SPD三級防護之后、雷達裝備之前的某個位置，觀測節點的仿真結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，雖然50kA的雷電流經過浪涌保護器三級防護后，電壓幅值有顯著的下降，但是雷電流的殘壓仍然可達1200V,依舊會對后續雷達裝備造成損害。所以浪涌保護器三級防護只能快速降低雷電流的幅值，而不能完全消除殘壓，對于雷達站電源系統的防雷保護，還需要隔離變壓器來配合防護，以消除三級浪涌保護器保護后的雷電流殘壓。