摘要：全向信标/测距仪台作为民航常见的无线电导航台站，因其电磁环境保护设计要求一般选址在高地势的山顶或旷野之中，其天线系统组成比较复杂，需要采取良好的多级防护措施以防止雷电对设备造成的损害。本文依据《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》分析了某新建台站天线系统的防雷设计，指出了其中存在的一些问题，为民航工程技术人员提供对比参考。
关键词：全向信标/测距仪；防雷；滚球法
避雷针作为天线系统防直击雷的主要手段，其原理是将雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置将雷电流引入大地。依据《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》，对于雷电保护等级为特级的导航设施，直击雷防护设计应符合一类防雷建筑物要求，避雷针保护范围宜按滚球半径30米计算。全向信标/测距仪作为民航常见的陆基导航设备，考虑到电磁环境保护的要求，安装位置通常选择在山顶或旷野，几乎每年都由因雷击导致的故障发生。该设备天线系统组成较为复杂，包含了安装在一定高度地网上全向信标中央天线、边带天线，测距仪天线，以及安装在地网外的监视天线，在台站总体设计中，需要综合考虑各个天线的安装位置和天线高度，进行有效的直击雷防护设计。
1 某全向信标/测距仪台站直击雷防护设计
图1为某新建全向信标/测距仪台站以一类防雷建筑物要求完成的直击雷防护设计：在半径为20米的地网网上等90°间隔安装4根避雷针，避雷针距离地网中心12.8米，避雷针尖高于地网平面6.0米。全向信标天线阵由安装在地网中心的中央天线和等间隔分布在以中央天线为中心，半径为6.75米圆环上的48根边带天线组成，天线高于地网1.4米。全向信标的监视天线高于地网平面，固定在独立塔杆上，塔杆顶端有一个避雷针，与监视天线存在电气连接。测距仪天线距离地网中心12.8米，高于地网4.5米，设计安装在五角星所示位置，其相对地网中心的径向线与A避雷针相对地网中心的径向线夹角为22.5°。
图1：某台站地网避雷针设计
2 全向信标天线避雷针设计分析
建筑物防雷设计中通常采用“滚球法”计算避雷针的保护范围。全向信标的中央天线位于两对避雷针连线的中点，而该连线上保护范围最低点的高度h0可以按式（1）计算，其中hr为滚球半径，D为避雷针与中央天线的水平距离，h为避雷针高度。
（1）
取hr=30，可得h0≈3.1米，高于中央天线高度，满足直击雷防护要求。
全向信标的边带天线处于A/B/C/D四根避雷针连线的内侧。因为设计的单根避雷针对于hx=1.4米天线高度的保护半径rx为：
（2）
而边带天线距离单根避雷针最远为7.5米，在其保护半径范围内，进而所有边带天线必然处于四根避雷针联合的保护范围内。
依据《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》，全向信标的监视天线在背对中央天线方向应架设一根避雷针，且水平距离不宜小于3米。图1中该台站全向信标监视天线的设计显然是不合理的，避雷针引入的直击雷将通过天线和同轴电缆进入设备前端的天馈线SPD，通常天馈线SPD的冲击电流指标无法对直击雷进行有效防护，设备几乎处于直击雷非防护区内，危险性极大。
3 测距仪天线避雷针设计分析
测距仪天线位于四根避雷针连线的外侧，需要使用双根等高避雷针保护范围的计算方法进行分析。如图2所示，先计算出避雷针在地面上的保护半径r0，其范围对应L区域，C、E点位于A、B间的垂直平分线上，地面每侧的最小保护宽度b0通过式（3）计算出来，其中d为A、B避雷针之间的水平距离:
（3）
利用（2）式，可计算出单根避雷针对于hx=4.5米高度面的保护半径rx为2.2米，以A、B为圆心作半径为2.2米的弧线与四边形AEBC相交，再以(r0—rx)=15.8米为半径，以E和C为圆心作弧线与上述弧线相交，得到双根避雷针对于hx=4.5米平面上保护范围的截面，如图2中M粗虚线所示区域。
图2：双根避雷针对4.5米高平面的保护范围
从图1中可以算出，测距仪天线的安装位置与A避雷针的距离为5米，与A、B避雷针的连线的垂线距离为2.78米，位于保护范围M以外。无法满足直击雷防护要求。
4 结束语
随着导航设备的更新换代，全向信标/测距仪实现了数字化和集成化，安装于地网上的近距离监视天线也逐步投入使用，设备本身对于雷电的防护能力有所下降。一旦发生由于天线系统防雷设计缺陷导致的雷击，将不可避免地造成设备大面积板件故障，后期维修费用极其昂贵。在台站的前期规划中，更应全面考虑各个天线的高度和安装位置，进行有效的防雷设计；在发生雷击事件后，也应重新对避雷针位置和高度进行评估和整改，以确保设备安全、经济运行。
参考文献：
[1]《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》[S].中国民航航空总局，2006-05-23
[2]王建华,赵丽新,范振明.避雷针安装高度及保护范围设计计算[J].山西建筑，2010-10
个人简介：柳靖，1986年3月，男，汉，安徽省池州市人，研究生，工程师，研究方向：导航设备维护与管理。
论文作者:柳靖
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/18
标签：避雷针论文; 天线论文; 测距仪论文; 信标论文; 半径论文; 全向论文; 直击论文; 《电力设备》2018年第30期论文;