雷达站电源系统多级防雷设计方案

2022-04-17 · 阅读309

0引言

雷达站多处于高山、海岛等强风、强雷暴环境之中;雷达站的电源系统包括市电供电和油机供电两套系统，在雷雨天气，电源系统容易遭受雷击，雷电流和强电磁脉冲往往通过电源线耦合进入雷达设备内部，造成装备损坏和人员伤亡，因此针对雷达站电源系统的防雷难题，要设计一套安全可靠、行之有效的防雷系统进行防护。

常见的电源系统雷电防护方法包括安装放电间隙、瞬态抑制二级管和压敏电阻等方法,其中放电间隙在遭受雷击时，可以将大量雷电流泄入大地，使过电压大幅度下降，从而起到保护作用;瞬态抑制二级管具有响应时间短、瞬态功率大、漏电流低等优点，广泛运用于通信系统、交/直流电源的防护;压敏电阻具有非线性特性好、残压低和通流容量大等优点，它可以通过电压嵌位吸收多余的雷电流，从而保护敏感器件。

以上元器件可以统称为浪涌保护器(Surge Protection Device, SPD), 因此，在雷达电源防雷系统中安装浪涌保护器，可以把窜入雷达电源系统的雷电流泄放入地或限制在其所能承受的电压范围内，从而保护后续雷达装备不受冲击而损坏。

通过选择多级保护电路和合理地设置各级元器件的参数可以实现整体保护性能的优化，这是多级保护器设计的一个关键性问题，对于这个问题，以往一般都是凭经验进行选择，缺乏科学依据。

为此，本文基于ATP-EMTP软件,对元器件的参数选择进行暂态响应分析和仿真计算，得到了仿真结果，根据仿真结果发现多级保护电路虽然可以泄放绝大多数的雷电流，但是仍然存在着残压，对后续电路造成威胁。

针对这个问题，本文在多级防护电路的基础上，安装隔离变压器，构成综合防护系统，经过实际测试和仿真分析，安装了隔离变压器之后，雷电浪涌彻底被隔离，残压变小，安全系数提高，可以有效地保证后续设备和人员的安全。

1 多级防雷保护

1.1多级防雷保护设计

根据IEC61312《雷电电磁脉冲的防护标准》规定，对于一类防雷建筑物的电源系统可以采取三级浪涌保护器SPD的防护策略。雷达站属于一类防雷重点保护单位，因此，对于雷达站电源系统的保护可以参考此策略，在总配电柜、分配电柜和设备处分别安装浪涌保护器，初步的三级防护安装示意图如图1所示。

第一级浪涌保护器保护的作用是泄放绝大多数的雷电流，可以选用开关型浪涌保护器(放电间隙)进行泄放,应满足的保护条件为额定泄放电流不小于12.5kA（10/350us）,响应时间为100ns， 保护电压为≤2500V。

第二级保护的作用是吸收低能雷电流并限制浪涌过电压，故选择限压型浪涌保护器作为保护器件,应满足的保护条件为泄放电流不小于40kA（8/20us)，响应时间为25ns,保护电压为1800V。

第三级SPD的作用是进一步吸收低能雷电流和抑制浪涌过电压，也可以选用限压型.浪涌保护器，应满足的保护条件为泄放电流不小于20 kA,响应时间为25ns，保护电压为1200V。

因为每一级保护都有额定的响应时间，为保证后一级保护在前一级保护响应之后动作，应保证两者之间有足够的距离，电磁波在电缆中的传输速度为v=1.5x10*m/s，又已知各级保护的响应时间，故可求出第一级和第二级保护距离为10m,第二级和第三级保护距离为5m。

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》相关要求,限压型浪涌保护器之间的线路长度不宜小于5m;因此，本文把第二级和第三级之间的保护距离调整为5m。

另外还需要考虑的是浪涌保护器引线上的寄生电感,寄生电感会加大过电压，导致浪涌保护器无法达到保护效果，所以在安装浪涌保护器时，一定要使浪涌保护器两端的引线最短，不超过0.5m，这样可以减小过长引线对浪涌保护器保护效果的影响。

1.2建模与仿真

ATP-EMTP是用于电力系统暂态分析的一款软件，它可以对电力系统在遭受雷击后某个变量随时间变化的规律进行观测，因此可以用它对电源系统的三级浪涌保护器防护情况进行建模与仿真，通过ATP-EMTP建立的模型如图2所示。

在模型中，雷电流选取幅值为50kA，波形为2.6/ 50 us的Heidler冲击波电源作为激励源，雷电流的波形如图3所示。

电源线缆长度分别为15m和5 m，阻抗取为R=2Q/m, I=1 uH/m; SPD的连接线长度为0.4 m,引线电感L=0.8μuH/m ;雷达装备的阻抗等效为L=300μH，R=400Q ;电压观察节点设置在SPD三级防护之后、雷达装备之前的某个位置，观测节点的仿真结果如图4所示。

从图4中可以看出，虽然50kA的雷电流经过浪涌保护器三级防护后，电压幅值有显著的下降，但是雷电流的残压仍然可达1200V,依旧会对后续雷达装备造成损害。所以浪涌保护器三级防护只能快速降低雷电流的幅值，而不能完全消除残压，对于雷达站电源系统的防雷保护，还需要隔离变压器来配合防护，以消除三级浪涌保护器保护后的雷电流残压。