CN114336290B - 一种防爬电寄生避雷针设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防爬电寄生避雷针设计方法，该方法包括以下步骤：1)根据雷达天线或电子系统的顶部的面积和避雷针的高度限制，选择避雷针的布设方式；2)根据避雷针的布设方式，设计避雷针并安装至雷达天线或电子系统的顶部；所述避雷针包括避雷针金属针体、绝缘支柱连接套筒、紧固铜螺栓、引下线铜接头、绝缘支柱管芯、硅橡胶伞盘、高压绝缘引下线；所述避雷针金属针体通过绝缘支柱连接套筒与绝缘支柱管芯相连，硅橡胶伞盘紧密附着在绝缘支柱管芯表面。本方法对天线或电子系统实施有效的雷击保护的同时，对雷达天线的方向图和照射覆盖范围不产生影响，且能减小雷电流产生的电磁脉冲辐射对天线或电子系统内部电路的影响。

Description

一种防爬电寄生避雷针设计方法

技术领域

本发明涉及电子设备防护技术，尤其涉及一种防爬电寄生避雷针设计方法。

背景技术

雷电对电子设备构成了严重危害。通信系统、雷达系统均遭受过雷电袭击，造成设备损坏、系统瘫痪等严重后果。电子设备的天线通常布置在舱室、建筑物顶部和桅杆上面，位置比较高，且周围环境开阔，极容易受到雷电直接袭击而烧毁雷达天线或电子系统后端的电路和功能模块，甚至危及操作人员安全。因此，必须对各种雷达天线、电子系统进行雷电防护，确保设备和操作人员的安全。

对电子设备的雷电防护，需要考虑直击雷和雷电电磁脉冲两种情况。直击雷的防护，通常采用接闪器(避雷针或避雷带)、引下线和接地装置等组成的外部防雷装置，将雷电流引入大地，避免电子设备的天线、传感器等外露部分被雷电击中。对雷电电磁脉冲的防护，则主要是通过电磁屏蔽、优化布置、加装瞬变抑制器件等措施，尽量减小雷电电磁脉冲对电子设备的耦合，并在设备端口对雷电电磁脉冲的耦合信号进行拦截或泄放，保护内部敏感电路和易损伤模块。为了保护电子设备免受由于瞬变大电流引起的地电位突变带来的破坏，对电子设备和系统还需要进行良好的接地和等电位处理。

在天线、电子系统的附近架设避雷针，再通过固定引下线将避雷针与接地装置相连，保护天线、电子系统免受雷电直接袭击，是常用的直击雷电保护方法。但是，架设在天线附近的避雷针，可能会影响天线的照射覆盖范围，引起天线的工作盲区或探测角度误差，部分情况下天线周围甚至没有安装避雷针的空间，如布置在桅杆顶部的天线，若在桅杆上再伸出平台加装避雷针，在影响天线性能和整体美观的同时，还会影响桅杆的结构和重心。因此，需要考虑将避雷针与雷达天线或电子系统进行集成，将避雷针安装在天线或电子系统顶部。

但是，这种情况下，由于避雷针金属结构与雷达天线或电子系统距离过近，在避雷针接闪后在顶端会形成数百千伏的瞬时冲击电压，在避雷针针体与天线或电子系统之间形成电弧放电或爬电，导致雷电流流过天线或电子系统造成危害。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种防爬电寄生避雷针设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种防爬电寄生避雷针设计方法，包括以下步骤：

1)根据雷达天线或电子系统的顶部的面积和避雷针的高度限制，选择避雷针的布设方式；

2)根据避雷针的布设方式，设计避雷针并安装至雷达天线或电子系统的顶部；

所述避雷针包括避雷针金属针体、绝缘支柱连接套筒、紧固铜螺栓、引下线铜接头、绝缘支柱管芯、硅橡胶伞盘、高压绝缘引下线；

所述避雷针金属针体通过绝缘支柱连接套筒与绝缘支柱管芯相连，硅橡胶伞盘紧密附着在绝缘支柱管芯表面；设计安装过程如下：

2.1)根据避雷针的安装高度及引下线的走向，确定高压绝缘引下线的长度；

2.2)将高压绝缘引下线的一端剥掉适当长度的绝缘层，通过筒内焊接和侧面紧固螺钉紧固相结合的方式，与引下线铜接头下端连接牢固；

2.3)将引下线铜接头的上端固定在绝缘支柱连接套筒内部：将引下线铜接头的上端伸入绝缘支柱连接套筒下部孔内，从绝缘支柱连接套筒上部孔内伸入套筒扳手将带弹垫的紧固铜螺栓旋紧，将铜接头固定在绝缘支柱连接套筒内部；

2.4)将高压绝缘引下线的另一端从绝缘支柱管芯内部穿过，将绝缘支柱连接套筒套在绝缘支柱管芯的上端，并在侧面用螺钉固定；

2.5)将未固化的绝缘树脂从绝缘支柱管芯的下端缝隙灌入，连同绝缘支柱连接套筒、引下线铜接头、高压绝缘引下线一并放入真空罐内抽真空，排出绝缘支柱管芯中的气泡，待绝缘树脂固化后，补入适量绝缘树脂，再抽真空，固化，直到绝缘支柱管芯中填满绝缘树脂；

2.6)将高压绝缘引下线从绝缘支柱安装法兰的中心孔中穿过，将绝缘支柱安装法兰套在绝缘支柱管芯的下端，并从侧面固定；

2.7)将避雷针金属针体从绝缘支柱连接套筒上部旋入到位，并从侧面用螺钉固定；避雷针金属针体通过绝缘支柱连接套筒与绝缘支柱管芯相连；

2.8)将高压绝缘引下线从安装转接件的中心孔穿过，将绝缘支柱安装法兰与安装转接件安装在一起；

2.9)将安装转接件固定在被保护的雷达天线或系统电子顶部预留的安装板的安装螺孔，实现避雷针与被试对象的集成安装；

2.10)将高压绝缘引下线的末端通过接地体接入大地，确保接闪的雷电流导入大地，实现对雷达天线或电子系统的直击雷保护。

按上述方案，所述步骤1)中避雷针的布设方式如下：

若避雷针的保护范围覆盖雷达天线或电子系统的顶部范围，避雷针的布设方式包括将避雷针布置在雷达天线或电子系统的顶部中央；如果天线或系统的顶部面积较大，则采用多针方案，将避雷针对称布置在雷达天线或电子系统的顶部边缘或对角。

按上述方案，所述步骤1)中避雷针的布设方式4根避雷针在雷达天线或电子系统的顶部的对角处对称布置。

按上述方案，所述步骤1)中避雷针的保护范围采用滚球法确定。

按上述方案，所述步骤2)中避雷针的顶部采用直径19mm的半球形钝顶结构。

按上述方案，所述步骤2)中绝缘支柱连接套筒的金属材质与避雷针金属针体相同。

本发明产生的有益效果是：

1)相比常规在雷达天线或电子系统附近竖立比其更高的避雷针的防雷方法，本方法将尺寸较小的避雷针寄生安装在雷达天线或电子系统的顶部对角对称位置，将引下线从天线或电子系统的侧面引至大地，对天线或电子系统实施有效的雷击保护的同时，对旋转雷达天线的方向图和照射覆盖范围不产生影响，且对称布置的引下线通过各引下线的反向磁场相互抵消的方式，减小雷电流产生的电磁脉冲辐射对天线或电子系统内部电路的影响。

2)避雷针的顶部采用直径19mm左右的半球形钝顶结构，可以提高避雷针的接闪效果，保护避雷针下部的被保护对象。

3)将与避雷针金属针体相连的引下线从绝缘支柱管芯中穿过，用绝缘树脂分次灌填管芯中的间隙，用抽真空的工艺排除管芯中可能存在的气泡，可以防止避雷针接闪时，由于金属针体上感应的瞬时高电压对被保护的对象(如避雷针下部的雷达天线、电子系统等)通过绝缘支柱管芯内部空气形成电弧放电泄放雷电流，有效保护被保护对象。

4)管芯内部的绝缘树脂常温固化后，可大幅增加绝缘支柱的机械强度。

5)在绝缘支柱的上端和下端分别配装连接套筒和安装法兰，连接套筒的金属材质与避雷针金属针体相同，安装法兰则采用与倾斜安装转接件及被保护对象顶部相同的金属材料，一方面可以防止不同的金属材料装在一起产生电化学腐蚀，另一方面也可以根据被保护对象的材质，进行灵活的配置。

6)根据雷达天线或电子系统等被保护对象顶部的面积及架设高度，采用2根或4根较小尺寸的避雷针，寄生安装在雷达天线或电子系统等被保护对象顶部，可以明显增加避雷针的保护范围，并防止雷电侧击或绕击，特别是针对布置在桅杆、铁塔等较高位置上的天线和电子系统。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的用滚球法确定单支避雷针的保护范围示意图；

图3是本发明实施例的用滚球法确定双支等高避雷针的保护范围示意图；

图4是本发明实施例的一种防爬电寄生避雷针设计原理图；

图5是本发明实施例的防爬电寄生避雷针安装在被保护的雷达天线或系统顶部示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种防爬电寄生避雷针设计方法，包括以下步骤：

1)根据雷达天线或电子系统的顶部的面积和避雷针的高度限制，选择避雷针的布设方式；

采用单支避雷针时，将避雷针布置在天线或电子系统的顶部中央；如果天线或系统的顶部面积较大，则采用两针或四针等多针方案，将避雷针对称布置在天线顶部边缘或对角；为了减小避雷针的高度，采用四根小型避雷针分布在四个对角，以增大保护面积，防止侧击。避雷针的保护范围可根据滚球法来确定。

单支避雷针在高度为h_x上的保护半径为：

其中：h为避雷针的高度，h_r为滚球半径；

如图3，双支等高避雷针的保护范围：

(1)AEBC外侧的保护范围，按照单支避雷针的方法确定；

(2)C、E点位于两针间的垂直平分线上，在地面每侧的最小保护宽度b₀按下式计算：

在AOB轴线上，距中心线任一距离x处，其在保护范围上边线上的保护高度h_x按下式确定：

该保护范围上边线是以中心线距地面的hx的点O’为圆心，以

为半径所作的圆弧AB。

(3)两针间AEBC内的保护范围，ACO部分的保护范围确定方法：在任一保护高度h_x和C点所处的垂直平面上，以h_x为假想避雷针，按单支避雷针的方法逐点确定。BCO、AEO、BEO部分的保护范围确定方法与此相同。

(4)确定xx’平面上保护范围截面的方法：以单支避雷针的保护半径r_x为半径，以A、B为圆心作弧线与四边形AEBC相交，以单支避雷针的(r₀-r_x)为半径，以E、C为圆心作弧与上述弧线相接。

四支等高避雷针保护范围的计算方法与双支等高避雷针的保护范围的计算方法相似，保护范围的外轮廓范围更大一些，以四支避雷针的顶点位置按照滚球法分析，可以在不增加避雷针高度的情况下显著增加保护范围，并防止雷电侧击。

2)根据避雷针的布设方式，设计避雷针并安装至雷达天线或电子系统的顶部；

如图4和图5，单支避雷针包括避雷针金属针体、绝缘支柱连接套筒、紧固铜螺栓、引下线铜接头、绝缘支柱管芯、硅橡胶伞盘、高压绝缘引下线；所述硅橡胶伞盘紧密附着在绝缘支柱管芯表面；

避雷针金属针体1通过绝缘支柱连接套筒2与绝缘支柱管芯5相连，避雷针金属针体1的材料为铜、铁等良导体金属棒，当顶部避雷针的重量有要求时，也可以采用密度较小的钛合金棒，长度约0.5～1m，直径20mm～25mm，到顶端部分渐变细，顶部为直径19mm左右的半球；避雷针金属针体1通过绝缘支柱连接套筒2采用直旋螺接方式接入后，再从侧面用四个不锈钢螺钉压紧固定；绝缘支柱连接套筒2与绝缘支柱管芯5则采用直插紧固套装后，再从侧面用四个不锈钢螺钉固定；绝缘支柱连接套筒2为与避雷针金属针体1相同的金属材料，以防止电化学腐蚀的发生；绝缘支柱管芯5为高强度绝缘树脂复合材料，外径约40mm左右，壁厚6mm左右，长度0.5～1m，外部通过热成型工艺覆盖一层硅橡胶，并形成一组间隔约40mm、厚度约5mm、直径约120mm的硅橡胶伞盘6，以增加高压表面距离，防止爬电或电弧的产生。

高压绝缘引下线7在端头剥掉适当长度的绝缘层后，通过筒内焊接和侧面紧固螺钉固定相结合的方式，与引下线铜接头4下端相连；而引下线铜接头4的上端通过紧固铜螺栓3带弹垫固定在绝缘支柱连接套筒2内部。高压绝缘引下线7内部的金属截面积不小于50mm²，高压绝缘引下线7从绝缘支柱管芯5内部穿过后，用绝缘树脂8分次灌填管芯中的间隙，采用抽真空的工艺防止管芯中气泡的滞留，常温固化，避免破坏高压绝缘引下线7的绝缘层。灌填树脂的目的是防止管芯内部形成电弧，同时可以增加绝缘支柱管芯5的机械强度。

绝缘支柱安装法兰9上部与绝缘支柱管芯5采用直插紧固套装后，再从侧面用四个不锈钢螺钉固定；绝缘支柱安装法兰9下部的法兰，则通过四个不锈钢螺栓与安装转接件10固定在一起，使避雷针向外产生一个合适的倾斜角，安装转接件10通过四个不锈钢螺栓安装在被保护的雷达天线或系统11的顶部，预设的闷头螺孔，防止漏水。绝缘支柱安装法兰9、安装转接件10与雷达天线或系统11的顶部的金属材料为同种金属材料，防止产生电化学腐蚀。

高压绝缘引下线7从安装转接件10的中心孔穿过后，沿雷达天线或系统的外侧壁以最短距离向下布置，连至接地体，可以通过焊接、螺接的方式，与接地体相连，将接闪的雷电流导入大地。如果是针对旋转的雷达天线保护，则在高压绝缘引下线7中间引入大电流滑环装置，实现从旋转至固定的转换；如果是可移动的大型电子系统，则可在系统到达指定部位后，迅速将与高压引下线相连的接地桩打入地下，浇上导电液体，实现有效的雷电接地。

实际安装过程中，各部件配齐后，按以下步骤实施安装：

2.1)根据避雷针的安装高度及引下线的走向，留适当余量，确定好高压绝缘引下线7的长度并下好料；

2.2)将高压绝缘引下线7的一端剥掉适当长度的绝缘层，通过筒内焊接和侧面紧固螺钉紧固相结合的方式，与引下线铜接头4下端连接牢固；

2.3)硅橡胶伞盘6是通过模具和热处理成形方法，紧密附着在绝缘支柱管芯5表面；

2.4)将引下线铜接头4的上端伸入绝缘支柱连接套筒2下部孔内，从绝缘支柱连接套筒2上部孔内伸入套筒扳手将带弹垫的紧固铜螺栓3旋紧，将铜接头4固定在绝缘支柱连接套筒2内部；

2.5)将高压绝缘引下线7的另一端从绝缘支柱管芯5内部穿过，将绝缘支柱连接套筒2套在绝缘支柱管芯5的上端，并在侧面用不锈钢螺钉固定；

2.6)将未固化的绝缘树脂8从绝缘支柱管芯5的下端缝隙灌入，连同绝缘支柱连接套筒2、引下线铜接头4、高压绝缘引下线7等一并放入真空罐内抽真空，排出绝缘支柱管芯中的气泡，待绝缘树脂固化后，补入适量绝缘树脂，再抽真空，固化，直到绝缘支柱管芯5中填满绝缘树脂8；

2.7)将高压绝缘引下线7从绝缘支柱安装法兰9的中心孔中穿过，将绝缘支柱安装法兰9套在绝缘支柱管芯5的下端，并从侧面用不锈钢螺钉固定；

2.8)将避雷针金属针体1从绝缘支柱连接套筒上部旋入到位，并从侧面用不锈钢螺钉固定；

2.9)将高压绝缘引下线7从安装转接件10的中心孔穿过，用带弹垫、平垫的不锈钢螺栓将绝缘支柱安装法兰9与安装转接件10安装在一起；

2.10)将安装转接件10通过带弹垫、平垫的不锈钢螺栓固定在被保护的雷达天线或系统顶部预留的安装板11的安装螺孔，实现避雷针与被试对象的集成安装。被保护的雷达天线或系统顶部预留的安装板11通常焊接在被保护的雷达天线或系统12的顶部，或与被保护的雷达天线或系统12的顶部一体化加工；

2.11)高压绝缘引下线7的末端通过接地体接入大地，接地电阻小于10mΩ，确保接闪的雷电流导入大地，实现对雷达天线或电子系统的直击雷保护。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种防爬电寄生避雷针设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据雷达天线或电子系统的顶部的面积和避雷针的高度限制，选择避雷针的布设方式；

步骤1)中避雷针的布设方式如下：

若避雷针的保护范围覆盖雷达天线或电子系统的顶部范围，避雷针的布设方式包括将避雷针布置在雷达天线或电子系统的顶部中央；如果天线或系统的顶部面积大于设定面积，则采用多针方案，将避雷针对称布置在雷达天线或电子系统的顶部边缘或对角；

2)根据避雷针的布设方式，设计避雷针并安装至雷达天线或电子系统的顶部；

所述避雷针包括避雷针金属针体、绝缘支柱连接套筒、紧固铜螺栓、引下线铜接头、绝缘支柱管芯、硅橡胶伞盘、高压绝缘引下线；

所述避雷针金属针体通过绝缘支柱连接套筒与绝缘支柱管芯相连，硅橡胶伞盘紧密附着在绝缘支柱管芯表面；设计安装过程如下：

2.1)根据避雷针的安装高度及引下线的走向，确定高压绝缘引下线的长度；

2.2)将高压绝缘引下线的一端剥掉适当长度的绝缘层，通过筒内焊接和侧面紧固螺钉紧固相结合的方式，与引下线铜接头下端连接牢固；

2.3)将引下线铜接头的上端固定在绝缘支柱连接套筒内部：将引下线铜接头的上端伸入绝缘支柱连接套筒下部孔内，从绝缘支柱连接套筒上部孔内伸入套筒扳手将带弹垫的紧固铜螺栓旋紧，将铜接头固定在绝缘支柱连接套筒内部；

2.4)将高压绝缘引下线的另一端从绝缘支柱管芯内部穿过，将绝缘支柱连接套筒套在绝缘支柱管芯的上端，并在侧面用螺钉固定；

2.5)将未固化的绝缘树脂从绝缘支柱管芯的下端缝隙灌入，连同绝缘支柱连接套筒、引下线铜接头、高压绝缘引下线一并放入真空罐内抽真空，排出绝缘支柱管芯中的气泡，待绝缘树脂固化后，补入适量绝缘树脂，再抽真空，固化，直到绝缘支柱管芯中填满绝缘树脂；

2.6)将高压绝缘引下线从绝缘支柱安装法兰的中心孔中穿过，将绝缘支柱安装法兰套在绝缘支柱管芯的下端，并从侧面固定；

2.7)将避雷针金属针体从绝缘支柱连接套筒上部旋入到位，并从侧面用螺钉固定；避雷针金属针体通过绝缘支柱连接套筒与绝缘支柱管芯相连；

2.8)将高压绝缘引下线从安装转接件的中心孔穿过，将绝缘支柱安装法兰与安装转接件安装在一起；

2.9)将安装转接件固定在被保护的雷达天线或系统电子顶部预留的安装板的安装螺孔，实现避雷针与被试对象的集成安装；

2.10)将高压绝缘引下线的末端通过接地体接入大地，确保接闪的雷电流导入大地，实现对雷达天线或电子系统的直击雷保护。

2.根据权利要求1所述的防爬电寄生避雷针设计方法，其特征在于，所述步骤1)中避雷针的布设方式为4支避雷针在雷达天线或电子系统的顶部的对角处对称布置。

3.根据权利要求1所述的防爬电寄生避雷针设计方法，其特征在于，所述步骤1)中避雷针的保护范围采用滚球法确定。

4.根据权利要求1所述的防爬电寄生避雷针设计方法，其特征在于，所述步骤2)中避雷针的顶部采用直径19mm的半球形钝顶结构。

5.根据权利要求1所述的防爬电寄生避雷针设计方法，其特征在于，所述步骤2)中绝缘支柱连接套筒的金属材质与避雷针金属针体相同。

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