摘要：本文主要分析了卫星通信天线系统设备组成和防雷等级分类计算，重点介绍了综合防雷系统设计，对于提高卫星通信基站的综合防雷能力具有实用性意义。 关键词：卫星通信天线系统防雷设计
Abstract: this paper mainly analyzed the satellite communications antenna system equipment composition and lightning protection level classification calculation, focusing on the integrated lightning protection system design, to improve satellite communication stations of the integrated lightning protection ability has the practical significance.
Keywords: satellite communications antenna system lightning protection design
中图分类号：TU856 文献标识码：A 文章编号：
概述
卫星通信天线是卫星通信基站的重要组成部分。卫星通信基站的卫星天线一般架设在建筑物楼顶上，相对周围环境而言，目标比较突出，从而导致雷击概率增多，通信基站常常遭受雷害，导致通信设备损坏、系统瘫痪。
雷击的危害主要有四个方面：1、直击雷；2、雷电波侵入；3、感应过电；4、地电位反击。以上四方面中雷电对卫星通信天线系统的危害主要以雷电波侵入、感应过电压与地电位反击三者居多，这三者统称为雷电电磁脉冲。据有关统计资料，直击雷的损坏仅占15%，而雷电电磁脉冲的损坏占85%。因此，对雷电电磁脉冲的防护是防雷系统设计的重点。
设备组成
本次卫星通信天线防雷系统的设计以3.0米环焦通信卫星天线为设计对象，卫星通信天线系统包括室外部分设备、室内部分设备、以及室内及室外设备之间的连接电缆。
室内设备包括伺服控制单元（简称ACU）、伺服驱动单元（简称ADU）、信标接收机。
室外设备为卫星天线，包括天线头、天线座、方位俯仰极化电动机、方位俯仰传感器、方位俯仰极化限位开关、倾角仪等。
室内及室外设备之间的连接电缆包括强电电缆及弱电电缆。
防雷等级分类计算
卫星通信天线一般架设在建筑物的楼顶，在卫星通信天线系统防雷设计时，首先是要确定建筑物的防雷等级，从而进一步分析确认卫星天线系统的防雷设计的相关指标参数。《建筑物防雷设计规范》(GB50057－97 2000)中，对建筑物防雷等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的预计年雷击次数N。
建筑物年预计雷击次数应按下式计算：
N = k * Ng * Ae（1）
式中：N ──建筑物年预计雷击次数（次／a）；
k ──校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；
Ng ──建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2?a）］；
Ae──与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。
雷击大地的年平均密度应按下式计算：
Ng ＝ 0.024T d 1.3（2）
式中：T d──年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定（d／a）。
建筑物等效面积Ae是其实际平面积向外扩大后的面积。其计算方法分以下三个方面：
（1）当建筑物的高H小于100m时，其等效面积按以下公式计算：
（3）
式中： L、W、H──分别为建筑物的长、宽、高（m）。
（2）当建筑物的高H等于或大于100m时，建筑物的等效面积按下式计算：
Ae ＝[ LW＋2 H（L＋W）＋πH2 ]?10-6 （4）
（3）当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。
（4）
按以上公式计算得到N后就可以确定防雷等级了。
综合防雷系统设计
防雷设计是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击危害的因素进行综合防护，才能将雷害减少到最低限度。这种综合防护主要包括接闪、分流（保护）、均压、屏蔽、接地、合理布线等要素。
图一所示为天线系统防雷示意图，分为室内设备和室外设备、器件。
室内设备：逆变电源、信标接收机、ACU、PDU、防雷箱。
室外设备、器件：屏蔽箱、分线盒、方位编码器、俯仰编码器、倾角仪、极化限位开关、方位限位开关、俯仰限位开关、极化电机、方位电机、俯仰电机。
图中：线缆W1为编码器连接线缆、W2为其它(极化限位、方位限位、俯仰限位、倾角仪)连接线缆、W3为极化电机连接线缆、W4为方位电机连接线缆、W5为俯仰电机连接线缆。
其中，线缆W1在天线控制器后面板处进行了分线，分为线缆W1-1(连接方位编码器插接口)、线缆W1-2(连接方位编码器插接口)。
线缆W2在天线控制器后面板处进行了分线，分为线缆W2-1(连接倾角仪插接口)、线缆W2-2(连接极化限位插接口) 、线缆W2-3(连接方位限位插接口) 、线缆W2-4(连接俯仰限位插接口) 。
天线室外设备整体防护
目前我国《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94 2000）采纳了国际电工委员（IEC）推荐的“滚球法”作为避雷针保护范围的计算方法。通过计算，3.0米环焦通信天线的避雷针的制作规格为：2根长度为1500mm的圆钢，圆钢的直径为16mm。
在天线主面顶点和副面中心安装2根以上规格的避雷针，避雷针可以使卫星天线始终处于以避雷针顶点为顶点的90圆锥体保护范围内。避雷针与卫星天线安装基础的接地桩用截面积25mm2的紫铜蛇皮线连接。
注：每根引下线处的冲击接地电阻不能大于5Ω。
线缆防雷设计
连接室内和室外设备的电缆分为强电电缆和弱电电缆，均采用带屏蔽层的电缆，并传入钢管进行保护。为了防止强电电缆和弱电电缆之间产生干扰，强电电缆和弱电电缆需要分别独自进行穿线，因此需要两根平行走线的钢管用来传输线缆。两根钢管采用地埋方式，钢管的内径（直径）为8cm。
出户端防雷
按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》上的相应防雷规范，对天线强电电缆和弱电电缆在出户端进行接地。方式是在室外出户端安装一个屏蔽箱。
强电电缆和弱电电缆进入屏蔽箱后，剥离一段塑料外皮，用压线槽压紧各线的屏蔽层，两根强电电缆的屏蔽层进行串联，然后由接地线单独连接到接地汇流排；三根弱电电缆的屏蔽层进行串联，然后由接地线单独连接到接地汇流排。以上接地线的线径均选用16mm2的多股铜线对其进行连接。连接关系见图二所示―屏蔽箱内线缆连接示意图。
屏蔽箱的接地线从屏蔽箱出来后，需要就近接地，此距离不应超过50cm。
图二屏蔽箱内线缆连接示意图
入户端防雷
按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》上的相应防雷规范，对天线强电电缆和弱电电缆在入户端处设置了一个防雷箱。箱内安装了两台电源浪涌保护器（SZGMV20-385），分别连接方位电机线缆和俯仰电机线缆。以及信号浪涌保护器SZGLS5-1JX16（连接编码器连接线缆）和SZGLS5-1JX26（连接极化电机线缆、倾角仪线缆、其它连接线缆）各一台。连接示意图见图三―防雷箱内SPD和线缆连接示意图。
为了安全起见及使用和维护方便，按照电源系统的多级防护原则，采用保护器与强电电缆和弱电电缆并联的方式对强电电缆和弱电电缆上的雷电残压进行泻放，用于抑制从传输线缆侵入的雷电过电压和操作过电压对天线控制器（ACU）的危害。
接线方式可采用将线缆截断，然后在防雷箱内各浪涌保护器接线端子上压接，再将各浪涌保护器的接地线在防雷箱内统一汇流合为一根接地线，将其连接至接地汇流排。以上接地线的线径均选用16mm2的多股铜线对其进行连接,并就近接地，此距离不应超过50cm。
图三防雷箱内SPD和线缆连接示意图
各防雷器材选购主要技术参数见表一：
结论
防雷的目的是保证卫星天线系统能正常工作，不受雷电的干扰和破坏。该设计针对卫星通信基站地理位置、机房条件、通信信号等方面的特点，从接闪、分流（保护）、屏蔽、接地、合理布线等方面进行了综合防护，提高了卫星通信基站的综合防雷能力，防止卫星通信基站遭受雷害，确保卫星通信基站内设备的安全和正常工作，确保建筑物，站内人员的安全。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。