固定台站立杆天线直击雷防护设计

徐延亮，张海彬，刘成龙，王帅辉

（解放军91876部队，秦皇岛 066203）

0 引 言

随着电子对抗技术的飞速发展，大量无线电设备投入岸基航空兵部队。这些设备需要各式各样的天线完成地空间的通信、导航与飞机定位以及进行各种必要的电子对抗。但由于各种原因，这些天线拥挤地立在机场部分台站顶部，以致原来的防雷措施并不能满足防雷要求，加之台站数公里内十分开阔，使得这些天线完全暴露在空旷的环境中，雷雨天气容易遭受雷击，造成巨大损失。

目前，这些台站主要存在以下隐患：（1）新架天线明显高于原避雷针，原避雷针形同虚设；（2）站顶面立有多架天线，原有避雷针保护范围不能覆盖所有天线；（3）台站顶面没有足够预留固定措施，避雷针难以架立。为此，本文提出如下解决方法：可在天线一定高度处引出一段水平线，水平线末端再引出一条向上的垂直线，以此垂线作为避雷针。此方法还适用于空间较小、天线较多、对电磁兼容性要求不高的地域，比如通信对抗部队野外作战时立杆天线的防雷问题，不适用于电磁兼容性要求较高的地域，比如海上水面舰艇桅杆天线处［1］。下面从避雷针避雷原理、避雷针的保护范围和所需高度几个方面说明上述方法的合理性和有效性，并分类讨论各种应用情况。

1 避雷原理

避雷针是直接承受雷击的部分，须高出被保护物体，当闪电的下行先导向地面上被保护物体上发展时，处于相对高处的避雷针将率先导引向自身，使雷击发生在避雷针上，让强大的雷电流经引下线和接地体泄入大地，从而使被保护物体免遭直接雷击。

从雷云对地放电的发展过程来看，由于处在高于被保护物体的空间位置上的避雷针通过引下线和接地体保持与地良好的电气连接，当雷云出现在地面上空时，又由于静电感应作用，大地及避雷针上将出现与雷云电荷相反的电荷。于是在避雷针的顶端处电场将发生畸变，出现局部集中的高电场区，这就为雷电先导向避雷针发展创造了十分有利的条件，很容易将先导吸引到避雷针上，使雷击点出现在避雷针的顶端，而不致出现在其下面的被保护物体上。可见，避雷针的主要作用是引雷，是让自身遭受雷击从而使其下面的物体得到保护。

2 避雷针的保护范围

避雷针有一定的保护范围，在此范围内的天线可以得到较好的保护。目前，确定此空间的最佳方法是滚球法。

滚球法的计算原理是以某一规定半径的球体，在装有避雷针的建筑物上滚过，滚球体由于受建筑物上所安装的避雷针的阻挡而无法触及某些范围，这些范围则是避雷针的保护范围。不同的防雷等级采用不同的滚球半径，分成30 m、45 m和60 m 3个级别［2］。滚球半径越小，可保护的空间就越小，同时建筑物得到保护的最小雷电流幅值越小。下面以滚球法分析避雷针的保护范围。

2.1 单支避雷针保护范围

如图1所示，单支避雷针DA的高度为滚球半径。滚球底端C置于一定水平面（地面或楼顶面）上，另一端紧密接触避雷针顶端A，这样，DA、DC和弧AC共同组成了一个封闭的区域。根据立体几何知识，将此区域以DA为轴旋转360°形成的封闭空间，便是避雷针的保护范围。

由上述分析可知，单支避雷针的保护范围是一个对称的尖锥体，形如斗笠。离避雷针越近，避雷针保护高度就越高；离避雷针越远，其保护高度就越低。避雷针越高保护范围就越大。

多支避雷针的保护范围同样可用滚球法确定。这些避雷针外侧分别是原单支避雷针保护范围，内部则是滚球在多个避雷针顶部滚动所形成的立体空间。此空间大于原单支避雷针在内部空间的重叠交叉。各支避雷针离得越近，总体保护高度就越高，水平保护尺寸就越小；反之，总体保护高度就越低，水平保护尺寸就越大。在实际应用中，由于目标形状和防雷要求可能都不一样，滚球所在面可能是斜面而不是水平面［4］，因而避雷针的高度、数目也可能不一样，其内部保护范围各不相同。然而双支避雷针内部保护范围的计算比较简单，3支或3支以上避雷针内部保护范围的计算就十分复杂［5］。这种计算一般适合于避雷针内部空间尺寸较大的目标，如球形气象雷达等。本文研究的是立杆天线防雷，立杆天线在竖直方向上有较大高度尺寸，在水平方向上只有较小的横向尺寸，因而不必细算几架立杆天线内部所有点的防雷高度，只是分别计算每架立杆天线所对应单支避雷针的保护范围。综合比较后，剔除不能发挥效能的避雷针，剩余的避雷针即可满足防雷要求。对于立杆天线，这样计算得出的避雷针保护范围不但简单，而且防雷标准相对更高。

图1 单支避雷针的保护范围

设rx是避雷针在h x高度处的保护半径［3］，当h≤hr时：

(1) 工程案例一。案例引自文献[9]，滑坡体为黏土和粉质黏土为主夹杂碎石，坡体倾斜度为20°，土体重度γ=18 kN/m3，土体抗剪强度参数c=130 kPa，φ=15°，抗滑桩截面尺寸a=2 m，b=3 m，抗滑桩受荷段长H=10.5 m。由不平衡荷载传递系数法计算出抗滑桩处的设计滑坡体推力为1 076.6 kN/m。

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2.2 多支避雷针保护范围

在直角三角形AEO中：

3 避雷针的高度

避雷针选择合适的高度是进行防雷的关键。高度过高，虽能防雷，但增加了安装难度和成本，同时加大了将雷引向天线处放电的概率；高度过低，则达不到防雷要求，同样危险。

可见，在距离立杆天线1 m处立1根高度为12.2 m的避雷针即可满足其防雷要求。

3.1 避雷针的最低高度

众所周知，航空兵飞机鲜有在雷雨天气下飞行，加之雷电对天线短波、超短波辐射影响较小，防雷对避雷针和立杆天线之间距离要求不高，只需满足天线横向尺寸要求即可。通常情况下，被保护天线的高度是已知的，根据滚球法可确定避雷针的理论高度。如图2所示，天线立杆高h B，滚球半径hr。

另外，在查处商业贿赂的多部门中，工商部门是最主要的执法部门，担负着巨大的工作任务。但在实践中，工商部门并没有查封、扣留等执法手段，这就使得那些变相以实物进行商业贿赂的行为很难及时进行留存取证，从而让经营者逃避了法律的制裁。

图2 架在天线上避雷针高度示意图

根据上述分析可知：单支避雷针一般情况下可满足1架或几架立杆天线的防雷要求，多支避雷针可同时满足几架立杆天线的防雷要求；避雷针存在最低高度和最高高度。在实际中，被保护的立杆天线数目不定，需要的避雷针数目也不定，因此分以下3种情况具体说明。

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可见，避雷针高度可由滚球半径、天线高度及两者之间距离唯一确定。理论上，此高度是立杆天线不受雷击时避雷针的最低高度；而实际应用中，根据经验，为保证防雷的有效性，滚球至少要高于水平平面1 m，因而避雷针实际最低高度相对理论高度至少也要高出1 m［6］。

高通量捕获测序提示CLCNKB基因c.1389delA纯合突变。Sanger测序验证父亲携带该位点杂合突变，而母亲未发现该位点突变(图1)。MLPA检测证实先证者与母亲均存在CLCNKB基因1-18号外显子杂合缺失(图2)，先证者父亲无片段缺失。明确先证者致病突变及父母来源后分别采用Sanger测序与MLPA检测羊水胎儿DNA，发现胎儿基因型与先证者一致。

3.2 避雷针的最高高度

避雷针的最高高度受各方面因素的影响。

医院感染部位分布如表1所示。其中以泌尿系统感染所占比例最高，为45.45%，其次为下呼吸道感染，占31.82%。手术部位感染8例，占18.18%。

首先，避雷针高度不能超过与天线所对应的滚球半径，超过时也只能按被保护物所对应的滚球半径取其有效高度予以计算，超过这一高度的部分则无法得到保护［7］。一般情况下，立杆天线都是立在台站楼顶面上，高度不超过20 m，因而滚雷半径取30 m即可满足其防雷要求。

The Department of State had expected that passport and visa disputes might happen, so a timely instruction was sent to Grady:

实际最低高度则为12.2 m。

再者，避雷针高度也要考虑周围建筑物已有防雷措施，防止因避雷针过高，造成周围防雷措施失去效能的情况发生。

4 分类讨论

滚球底端C置于一定水平面（地面或楼顶面）上，另一端紧密接触立杆天线的顶端B。现从天线立杆F处以r B距离引出避雷针，则避雷针的高度：

4.1 台站上只有1架天线

假设立杆天线高h B为10 m，与避雷针距离r B为1 m，滚球半径hr为30 m，根据公式（13），避雷针理论最低高度h A＝11.2 m。

其次，避雷针与立杆天线之间的固定连接必须稳定。对于同一架立杆天线，距离避雷针越远，则避雷针越高，越不容易固定；距离避雷针越近，避雷针对天线的干扰就越大。综合考虑，避雷针与天线距离一般取1 m即可，若天线顶部尺寸较大，可适当增加与避雷针之间的距离。

北京市高级人民法院在“百度诉奇虎案”中创设的非公益必要不干扰原则，是我国法院近年在处理新型竞争行为的司法实践中最重要的法律创新，尽管理论上对其合理性仍存在争议。这一原则在很大程度上得到了最高人民法院在该案再审程序中的支持，因此也被一些法院在特定案件中加以援引和适用。

4.2 台站上有2架天线

首先在较高的立杆天线上架立避雷针。假设立杆天线1高于立杆天线2，天线1的高度h B为10 m，与避雷针1的距离r B为1 m，滚球半径hr为30 m；天线2的高度为h x，避雷针1在2支天线确定的平面上，天线2与避雷针1的距离d。

数据计算显示，超声弹性成像检查良性1至3分22例，4至5分11例，恶性1至3分5例，4至5分32例；超声造影检查良性1至3分28例，4至5分5例，恶性1至3分2例，4至5分35例。

由公式（1）可知：当d≤rx时，天线2在避雷针1的保护范围内；当d＞rx时，天线2的高度大于避雷针1在天线2处的保护高度，天线2得不到保护。此时，须在天线2上架立避雷针2或适当提高天线1上避雷针1的高度，方可满足天线2的防雷要求。对于前者，避雷针高度的计算方法可参照4.1；对于后者，不能无节制增加避雷针1的高度以满足天线2的防雷要求，此时不光考虑避雷针最高高度的问题，还要考虑到安装难度和安装成本。

4.3 台站上有3架或3架以上天线

当有3架或3架以上天线时，首先要计算最高天线所需避雷针1的理论最低高度，此避雷针安装位置应尽量靠近其余天线；然后将其余天线的高度分别代入公式（4），求得这些天线的保护半径后，再分别比较这些保护半径与避雷针的直线距离，以确定这些天线与避雷针1保护范围之间的关系；最后将不在保护范围内的天线筛选出来。

按照上述方法可一直求得避雷针2，3，4，…，n的理论最低高度。当然，也可根据实际情况在避雷针理论最低高度基础上适当增加高度，以减少所需避雷针的数量。通常情况下，避雷针不会超过4个。

5 防雷系统规格要求

避雷针、引下线以及接地体共同组成了防雷系统，如图3所示。

图3 某台站基于单支避雷针的防雷系统

避雷针顶端的针尖应做成圆锥状，具有较大的尖度，且应光滑，无凸凹不平处。避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成，当针长小于1 m，圆钢直径大于12 mm，钢管直径大于20 mm；当针长1～2 m，圆钢直径大于16 mm，钢管直径大于25 mm。

将雷电流从避雷针传导至接地装置的那一部导体称为引下线，其作用是将雷电流引入接地装置。多架避雷针的引下线可并联在一起，并直接汇接到大地中。引下线不能和天线体或其他任何金属物体有接触，并且越短越好。引下线采用圆钢或扁钢，圆钢直径不小于8 mm；扁钢的界面应不小于48 mm2，且厚度应不小于4 mm。

接地装置是埋入地下的接地体与接地连线的总和。没有良好的接地装置，防雷就不能发挥令人满意的保护作用。接地装置的性能直接决定着防雷保护措施的实际效果。接地地阻是表征接地性能的基本物理参数，它主要取决于土壤的电导率。一般情况下，可通过加入降阻剂、利用建筑物基础中钢筋作为接入体等方法降低接地地阻，实现接地与防雷的统一。

6 结束语

利用滚球法确定避雷针保护范围和安装高度的方法已经广泛应用于气象台站中。本文率先采用此方法对航空兵固定台站多架立杆天线防雷进行了设计，并在固定台站顶部的立杆天线上安装了多部避雷针。实践证明，此方法简单、安全、有效。此方法同样适用于其他对电磁兼容性要求不高的较小空间内天线的防雷。

［1］王萌，宋鑫.一种水面舰艇避雷针设计方案［J］.舰船科学技术，2014，36（12）：170－173.

［2］隋朝阳，丁力.用滚球法确定连雷针的保护范围［J］.吉林气象，1998（1）：23－24.

［3］吴焕勤，丁望.滚球法确定避雷器保护范围的几何分析［J］.现代建筑电气，2010，9（1）：29－34.

［4］刘俊，余晓红.滚球法防雷保护范围边界条件示例分析［J］.中国安全生产科学技术，2013，9（1）：103－107.

［5］高磊.直击雷防护相关问题探讨［J］.气象科技，2007，35（3）：435－438.

［6］戴进飞，林中永.滚球法求解避雷针高度的设计要点［J］.中国科技信息，2009（9）：140－141.

［7］王卫华.避雷针高度变化及其保护范围的确定［J］.湖北气象，2001（4）：31－32.