大型全可动射电望远镜雷电防护及其在线监测系统设计与实现

郭文，张彬

（1.中国科学院上海天文台，上海 200030；2.上海优泰欧申智能科技有限公司，上海 201612）

大型全可动射电望远镜天马射电望远镜因其巨大的尺寸和高度使其经常成为雷电接闪的目标，为了保障天线重要电子信息和电气系统的正常运行，在雷电防护方面采取了以下的特殊设计和安全措施：（1）预放电避雷针。射电望远镜副面天线的位置设置4 组高大的预放电避雷针，以吸引和分散雷电。这些预放电避雷针通常比望远镜本身更高，保护范围大，以确保雷电击中避雷针而不是望远镜结构，然后通过接地系统将雷电引导到地下。（2）防雷接地系统。射电望远镜配备有效的防雷接地系统，将雷电的电流迅速引导到地下，减少雷电冲击对设备和人员的影响。这些接地系统通常包括大型的接地电极和导体，以确保雷电能够安全地释放到地下，而不是通过设备传导或引发火灾。（3）屏蔽和保护电子设备。射电望远镜的电子设备和仪器根据雷电能量的分布情况配置相应防护能力的浪涌保护器，包括电源浪涌保护器和信号浪涌保护器，以防雷击引发的电磁脉冲对配电设备和测量系统造成损害。

本文主要设计了用于对天马射电望远镜副反射面上的4 根预放电避雷针的直击雷雷电波形进行实时监测和防护的系统，该系统可以实时获取记录射电望远镜遭受雷击的部位和电流波形，根据对雷电波形、幅值、能量、发生时间等重要数据的分析，同时设计了针对大型射电望远镜所有供电设备和电子信息设备的过电压、过电流防护系统，并实时观测到每个设备的工作状态和过电压防护状态，对射电望远镜整体的运行维护工作具有重要意义。

1 雷电监测系统

1.1 副反射面天线雷击特征参数

大型全可动射电望远镜在雷雨天气常见的故障主要由雷电放电所造成，为了对雷电波形进行监测和分析，需要设计合理的监测方法和雷电参数监测范围，相关雷电特征参数如下。（1）雷电流极性和波形。通过国内外多年积累实测数据分析，可得75%～90%雷电流呈现负极性，且雷电流波头与波尾为随机变量，雷电流波头在1 ～5µs，波尾约为20 ～100µs。（2）雷击线路过电压。根据输电线路雷击过电压形成的物理过程，雷电过电压可以分为感应过电压与直击过电压两种。（3）雷电流幅值与概率分布。雷电流幅值与气象、自然条件相关。雷电流是一种非周期性冲击波，具有随机性，雷电流的概率分布规律可以通过国内外大量实测数据分析估算得出，得出结果可用公式表达为：

式中，I 雷电流幅值（kA）；P 为雷电流超过I 的概率。

1.2 副反射面天线雷击监测方法

目前对暂态、高频雷击电流的测量方式主要有传统电磁式CT 和Rogowski 线圈两种。其中传统电磁式CT的测量方式存在大电流波形测量失真和易饱和等缺点，而采用电磁感应原理的罗氏线圈明显克服了以上缺点，具有测量雷电电流幅值大、波形时间长、结构简单、线性良好等优良特性。因此，本文监测副面天线避雷针雷击电流的传感器优先选用罗氏线圈这种测量方式。罗氏线圈按照积分方式可分为自积分方式与外积分方式，其中外积分方式更加适用于测量中低频脉冲电流，同时雷电能量主要集中在低频部分，所以选择外积分方式进行分析。图1 为罗氏线圈外积分电路模型，其中R、C 分别为积分电阻与积分电容；L、RL、C0分别为线圈的内阻、电感及电容；RJ为阻尼电阻；M 为载流导体与罗氏线圈的互感。

图1 罗氏线圈外积分电路模型

根据图1 可得出传递函数，其公式表达为：

在正弦信号作用下：

低频段满足外积分条件的下限频率时，可以忽略其分布电容，此时，下限频率可表达为：

高频段根据根据谐振原理可得出上限频率为：

在满足工作频率内，输出信号与被测电流的关系为：

1.3 小结

通过对大型全可动射电望远镜天马射电望远镜副反射面天线预放电避雷针长期雷电监测发现，4 ～9 月为遭受雷击频发阶段，既有5 ～10kA 的连续雷击电流，也有40kA 左右高电压、高能量雷击波形，如图2 ～5某时间段4 组预放电避雷针连续接闪波形所示，表1 为4 组预放电避雷针连续接闪数据参数表，长期的雷电监测对及时调整大型射电望远镜雷电防护措施具有重要的指导意义。

表1 4 组预放电避雷针连续接闪数据参数表

图2 预放电避雷针连续接闪波形1

图3 预放电避雷针连续接闪波形2

图4 预放电避雷针连续接闪波形3

图5 预放电避雷针连续接闪波形4

2 雷电防护系统

2.1 浪涌保护器监测系统设计

（1）硬件设计。天马射电望远镜各级配电系统和电子信息系统都会安装浪涌抑制能力相适应的浪涌保护器，但由于电涌保护器在工作中长期受到工频电流、过电压以及不同温湿度环境的影响，其内部的氧化锌压敏电阻会产生老化劣化现象导致泄漏电流、压敏电压等相关电气参数偏离初始值。随着泄漏电流的逐渐增大，浪涌保护器会逐渐升高温度直至触发热脱扣机制，因此监测浪涌保护器实时劣化状态对设备的安全运行具有重要意义。本文中浪涌保护器监测模块设计主要采用型号为STM32G030F6P6 作为采集芯片，浪涌保护器监测模块使用GPIO 引脚输入功能监测浪涌保护器遥信状态，浪涌保护器监测系统数据采集模块能将采集的数据通过串口发送给数据传输模块。

（2）软件设计。天马射电望远镜使用的浪涌保护器监测系统采用积木式结构，易集成、易扩展且具备良好的二次开发能力。系统开发则是基于xml 标准与WebService 等标准开发的系统，为信息采集、聚合提供多种信息接口标准，支持第三方系统信息数据导入，并且系统网页界面支持移动端进行使用，具有良好的开放性。此外，系统还拥有许多安全机制，提供统一的系统入口，以集中的用户认证和权限控制，杜绝非授权操作，避免数据信息遗失或被篡改。此系统的功能主要包括4个部分。

①数据采集与传输子系统。主要分为SPD 监测数据与气象数据，其中SPD 监测数据浪涌监测模块的主要功能为通过采集来自浪涌保护器的电流峰值、极性等信息的采集来预判浪涌性质；气象数据则包括预报、预警以及实况数据，主要功能是将浪涌监测模块采集的数据传输至后台以及云端，每个数据不会出现重复上传以及漏传。

②SPD 在线监测子系统。能够将服务管理、监测报警信息、故障原因等数据量化，实现了数据的便利查询并且支持模糊查询等功能，完成了数学模型及智能算法设计、智能分析及校验。

③气象服务业务子系统。此系统接入与防雷安全有关的精细化预报预警气象要素，当某一设定阈值达到时，系统会自动进行智能预警提醒。

④WebGIS 平台。基于地图数据的信息展示分析平台。

2.2 小结

本章根据浪涌保护器防护特性和雷电流能量分布情况，对天马射电望远镜做了整体性雷电防护和监测方案。

（1）副反射面天线供电电源设备安装一级浪涌保护器，参数为Iimp:20kA、Uc:600Vac、Up：1.5kV，为天线设备提供直击雷防护。

（2）馈源舱、俯仰和方位驱动、压缩机房、伺服机房、远程机房、UPS 机房配电箱安装二级浪涌保护器，参数为In:40kA、Uc:385Vac、Up：2.0kV，馈线设备安装高频馈线浪涌保护器，参数为Iimp:5kA、Uc:180Vac、Up：0.5kV。

（3）仪器仪表通讯总线安装信号浪涌保护器，参数为Iimp:2.5kA、Uc:24Vac、Up：13V。

（4）为每个浪涌保护器安装浪涌保护器监测模块，监测浪涌的寿命和雷击状态，可以实时为大型射电望远镜提供雷电安全防护。

3 结语

本文通过大型全可动射电望远镜天马射电望远镜的雷电防护与在线监测系统的设计与实现，保证天马射电望远镜供电设备与电子信息设备日常工作的正常运行。通过对天马射电望远镜的副反射面安装雷击监测设备，在长期监测中得出4 ～9 月为天马射电望远镜所在区域遭受雷击频发阶段，并且取得了预放电避雷针连续接闪数据，表明长期雷电监测存在重要意义。根据浪涌保护器防护特性以及天线副反射面区域监测得到的雷电数据进行分析，为天马射电望远镜设计了整套雷电防护系统方案，为天马射电望远镜不同供电设备与电子信息设备配备了适配型号的浪涌保护器，通过浪涌保护器监测系统实时监测各个浪涌保护器的工作状态，能够做到实时反馈以及数据采集，对天马射电望远镜的正常运行具有重要工程意义。