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技术论文 | 中小机场 VHF 天线防雷接地技术改进研究

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中小机场VHF 天线防雷接地技术改进研究

滕 伟

专翼(上海)机场建设管理有限公司

摘 要:当前,中小机场VHF 天线防雷接地面临传统接地装置材料老化、土壤电阻率动态变化影响、接地网腐蚀防护技术不足、等电位连接系统设计缺陷等问题,严重威胁通信稳定性与设备安全。围绕上述现存缺陷展开研究,提出防雷复合接地系统优化设计方案,涵盖结构组合、材料选型及关键参数控制,明确标准化施工工艺与降阻措施,并构建周期性检测与全周期维护体系,最后通过实际案例验证了技术改进的有效性。

关键词:中小机场;VHF 天线;防雷接地技术

在航空通信领域,甚高频天线(very high frequency antenna,VHF)作为中小机场空管通信的核心设备,其防雷接地性能直接关系到飞行安全与通信稳定性[1]。随着中小机场航班量增长及极端天气频发,传统防雷接地技术因材料老化、土壤环境适应性不足等问题,逐渐暴露可靠性短板。为此,结合工程实践需求,从系统设计、施工工艺、运维管理等维度构建兼VHF 天线防雷接地技术体系,对于提升中小机场通信保障能力至关重要。

1 中小机场VHF天线防雷接地技术现存缺陷分析

1.1传统接地装置材料老化问题

中小机场VHF 天线传统接地装置多采用热镀锌钢材,该材料在长期土壤电化学腐蚀及大气环境作用下,易出现镀层剥落、基体锈蚀等现象。钢材锈蚀后截面尺寸缩减,导致接地体有效导电面积减小,接地电阻逐年升高,雷电泄放能力显著下降。例如,在南方多雨地区,土壤含水率高且呈弱酸性,加速了钢材腐蚀进程,部分运行超过 10 年的接地装置锈蚀率可在30% 以上。此外,传统焊接工艺形成的接头易因应力集中产生断裂,进一步破坏接地系统的电气连续性,使得雷电流无法通过接地装置快速导入大地,增加了VHF 设备遭受雷击损坏的风险。

1.2土壤电阻率动态变化影响机理

土壤电阻率受含水率、温度、季节等因素影响呈现动态变化特性,直接制约接地系统的稳定性。在中小机场建设中,接地网设计常基于勘测阶段的静态土壤电阻率数据,未充分考虑周期性气候变化的影响。例如,北方地区冬季土壤冻结时,电阻率可较常温状态升高2~3个数量级,导致接地电阻显著增大;南方梅雨季节土壤含水率激增,虽可降低电阻率,但可能引发接地体局部电解腐蚀。此外,机场周边人类活动(如地下管网施工、地下水抽取)改变局部土壤结构,也会造成电阻率异常波动[2]。

1.3接地网腐蚀防护技术短板

当前中小机场VHF 天线接地网普遍缺乏系统化腐蚀防护措施。传统防腐手段以涂覆沥青或环氧树脂为主,但其耐久性不足,在土壤颗粒摩擦及微生物作用下易出现涂层破损,丧失防护效能。牺牲阳极法虽能提供电化学保护,但阳极材料消耗过快,需定期更换,增加了运维成本。对于采用水平接地体与垂直接地体组合的复合接地网,不同金属材质(如铜包钢与热镀锌钢)接触时产生的电偶腐蚀问题尚未得到有效解决,连接处易成为腐蚀薄弱点。

1.4等电位连接系统的设计缺陷

中小机场VHF 天线等电位连接系统常存在设计精细化不足的问题。部分机场仅将天线基座与接地网简单连接,未对馈线、设备机柜、金属构件等进行全方位电位均衡处理。例如,VHF 天线馈线与接地网之间缺乏高频低阻抗连接点,雷电流沿馈线传导时易产生感应过电压,击穿设备接口元件。此外,等电位连接导体截面积选取不合理,在高频雷电流冲击下可能因趋肤效应导致有效载流能力下降,引发连接导体过热甚至熔断。

2 中小机场VHF天线防雷复合接地系统优化设计

2.1结构组合方案

针对中小机场VHF 天线接地系统存在的结构单一性问题,提出分层次复合接地网架构。核心层采用辐射型铜包钢水平接地体与垂直接地极交叉布置,水平接地体呈星形拓扑延伸,单根长度不超过40 m,埋深不小于0.8 m,确保雷电冲击电流快速扩散。第二层增设离子接地极阵列,以直径200 mm、长度3 m 的缓释型离子接地极为主,沿天线基座周向间隔5 m 布置,通过高导电解质改善土壤离子渗透性。第三层设置环形辅助接地体,采用50 mm ×5 mm 镀铜扁钢环绕设备区形成闭合回路,与建筑基础钢筋多点焊接,实现电磁屏蔽与电位均衡双重功能。

对于高土壤电阻率区域(>500 Ω·m),采用深井垂直接地体与水平接地网协同结构。深井垂直接地体选用Φ50 mm 铜包钢棒,单根长度 12 m,利用冲击钻穿透风化岩层,井内填充石墨基降阻材料,水平接地网通过热熔焊与深井体形成三维泄流网络[3]。在多岩石地质条件下,接地体走向应顺延岩层裂隙分布,避开断层破碎带,减少接触电阻。

2.2材料选型标准

防雷接地系统材料需满足导电性、耐腐蚀性及机械强度的综合要求。表1 对比了典型接地材料的性能参数。


表1主要材料的选型标准与技术参数

水平接地体首选铜包钢材料,其铜层厚度需≥ 0.25 mm,铜钢结合面剪切强度> 100 MPa,确保雷电流承载能力。垂直接地极在盐碱地区应采用不锈钢材质,表面经钝化处理,降低点蚀风险。连接件选用铜铝过渡端子,接触面镀锡处理,接触电阻≤ 0.03 Ω。针对电偶腐蚀问题,异种金属连接处需涂覆导电防腐胶泥,胶泥体积电阻率≤ 0.1 Ω·m,厚度不低于2 mm。

2.3关键参数控制

接地系统性能需通过量化参数实现精准控制,表2列出关键设计指标与工程控制范围。


表2关键参数控制指标范围

工频接地电阻控制需综合土壤修正系数,当土壤电阻率ρ > 300 Ω·m时,采用公式Re=0.5 ρ/(√N·L) 进行补偿计算(N 为垂直接地极数量,L 为单极长度)。冲击接地电阻需考虑火花效应,设计时预留30% 裕度。材料腐蚀速率通过加速老化试验验证,在pH=5 的模拟土壤溶液中,72 h 腐蚀深度应小于0.003 mm。等电位连接导体截面积按雷电流幅值50 kA 设计,铜带最小截面积50 mm2,搭接长度 ≥ 100 mm,焊接熔深> 5 mm。施工过程中采用红外热成像仪实时监测连接点温升,确保峰值温度不超过环境温度 15 ℃。

3 施工工艺与质量控制

3.1标准化作业流程

VHF 天线防雷接地系统的施工建立涵盖测量放线、构件安装、焊接处理、防腐施工及系统测试的全流程作业标准。应依据机场电磁环境特征,采用全站仪进行三维坐标定位,确保接地体走向与机场跑道、通信管线保持安全距离。接地沟槽开挖深度应达到冻土层以下,南方地区不低于0.8 m,北方冻土区需加深至 1.2 m,沟底需铺设 100 mm厚细沙层消除尖锐物损伤风险[4]。

水平接地体敷设采用机械牵引与人工调直结合工艺,铜包钢绞线展放时弯曲半径不得小于线径20 倍,相邻接地体间距控制在5 m 以内。垂直接地极安装需使用液压驱动装置,以0.5 m/min 速率垂直贯入土层,倾斜度偏差不超过2 。,接地极顶端需露出地面200 mm以便焊接操作。多段接地体连接必须采用放热焊接工艺,模具预热温度达到600 ℃ 后注入CuO-Al 热剂,形成冶金熔接接头,焊缝抗拉强度需在母材的90% 以上。

防腐处理分三阶段实施:首先对焊接部位进行喷砂除锈,表面粗糙度达到Sa2.5 级;随后涂刷双组分环氧富锌底漆,干膜厚度 ≥80 μm;最后包裹纳米导电防腐胶带,搭接宽度不少于50 mm。施工全程需采用接地电阻在线监测仪,实时跟踪系统阻抗变化,发现异常波动立即中断作业进行故障排查。

3.2降阻措施实施

针对高土壤电阻率区域的特殊工况,需构建多维度降阻技术体系。在接地网辐射末端设置深井式降阻模块,采用Φ800 mm钻头开凿12 m深井,井内分层填装石墨基复合降阻材料与钠基膨润土,每填入300 mm厚度即注水浸润,使材料膨胀系数达到 1 ∶3.5形成致密导电层。

水平接地网敷设时采用立体降阻结构,在传统水平放射状网格基础上,每隔10 m设置伞形分支电极。分支电极由6 根 1.5 m 长镀铜钢棒呈60 。夹角斜插入土,通过铜绞线与主接地体连接,形成三维放电通道。对于岩层出露区域,采用高压注浆技术改良接触电阻,使用水泥、膨润土、碳粉按5 ∶3 ∶2 比例配制导电浆液,通过3 MPa压力注入岩体裂隙,浆液凝固后形成人工导电通道。

施工过程中需建立降阻效果动态评估机制,采用四极温纳法测量接地网周边土壤电阻率梯度分布,通过ANSYS Maxwell 软件建立三维电磁场模型,反演雷电流分布态势。当局部区域电位梯度超过2 kV/m 时,立即增补垂直接地极或施加局部土壤置换措施,确保全系统冲击阻抗均衡性。

4 运维检测与管理

4.1周期性检测项目

中小机场需构建严谨的VHF 天线防雷接地周期性检测机制。每季度开展接地电阻巡检,运用高精度接地电阻测试仪,采用三极法测量工频接地电阻,确保其稳定在设计值 ±10% 偏差范围内。针对冲击接地电阻,每年雷雨季节前借助冲击电流发生器,模拟雷电流冲击,校验冲击接地电阻是否超出 10 Ω 设计上限。同时,定期检测接地装置外观,排查是否存在材料锈蚀、焊点开裂、接地体外露等状况。运用超声探伤仪对关键焊接部位探伤,评估焊缝完整性;利用腐蚀测厚仪测定接地体剩余壁厚,监控材料腐蚀速率。每半年对防雷保护区内等电位连接系统进行导通性测试,采用微欧计测量连接电阻,要求单点连接电阻不超过0.2 Ω,确保各金属部件电位均衡,降低雷电反击风险。

4.2全周期维护

全周期维护贯穿VHF 天线防雷接地系统寿命全过程。日常维护中,及时清理接地网周边杂物,保障泄流通道顺畅;检查土壤覆盖层,防止接地体因水土流失暴露。定期对腐蚀防护涂层进行修复,针对轻微锈蚀区域,先除锈再补涂防腐漆;若涂层大面积破损,重新进行喷砂除锈并涂刷多层防护漆。定期组织运维人员专业培训,提升其对防雷接地系统原理、检测技术及故障处置能力,确保系统在全生命周期内稳定运行,持续为VHF 天线提供可靠防雷保护[5]。

5 案例分析

5.1案例背景与问题诊断

选取华东地区Z 支线机场作为研究对象,该机场年均雷暴日数达56 天,近三年发生4 次VHF 设备雷击故障。经现场检测,原防雷系统存在第二节所述典型缺陷:①接地体采用热镀锌扁钢,运行 12 年后镀锌层剥落率达45%,基体平均锈蚀深度0.42 mm。②土壤电阻率监测显示季节性波动显著,旱季表层土壤电阻率升至620 Ω·m,雨季骤降至 180 Ω·m。③接地网腐蚀防护仅采用沥青涂层,30% 区域出现防护层破损。④设备间等电位连接采用Φ8 mm圆钢,实测连接电阻达0.38 Ω。

通过三维地质雷达扫描与分层土壤取样,发现场区0~1.2 m 为砂质黏土层,电阻率(280±50)Ω·m;1.2~3 m 为风化花岗岩层,电阻率(850±120)Ω·m;3 m以下为完整基岩层。原水平接地网埋深0.6 m,处于高阻岩层交界区,导致工频接地电阻实测值8.7 Ω,超出MH/ T 4020—2018 标准要求(≤4 Ω)。

5.2复合接地系统改造方案

依据上文技术路线,构建三级复合接地体系。核心层采用铜覆钢(Cu/Fe=30%)水平网格(40 mm ×4 mm),按星型拓扑延伸,单臂长度38 m,埋深 1.2 m 穿越砂质黏土层。第二层设置 6 组深井离子接地极,单井深度12 m,内置缓释型镁基复合材料,间距按德·达公式计算为7.2 m。第三层环绕设备区敷设50 mm ×5 mm 铜质均压环,与建筑基础钢筋形成 16 处等电位连接点。

材料选型方面,水平导体采用铜覆钢(导电率8.92 MS/m),垂直接地极选用 304 不锈钢(腐蚀速率0.02 mm/a),连接件采用镀锡铜铝过渡端子。关键参数控制方面,冲击接地电阻设计值9.5 Ω(预留 15% 裕度),跨步电压限值4.3 kV。

5.3标准化施工与降阻控制

施工过程按照上文的工艺流程,采用实时动态(real - time kinematic,RTK)定位系统放样,接地沟槽开挖深度 1.5 m(超越冻土层);水平导体敷设时保持5‰ 坡度利于排水;深井施工采用RC-150 钻机成孔,同步注入膨润土- 石墨混合浆液(配比 1 ∶0.3)。关键工艺控制如下。

(1)放热焊接。使用CADWELD 模具,预热温度达600 ℃ 后实施熔接,焊缝熔深4.8 mm(达母材95%)

(2)防腐处理。三层防护体系(环氧底漆 80 μm+导电胶带+聚氨酯面漆),盐雾试验2000 h 无腐蚀。

(3 )降阻措施。水平网末端设置伞形放电阵列(6×1.5 m镀铜钢棒),配合深井注浆(电阻率从 850 变为210 Ω·m)

施工过程实施动态质量监控,采用接地电阻在线监测系统,实时显示工频接地电阻从初始8.7 Ω 逐步降至3.2 Ω。关键节点检测数据见表3,全流程质量波动控制在 ±8% 以内。


3施工阶段检测数据

5.4全周期运维成效验证

通过三年运行数据验证改进效果。工频接地电阻稳定在3.1~3.6 Ω,较改造前降低63%。雷雨季节冲击接地电阻实测值8.9~9.7 Ω,满足设计裕度要求。采用时域反射法检测接地网完整性,信号衰减率<2 dB/km,证实电气连续性良好。

运维期间实施三项优化措施:①建立接地网数字孪生模型,实现腐蚀速率预测精度达89%。②开发智能诊断系统,故障定位响应时间缩短至30 min。③采用无人机巡检,检测效率提升70%。改造后三年运行期间,VHF系统雷击故障率为零,通信可用率达99.998%,验证了技术改进方案的有效性。

6 结语

综上,本文针对中小机场VHF 天线防雷接地技术现存缺陷,通过复合接地系统优化设计、标准化施工工艺及全周期运维管理体系构建,形成了涵盖“设计—施工—维护”的完整技术改进方案。研究表明,优化后的接地系统在材料耐久性、土壤环境适应性及电位均衡性方面显著提升。

参考文献

[1] 张硕. 机场通信导航台站的雷电防护系统分析[ J ].中国新通信,2022,24(24):4-6,13.

[2] 朱子凡.试析机场航站楼电气设计[J].中国高新科技,2023(23):86-88.

[3] 何飞.关于支线机场甚高频系统建设的研究[J].工程建设与设计,2021(4):124-125,128.

[4] 陈伟.机场防雷智能在线监测系统设计与应用[J].现代建筑电气,2021,12(5):67-69.

[5] 许晶鑫.浅谈机场通信设备的配电、防雷、接地设计要点[J].通讯世界,2019,26(9):196-197.




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