技术论文 | 中小机场 VHF 天线防雷接地技术改进研究

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。

表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.