+ 张睿 人民日报社卫星地球站

人民日报天线主面融雪除冰系统

+ 张睿 人民日报社卫星地球站

1 前言

项目背景：

人民日报社卫星版面传输系统于1992年建立，是国内第一家以传输报纸版面为核心业务的卫星通信专网，首次实现报纸本地与异地代印点同步印刷出版。目前拥有C和KU两套完全独立、相互备份的卫星版面传输专网，在全国建有46个代印点、137个卫星接收小站，是国内报业规模最大、安全可靠性最高的卫星版面传输系统。

人民日报卫星版面传输系统每天向全国代印点发送人民日报的数据版面文件，是人民日报出版流程的重要组成部分，其安全性、可靠性尤为重要，保证出版安全是我们的神圣使命与崇高政治责任。

当每年冬季来临时，卫星地球站的雪衰会干扰卫星天线上下行信号，天线主面的冰雪会散射、吸收电磁波，增大噪声温度，影响卫星传输的上行辐射功率和下行品质因数，严重时会导致信号完全中断。经测算，5mm厚的积雪化雪时产生的冰雪水混合物对C波段天线的G/T值降低约3dB，对Ku波段天线的G/T值降低最多可达6至8 dB，当天线覆盖10cm以上的积雪时，C波段天线的信号被噪声完全覆盖。严重影响了卫星系统的可用性，威胁出版安全。

为解决雪衰问题，我们采用过电热丝加热方式进行除雪，但此种方式故障率高、维修成本高、功率大，最终因效果不好被弃用。此后我们采用人工扫雪的方式，但由于天线都在高处，下雪后天线表面湿滑，扫雪人员的人身安全有很大隐患。所以我们迫切需要一种安全有效的融雪除冰手段来解决雪衰问题。

项目需求：

1、能够快速有效的将融化天线表面积雪。

2、故障率低、使用寿命长、维护成本低。

3、用电安全、达到安全防火标准。

4、节能、功率可控，可根据气候环境智能控制输出功率。

5、具有友好的操作界面，简单易用。

6、项目施工过程中不中断再用业务。

对此我们进行了广泛探索、调研和实践，横纵对比了多种技术，如吹风法、背板加热法等。但吹风法的鼓风机噪音太大，对周边的噪音污染太大，我们没有采用，最终采用了背板加热的方法。

对于何种背板加热材料能够见效快、耐老化，能够满足用电安全、满足防火要求，我们细致的调研了碳板加热膜、硅橡胶加热膜等较为先进的加热材料。最终选定了有较好贴副性能、导热均匀、可靠性高的硅橡胶加热膜作为天线主面加热材料。

硅橡胶加热膜原是作为输油管道、大型设备和医疗设备等的保温加热材料，由于其柔软、附着能力强，我们通过精确地功率控制系统创新性的将其应用在了天线背板加热当中。

硅橡胶加热膜技术参数：

（1）、最高使用温度：最高使用温度可达：225℃，最低环境温度为-60℃（若采用3M双面胶层，则最低使用环境温度为-32℃）

（2）、最佳温度：150 ℃

（3）、绝缘电阻：≥5 MΩ

（4）、耐压强度： 1500v/5s

（5）. 电压：220V/380V

（6）、功率偏差：±8%

本案中所使用的硅橡胶加热片尺寸为20＊8cm²和10＊10 cm²两种规格，功率密度为0.3W/ cm²。

2 设计说明：电气系统

2.1 基础动力电源情况

空调机房380V配电柜装配80A、60A空气开关，用16mm²＊5A 380V铠装电缆分别引入机房小配电箱并装配60A空气开关，再分别引向6.2米和4.5米天线。

2.2 室外配电箱

6.2 米和4.5米天线下方分别安装一组空气开关，6.2米所配总空开100A，四项控制器空开均为40安；4.5米天线所配总空开为80A，有三项均为40A的控制器空开。

380V铠装电缆进入总空开，分别将三根火线对应接入控制器，由于6.2米天线有四个功率控制器，根据设计要求和实际应用经验，将B相、D相控制器接入B相火线。

2.3 天线分区

6.2 米天线分四个功率控制器，既四个大分区。每个大分区分别控制四个温区，共计16个温区（既每瓣天线扇面）。

2.4 功率分配

经过认真计算和反复试验，当功率达到0.8KW/ m²时，可使天线表面温度的绝对值上升30℃。

经测算6.2米天线的面积约等于40 m²，每个小分区铺装40个大的和9个小的加热单元，共计49个加热单元2.19KW。每控制器四个温区共计8.76KW。6.2米天线饱和功率为35.04KW。功率密度为0.876KW/ m²，优于设计指标。

图1 硅橡胶加热膜供电时间与温度关系

2.5 系统控制软件

两面天线共7个功率控制器通过交换机接入远程监控终端，通过后台程序分配的IP地址进行统一管理。远程监控终端可以查看系统工作状态、设置系统参数。

远程控制终端读取埋装于天线背板的温度传感器中数据，再根据所得数据经过加权平均算法得出每扇面的实际温度值。系统再根据天线的实际温度，对融雪除冰系统进行智能的功率控制，使温度达到设定温度。

图中每一个扇面是一个温区，当鼠标放到每个温区上，可显示该温区的实时信息。每个温区的颜色会根据实际温度不断变化。当实际温度达到或接近设定温度时，温区图会呈现出绿色；当实际温度高于设定温度时，温区图会向暖色系变化，直至呈现出红色；当实际温度低于设定温度时，温区图会向冷色系变化，直至呈现出蓝色。（上图设定温度为1.2℃，实际温度为21℃，故温区颜色呈现出红色状态。）

图3 6.2米天线加热单元分布

图4 加热单元分区

控制软件工具条功能如下：

（1）显示模式：可监测天线温度、功率、电流和占空比的实时数据，通过这些数据研判天线的工作状态。

（2）控制软件可以将多面天线进行统一管理，通过“天线查看”工具条或软件下方的左右箭头进行切换。

图5 配电结构示意图

图6 6.2米天线操作界面

（3）设置。

1)供电区域最大功率：在设置选项中，可根据供电条件和用电需求合理设置供电总功率，系统会根据此项设置按需分配每面天线以及每个温区的供电功率。

2)天线温度设定：此设定是根据室外气候条件设定的理想工作温度，当温度设定后，融雪除冰系统将以此标准进行工作。

3)天线最大功率：是指在多面天线加热系统组成一个天线加热阵列时，其中一面天线的最大限制功率。

4)天线工作模式：系统有3种可配置工作模式，恒温模式、功率限制、自动模式：

恒温模式：设置天线表面温度后，各分区对加热功率进行控制使天线表面温度保持在设定温度±0.5℃内。此模式天线表面温度稳定，在极端恶劣天气下能保证天线表面无积雪。

功率限制模式：由于部分现场条件限制，无法提供恒温模式所需功率。系统根据所处“供电区域”设定的功率，自由分配分区进行加热。分区申请到功率后对该区域进行加热，温度达到设定值（预设1.2℃，可远程配置）停止加热，释放的功率由其它分区进行申请。该模式使用功率小，但天线表面温度不均匀，可能部分分区会短时出现堆积。经实际测试，使用中13m天线在6kW限制功率下，中雪环境能保证天线正常工作。

自动模式：结合恒温模式和功率限制模式的优点，在非恶劣天气下工作在恒温模式，保证天线表面温度稳定。在极端恶劣天气下，由于功率超过“供电区域”设定的功率，自动切换到功率限制模式，保证天线正常工作。

3 系统效果及特点

天线主面融雪除冰系统主要应用于7＊24小时地球站，能使卫星天线表面在冰雪天气中无法被冰雪覆盖，是确保通信业务不受冰雪影响的有效手段。

系统基本原理是将电器性能高度稳定的硅橡胶电加热片附着在天线背板上，用高精度的功率控制使其更加安全、稳定、节能。该系统有以下特点：

（1）融雪速度快、效果好。15分钟内可使天线表面温度提升20℃，最低可在室外环境零下30℃的情况下正常运行。在恒温模式下温度稳定度高，温漂小于1℃。若在降雪前开启，天线主面将无法覆盖积雪，所以降雪过程中不影响天线正常工作，天线的接收信标下降不超过1dB。

（2）精确合理的功率控制，安全、节能。根据天线的传热特性,使用有限元分析方法进行科学设计，大幅提升系统加热效率。256级的过零功率控制和软启动的方式避免了冲击电流对电器元件的损耗，增强了使用寿命降低了EMC干扰。通过系统对功率的精确控制，在非极端气候条件下，通常只需要设计功率的10%即可达到融雪效果。即便有供电达不到设计要求的情况出现，通过系统的功率控制模式，依然能够保证系统的正常运行。

（3）控制软件优秀。基于IP管理，能够轻松部署到任何网络，且可部署多监控端，方便监控管理；软件可远程开关系统，设置参数，监控状态；软件可设置多种控制模式，以应对各种工作环境；参数设定后，系统全自动工作无需人工干预。

（4）很强的系统整体性和扩展性。系统可以控制多幅天线的加热系统组成一个整体的阵列式系统，统筹分配总供电功率和每幅天线功率，确保不超过总设定功率的前提下合理分配功率。系统还可以根据需求随时将新的天线加入已整合好的阵列式系统.

（5）安全、可靠性高。系统采用多种保护措施保证系统的安全可靠运行。采用耐高低温材料、防水设计和施工保证使用寿命。分布式的设计保证部分部件损坏不影响整体系统的运转。系统中所有控制器均独立运行，使用内部网络数据库进行数据共享，在任何控制器失效的情况下均不会影响其它控制器的正常使用。即使在设备失效或损毁的特殊情况下，依然可以使用控制器面板上的手动控制开关对天线进行手动加热控制。

（6）其他安全特性：本系统的设计之初将确保安全定义为最低要求，全面的安全保护装置、设置是确保本系统安全运行的基础。实际功率超过设定功率、极端条件下的天线表面温度失控、软硬件控制系统故障，当任意一项意外发生时，系统都将进入紧急停机保护，防止意外情况的进一步扩大。优质的电子元器件和严谨的施工工艺，也确保了系统的安全、稳定。

4.后续

经过一个冬天，系统经历了低温、大风降温、冰雪等气象条件的检验，这套融雪除冰系统都能稳定的将温度保持在设定温度的±0.5℃以内，体现出了融雪速度快、消耗功率低等特点，效果显著，结果令人满意。我们近期正在研发降雪自动检测等模块来不断完善本系统。但一个新系统还需要不断的思考与完善，也欢迎业界的同仁们一同探讨，提出您的宝贵意见，将天线主面融雪除冰的顽疾问题一扫而净。