新一代天氣雷達(dá)站雷災(zāi)調(diào)查鑒定與防雷技術(shù)研究

李衣長，張泉鋒，李日豪，童凌青

(福建省三明市氣象局，福建　三明　365000)

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新一代天氣雷達(dá)站雷災(zāi)調(diào)查鑒定與防雷技術(shù)研究

李衣長，張泉鋒，李日豪，童凌青

(福建省三明市氣象局，福建三明365000)

雷達(dá)站防雷工作是一項(xiàng)非常重要而又技術(shù)難度高的工作，該文通過一次雷達(dá)站雷擊過程的雷災(zāi)調(diào)查鑒定和整改工作實(shí)例，對雷達(dá)站這類精密電子設(shè)備密集、耐受沖擊電壓低的特殊電子設(shè)備場所，從多角度為大家剖析天氣雷達(dá)站可能遭受雷擊的入侵途徑、方式和危害性，通過調(diào)查鑒定提出有針對性的雷電防護(hù)要求，從而達(dá)到減少和避免雷達(dá)站發(fā)生雷擊災(zāi)害損失。

天氣雷達(dá)站，雷災(zāi)鑒定，防護(hù)技術(shù)

1　雷達(dá)站雷災(zāi)調(diào)查

天氣雷達(dá)站大多處于局部地方制高點(diǎn)，容易被雷擊，造成雷達(dá)站設(shè)備損毀，不能正常運(yùn)行，影響氣象預(yù)報(bào)服務(wù)工作，因此，天氣雷達(dá)站防雷工作至關(guān)重要。盡管出臺了氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》(QX 2-2000)，各級氣象部門也高度重視天氣雷達(dá)站防雷安全問題，但是，天氣雷達(dá)站被雷擊的事故仍時有發(fā)生。本文通過對某雷達(dá)站的一次雷災(zāi)調(diào)查鑒定和整改實(shí)例，探討有效解決天氣雷達(dá)站的防雷技術(shù)難題。

1.1雷電災(zāi)害概述

某地新一代天氣雷達(dá)站位于高山山頂，海拔高度接近1 700 m。2014年7月某日，一聲驚雷掠過，造成雷達(dá)站數(shù)天不能運(yùn)行，影響到當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的氣象業(yè)務(wù)服務(wù)工作。筆者隨即對雷達(dá)站開展了雷電災(zāi)害調(diào)查鑒定工作，經(jīng)查：雷達(dá)站天線罩內(nèi)的溫度傳感器、天線座內(nèi)的上光端機(jī)主板損壞。

1.2現(xiàn)場勘察情況

1.2.1該雷達(dá)站8層塔樓高35 m，雷達(dá)天線罩高10.6 m，總高度約為45.6 m。

1.2.2雷達(dá)站塔樓按第二類防雷建筑物進(jìn)行防雷主設(shè)計(jì)、施工。頂層敷設(shè)暗裝不大于10 m×10 m或12 m×8 m接閃網(wǎng)，頂層距外沿100 mm處明敷設(shè)一圈接閃帶，屋面所有金屬構(gòu)件或外露金屬管道均與接閃網(wǎng)(帶)等電位連接。利用塔樓柱內(nèi)兩根直徑≥φ16主筋通長通焊作為引下線，均勻布設(shè)了4根引下線，間距滿足不大于18 m要求。雷達(dá)站處土壤電阻率特別高，所以，采用了多項(xiàng)降低接地電阻措施，包括：利用雷達(dá)站建筑物基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)作為自然接地體，在雷達(dá)站塔樓基礎(chǔ)外引人工接地體，結(jié)合采用換土、敷設(shè)降阻劑和深井技術(shù)。采用三支等高避雷針對天線罩防護(hù)，每針間隔120°，分別設(shè)為西南、東偏南、北偏西，避雷針布置在8層，相對地面高度27.61 m的剪力墻上，距離天線罩外邊緣1.8 m，針長22.39 m。雷達(dá)站低壓供電系統(tǒng)采用TN-S制式，安裝了3級能量配合的SPD防護(hù)。雷達(dá)塔樓8層機(jī)房敷設(shè)50 mm×50 mm屏蔽網(wǎng)格，每隔1 m焊接到大樓鋼筋上，機(jī)房內(nèi)所有電氣、電子設(shè)備均采取等電位連接措施。

1.2.3該雷達(dá)站塔樓位于較高海拔山頂處，東南方向有一微波站鐵塔，兩者相距約40 m，高度較雷達(dá)站接閃桿低，原先雷電截閃位置因微波站鐵塔處于山頂最高點(diǎn)，成為雷電主要閃擊點(diǎn)，雷達(dá)站建成后，其外側(cè)接閃桿處于局部制高點(diǎn)，成為雷擊新目標(biāo)。

1.2.4雷達(dá)站天線罩內(nèi)的溫度傳感器位于雷達(dá)站塔樓屋頂LPZ0區(qū)(非直擊雷防護(hù)區(qū))，通過現(xiàn)場勘察，初步判定區(qū)內(nèi)電氣、電子設(shè)備因直接雷擊或雷擊電磁脈沖而損壞。雷達(dá)站塔樓屋頂天線座內(nèi)的上光端機(jī)主板位于LPZ1區(qū)，當(dāng)塔樓屋頂天線座遭直擊雷時，容易造成損壞。

2　雷電入侵途徑分析

通過現(xiàn)場勘察和調(diào)查分析，認(rèn)定此次事故雷電入侵途徑主要有：雷電繞擊、雷電反擊、雷電感應(yīng)和閃電電涌侵入。

2.1雷電繞擊

該雷達(dá)站按第二類防雷建筑物安裝了防直擊雷裝置。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057-2010)中表6.3.2-2“與最大雷電對應(yīng)的滾球半徑”及附錄F可知：第二類防雷建筑物首次正極性雷擊的雷電流參量(I)為150 kA，雷擊距(hr)為260 m；首次負(fù)極性雷擊雷電流參量為75 kA，雷擊距為165 m；后續(xù)負(fù)極性雷擊雷電流參量為37.5 kA，雷擊距為105 m時。雷電流參量(I)是與雷擊距(hr)相對應(yīng)得到保護(hù)的最小雷電流幅值，比該電流小的雷電流可能擊到需保護(hù)的雷達(dá)站內(nèi)部空間。通過對2014年三明市閃電監(jiān)測資料分析表明，三明市負(fù)閃雷電強(qiáng)度主要集中在2～12.5 kA之間，且以7 kA的負(fù)閃雷電次數(shù)最高(見圖1)；正閃雷電強(qiáng)度主要集中在2-40 kA，占總正閃雷電次數(shù)的70%以上(見圖2)。

圖1　2014年三明市負(fù)閃雷電強(qiáng)度分布(次/KA)Fig.1　Sanming City Negative Lightning Intensity Distribution in 2014 (times/KA)

圖2　2014年三明市正閃雷電強(qiáng)度分布(次/KA)Fig.2　Sanming City Positive Lightning Intensity Distribution in 2014 (times/KA)

通過閃電監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，三明市雷電強(qiáng)度普遍較小，容易引發(fā)雷電繞擊現(xiàn)象。通過分析認(rèn)為：此次雷達(dá)站雷擊事件極有可能是雷電繞過雷達(dá)站頂部外側(cè)接閃桿，擊在天線罩內(nèi)的溫度傳感器、天線座內(nèi)的上光端機(jī)上，從而引起設(shè)備的損壞。(見圖3)

圖3　雷電繞擊示意圖Fig.3　Diagram of Shielding Failure

2.2雷電反擊

當(dāng)雷達(dá)站塔樓接閃桿截收雷擊后，存在兩種引發(fā)雷電反擊(雷電閃絡(luò))途徑，可能導(dǎo)致溫度傳感器損壞：一是接閃桿反擊到天線罩，天線罩再反擊到溫度傳感器；二是天線罩樓板地電位瞬間抬高，天線罩與溫度傳感器之間引發(fā)雷電反擊。

2.3雷電感應(yīng)(靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng))

2.3.1雷電靜電感應(yīng)雷達(dá)站上空有雷云時，雷達(dá)塔樓會感應(yīng)大量與雷云相反的電荷。若雷電先導(dǎo)與雷達(dá)塔樓附近微波站鐵塔發(fā)生閃擊，先導(dǎo)放電、回?fù)暨^程開始，先導(dǎo)通道中攜帶的負(fù)電荷將被微波站鐵塔或地面上的正電荷自下而上迅速中和，伴隨著雷云底部負(fù)電荷的急劇減少，雷達(dá)塔樓屋頂正電荷失去束縛，變?yōu)樽杂呻姾?，金屬體、電氣、電子設(shè)備上感應(yīng)的正電荷將通過建筑結(jié)構(gòu)中的路徑向地流散，由于電荷流散路徑上存在著數(shù)值可觀的電阻，因此在電氣、電子設(shè)備上會有較高電壓降，從而損壞天線罩內(nèi)的電氣、電子設(shè)備。

2.3.2雷電電磁感應(yīng)由于雷電流迅速變化在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場，使附近導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動勢現(xiàn)象就是雷電電磁感應(yīng)。通過對該天氣雷達(dá)站分析，可以判定引發(fā)雷電電磁感應(yīng)的原因有以下3個方面：①雷達(dá)塔樓附近發(fā)生雷擊引起雷擊電磁感應(yīng)。②雷達(dá)塔樓外側(cè)接閃桿截收雷擊引起雷擊電磁感應(yīng)。③雷達(dá)塔樓屋頂天線座截收雷擊引起雷擊電磁感應(yīng)。

2.4閃電電涌

閃電擊于防雷裝置或線路上以及由閃電靜電感應(yīng)或雷擊電磁脈沖引發(fā)表現(xiàn)為過電壓、過電流的瞬態(tài)波。在該雷達(dá)站塔樓內(nèi)，閃電電涌可能從電源線、信號線輸入端侵入；也可能從塔樓頂部電源線、信號線反向侵入。

①閃電電涌可能從電源線、信號線輸入端入侵。電源線或信號線在進(jìn)入塔樓前遭受雷擊，造成閃電電涌從電源線或信號線輸入端入侵。

②閃電電涌從塔樓屋頂電源線、信號線反向入侵。塔樓頂部航標(biāo)燈電源線遭雷擊或雷電感應(yīng)等原因產(chǎn)生閃電電涌反向入侵電源供電系統(tǒng)。

3　雷擊防護(hù)難點(diǎn)分析

①雷電繞擊防護(hù)難點(diǎn)：雷電繞開接閃桿，直接擊在天線罩內(nèi)的電氣、電子設(shè)備上，這類小于雷擊距的閃擊是防不勝防的。

②雷電反擊防護(hù)難點(diǎn)：因雷達(dá)塔樓屋頂面積小，塔樓外側(cè)接閃桿與天線座之間，以及天線座與電子設(shè)備之間距離都較近，無法達(dá)到3 m以上范圍的安全距離，因無法加大安全距離，所以對于雷電反擊的防護(hù)也是防不勝防。

③雷電感應(yīng)防護(hù)難點(diǎn)：雷電靜電感應(yīng)是造成電子設(shè)備損壞的“元兇”。雷達(dá)塔樓附近發(fā)生雷擊，雷電電磁場不需借助任何裝置、設(shè)備，能夠通過空間傳播到雷達(dá)塔，一旦雷電電磁場強(qiáng)度達(dá)到1.7 GS時，就會使雷達(dá)站電子設(shè)備發(fā)生誤操作，達(dá)到2.4 HS時，可以造成無屏蔽的雷達(dá)站電子設(shè)備損壞。

④閃電電涌侵入防護(hù)難點(diǎn)：因電源線、信號線均是埋地引入該雷達(dá)塔樓的，且在電源線入戶端已安裝了電源SPD，所以，從電源線或信號線輸入端入侵的閃電電涌概率較小，相對較為好防范。但是，閃電電涌從電源系統(tǒng)的反向入侵影響容易被防雷設(shè)計(jì)、施工人員忽略，但其危害頻率高，具有隱蔽性特點(diǎn)，且有時危害非常嚴(yán)重。

4　調(diào)查鑒定結(jié)論

①雷達(dá)站所在地段土壤為黃色、棕色巖石，平均土壤電阻率為6 258 Ω·m，屬于高土壤電阻地段，降低接地裝置電阻值難度較大，但通過采取增加人工接地裝置，應(yīng)用換土、敷設(shè)降阻劑和挖深井等多項(xiàng)措施，該雷達(dá)塔樓接地電阻值不大于4 Ω，符合規(guī)范要求。

②雷達(dá)站塔樓屋頂天線罩內(nèi)的溫度傳感器暴露于無屏蔽環(huán)境中，導(dǎo)致因雷達(dá)站接閃桿接閃時，無法防護(hù)因雷擊電磁脈沖和雷電反擊可能對其造成的危害。

③雷達(dá)站塔樓天線罩基座附近電源線路未穿金屬管屏蔽接地，不能防范雷擊電磁脈沖造成的危害。

④雷達(dá)站屋頂航警燈至機(jī)房穩(wěn)壓電源處未采取屏蔽接地措施，無法防護(hù)雷電電涌反向入侵給雷達(dá)站電子設(shè)備帶來的危害。

⑤機(jī)房采用s型等電位不符合要求。

⑥機(jī)房地板未采取防靜電措施。

5　雷電防護(hù)要求

①將雷達(dá)站塔樓屋頂天線罩內(nèi)的溫度傳感器放置到其附近的轉(zhuǎn)接板箱內(nèi)，使其處于LPZ1區(qū)內(nèi)，并將溫度傳感器與上光端機(jī)之間的連接導(dǎo)線穿金屬屏蔽接地。

②將雷達(dá)站塔樓屋頂天線座外側(cè)的電源線穿金屬管屏蔽并兩端接地。

③將雷達(dá)站塔樓屋頂天線罩內(nèi)的航景燈電源線穿金屬管屏蔽并兩端接地。航景燈電源線與穩(wěn)壓電源處應(yīng)加裝限壓型SPD，以防護(hù)閃電電涌的反向入侵。

④塔樓機(jī)房采用屏蔽金屬網(wǎng)形成“法拉弟”籠屏蔽，且金屬網(wǎng)之間連接成電氣通路。

⑤雷達(dá)站電子系統(tǒng)為兆赫茲級數(shù)字線路時，應(yīng)采用M型等電位連接，且等電位連接應(yīng)牢固、可靠。

⑥雷達(dá)站塔樓電線路安裝能量配合的多級SPD。

⑦塔樓機(jī)房地面采取防靜電措施。

6　雷災(zāi)調(diào)查鑒定應(yīng)用效果分析

該雷達(dá)站在建成后經(jīng)常遭到雷擊影響，此次嚴(yán)重雷擊事件后，本文作者組織開展了雷擊災(zāi)害調(diào)查鑒定，并提出整改要求，雷達(dá)站經(jīng)防雷專業(yè)設(shè)計(jì)、施工資質(zhì)單位按雷災(zāi)調(diào)查鑒定要求進(jìn)行了整改，整改后的一年內(nèi)未發(fā)生類似雷擊事件，效果明顯，較好解決了雷達(dá)站的防雷安全工作。

7　完善防雷措施建議

當(dāng)然，從目前的防雷理論和實(shí)踐看，防雷成功率尚不能達(dá)到百分百，所以，建議新一代天氣雷達(dá)站使用單位應(yīng)建立完善的雷電應(yīng)急預(yù)案，在雷擊時可自動關(guān)閉雷達(dá)站電源，在雷暴系統(tǒng)過后，自動恢復(fù)雷達(dá)站電源，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)站防御雷電災(zāi)害能力的提高。

[1] 李志江，王偉，王華.吳松.沈陽新一代天氣雷達(dá)站防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].建筑電氣， 2009(1).

[2] 中國氣象局. QX 2-2000新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001年2月1日第1版

[3] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會. GB50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2010：63.

[4] 吳松.上饒市新一代天氣雷達(dá)站防雷設(shè)計(jì)[J].氣象研究與應(yīng)用,2010(4) .

New-generation Weather Radar Station Lightning Disaster Investigation and Appraisal and Research of Lighting Protection Technology

LI Yichang, ZHANG Quanfeng, LI Rihao, TONG Lingqing

(Sanming Municipal Meteorological Bureau of Fujian Province, Sanming 365000, China)

The lighting protection of radar station is a very important work which involves a lot of technical difficulties. The disaster of one lighting stroke process at one radar station was investigated and appraised and the rectification work was carried out. The possible lightning paths, means and its hazards occurring at weather radar station, the special electronic equipment location of high-density sophisticated electronics with low impulse voltage, were analyzed from multiple perspectives. After the investigation and appraisal, the countermeasure lightning prevention requirements were proposed in order to minimize or avoid the losses caused by lighting stroke disaster at radar station.

weather radar station; lightning disaster appraisal; protection technology

1003-6598(2016)01-0056-04

2015-06-17

李衣長(1973—)，男，工程師，主要從事防雷減災(zāi)工作，E-mail:jllyc010@sina.com。

TM86

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