貢山縣X波段雷達(dá)站防雷工程設(shè)計(jì)

劉 穎 張 俊 李何全

（1.怒江州氣象局，云南 怒江 673199；2.瀘水市氣象局，云南 怒江 673199）

0 引言

天氣雷達(dá)站的防雷減災(zāi)不僅與雷達(dá)站本身的安全有關(guān)，還與是否能夠精確地向外界提供突發(fā)性氣象災(zāi)害信息有關(guān)，還與政府部門抗災(zāi)救援決策是否能夠快速傳達(dá)有關(guān)，與人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全有關(guān)[1]。因此，必須全面做好雷達(dá)站的雷電防護(hù)。該文根據(jù)國家相關(guān)防雷規(guī)范以及雷達(dá)站周邊環(huán)境，結(jié)合其環(huán)境惡劣和土壤電阻率高的特點(diǎn)，對貢山縣X 波段雷達(dá)站的防雷工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。

1 氣候、地理、土質(zhì)等自然環(huán)境

1.1 氣候狀況

貢山氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，由于地處峽谷，海拔高差懸殊，且受印度洋季風(fēng)、太平洋季風(fēng)影響，加上青藏高原北部南下冷空氣和復(fù)雜的地理地形因素，氣候垂直變化明顯，因此形成亞熱帶、暖溫帶、寒帶和寒溫帶等氣候帶。貢山縣立體氣候和小區(qū)域氣候特征明顯，年平均氣溫16 ℃，年降雨量在2700 mm~4700 mm，年雷暴日25 天。

1.2 地形及地貌概況

貢山縣X 波段雷達(dá)站位于高黎貢山國家級自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)獨(dú)龍江隧道口上方，地形起伏大，地勢崎嶇。雷達(dá)塔樓建設(shè)在其中一座山頭，周圍環(huán)境比較開闊，海拔高度4054 m，自然環(huán)境惡劣。

1.3 地質(zhì)及土壤概況

根據(jù)實(shí)地勘察，雷達(dá)站所在山頭多石少土，整個(gè)山體結(jié)構(gòu)以巖石為主，表層主要為堅(jiān)硬土，土壤含水量較低。分別在雷達(dá)站地基處、地基東8 m、地基西8 m、地基南8 m、地基北8 m 進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1。貢山縣X 波段雷達(dá)站所在地的土壤電阻率高且分布不均勻，平均值為1437 Ω·m，屬于高土壤電阻率地區(qū)。

表1 貢山縣X 波段雷達(dá)站測試點(diǎn)土壤電阻率測量值

2 雷達(dá)站防雷等級確定

2.1 雷達(dá)站防雷等級劃分

根據(jù)《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》QX/T2—2016（附錄A）的規(guī)定，對貢山縣X 波段雷達(dá)站防雷等級進(jìn)行確認(rèn)。

雷達(dá)站所在地雷擊大地年平均密度修正值如下。

式中：貢山Td=25（d/a），k=2（雷達(dá)站位于孤立曠野）。

《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第二類防雷建筑物的要求對雷達(dá)站進(jìn)行外部雷電防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，并根據(jù)表A.1，確定貢山縣X 波段雷達(dá)站防雷等級劃分為二等。

2.2 雷達(dá)站信息系統(tǒng)防雷等級劃分

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343—2010（附錄A）給出的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估方法對貢山縣X 波段雷達(dá)站信息系統(tǒng)進(jìn)行評估。

2.2.1 年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N1因?yàn)槔走_(dá)樓高度小于100 m，所以：

式中：L、W、H分別為塔樓頂部建筑物的長7.55 m、寬7.5 m、高11.5 m。

則Ae=0.0083km2；N1=k·Ng·Ae≈0.0415（次/a）。

2.2.2 入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N1

雷達(dá)站的信號線和低壓電源均以埋地方式進(jìn)入雷達(dá)站。線路從建筑物至網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)分支點(diǎn)或相鄰建筑物的長度L未知，ds等于土壤電阻率值，最大取500。則L=1000m，ds=500m。

則N2=Ng·A`

e=（0.1×Td）×（A`e1+A`

e2）=7.98+2=9.98（次/年）

2.2.3 建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

2.2.4 可接受的最大年平均雷擊次數(shù)Nc

式中：C1=1.0（鋼筋混凝土材料）、C2=2.5（B 類電子信息系統(tǒng)）、C3=3.0（集成化程度很高的計(jì)算機(jī)、通信或控制設(shè)備等）、C4=1.0（LPZ1）、C5=1.0（信息系統(tǒng)原則上不允許中斷，但中斷后無嚴(yán)重后果）、C6=0.8（年平均雷暴日25 天，屬少雷區(qū)）。

2.2.5 雷達(dá)系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)分級E

E=0.99>0.98，所以貢山縣X 波段雷達(dá)站的電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級為A 級，低壓系統(tǒng)應(yīng)安裝4 級SPD。

3 雷達(dá)站防雷設(shè)計(jì)方案

貢山縣X 波段雷達(dá)站的防雷措施分為外部防雷和內(nèi)部防雷2 個(gè)部分，一套完善的雷電防護(hù)設(shè)施，應(yīng)采取接閃、分流、屏蔽以及接地等技術(shù)措施。在防雷設(shè)計(jì)過程中，既要考慮雷電防護(hù)裝置的保護(hù)需求，又要考慮降低經(jīng)濟(jì)成本，避免因采取過度的防護(hù)措施而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)費(fèi)用增加。

3.1 接閃器設(shè)計(jì)

雷達(dá)塔樓為2 層的框架結(jié)構(gòu)，高度為7 m，天面架設(shè)一個(gè)高4.5m 的天線罩，平臺邊緣距雷達(dá)天線罩最遠(yuǎn)距離為3.07m。根據(jù)《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》QX/T2—2016 規(guī)定在雷達(dá)天線平臺安裝時(shí)接閃桿不少于3 支以及接閃桿與天線罩邊緣的水平距離不宜小于3m。考慮防反擊距離和經(jīng)濟(jì)效益，在雷達(dá)天線平臺距天線罩外緣3m 處安裝四支等高避雷針。為增加安全系數(shù)，被保護(hù)高度應(yīng)在雷達(dá)天線罩上方1 m 處，這樣須保護(hù)高度hx=5.5m。按滾球法（滾球半徑45m）計(jì)算如下。

如圖1 所示，在正方形ABCD的4 個(gè)頂點(diǎn)處分別安裝四支等高避雷針。這樣不僅AB、BC、CD、DA4 個(gè)邊長組成了等高雙支避雷針結(jié)構(gòu)，而且對角線AC、DB也組成了等高雙支避雷針結(jié)構(gòu)。當(dāng)四支等高接閃桿支撐起的球體（半徑45m）底部高于須保護(hù)高度hx時(shí)，雷達(dá)天線罩就可以得到保護(hù)。所以應(yīng)由正方形ABCD的對角線AC、DB的2 組等高雙支避雷針結(jié)構(gòu)對雷達(dá)天線罩的保護(hù)來計(jì)算避雷針的高度[2]。

按圖2 所示計(jì)算：MH=5.5+45=50.5m

圖2 四支等高避雷針以正方形布置的針長計(jì)算圖

避雷針的長度：

此外，在塔樓屋頂四周敷設(shè)Φ16mm 熱鍍鋅圓鋼作為接閃帶，每隔1m 間距做1 只支撐卡子，接閃帶高出女兒墻0.15m，頂層用Φ16mm 的圓鋼做成不大于10m×10m 的避雷網(wǎng)格（屏蔽網(wǎng)）。

3.2 引下線設(shè)計(jì)

雷達(dá)站塔樓引下線利用四周構(gòu)造柱內(nèi)2 根以上主鋼筋自下而上電焊連通，上部與塔樓屋面水平圈梁主鋼筋及避雷帶焊接連通，下部與基礎(chǔ)圈梁主鋼筋電焊連接。為了充分利用柱內(nèi)鋼筋，使其具有更低的高頻阻抗和電阻，塔樓柱內(nèi)鋼筋作為引下線的主鋼筋通長焊接之外，另外的鋼筋采用綁扎方法，并將箍筋與每根鋼筋焊接，或每層加1 個(gè)短路環(huán)。

3.3 均壓環(huán)設(shè)計(jì)

雷達(dá)站塔樓每層都設(shè)均壓環(huán)。以建筑物圈梁內(nèi)至少2 條鋼筋全長閉合焊接連通作為均壓環(huán)，并就近與引下線做可靠焊接。在每層塔樓外墻上的所有孔洞預(yù)留2 個(gè)接地端子，以便窗框就近與均壓環(huán)做可靠連接。

3.4 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)站所在地測量的土壤電阻率高且分布不均勻，土壤電阻率為1000 Ω·m~1600 Ω·m ，屬于高土壤電阻率地區(qū)。為防止雷擊時(shí)地電位反擊，采用基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)與人工輔助接地網(wǎng)連接的共用接地系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻值不大于4Ω。因貢山縣X 波段雷達(dá)站所處位置自然環(huán)境惡劣，施工難度大，該文選取了較容易實(shí)施和經(jīng)濟(jì)的方法。

3.4.1 降阻措施

如圖3 所示，充分利用雷達(dá)站塔樓的基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)作為自然接地體，在雷達(dá)塔樓外圍做一圈人工水平接地帶，每間隔6m打1 根∠50×50×5×1500mm 熱鍍鋅角鋼做為垂直接地極，采用60×6mm 的扁鋼做為水平接地極，將降阻劑敷于接地溝槽內(nèi)的垂直接地極及水平接地極周圍，水平接地極和垂直接地極采用焊接的方式，水平、垂直接地體頂部的埋設(shè)深度距離地面不小于0.5m；在雷達(dá)站基礎(chǔ)地網(wǎng)4 個(gè)方向采用4 根60×6mm 鍍鋅扁鋼與人工補(bǔ)充接地網(wǎng)焊接連通，在扁鋼間隔2m 以上位置安裝接地模塊。

圖3 接地網(wǎng)布置示意圖

3.4.2 接地電阻計(jì)算

接地電阻計(jì)算如下[3]。

3.4.2.1 單根垂直接地體接地電阻

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；Lc為單根垂直接地體長度，m；Dc為灌降阻劑后等效垂直接地體直徑，取0.2 m；K為降阻系數(shù)，取K=20。

3.4.2.2 幾根并聯(lián)的相同垂直接地體的工頻接地電阻

式中：nc為垂直接地體的數(shù)量；ηc為垂直接地體的利用系數(shù)。

3.4.2.3 水平接地體接地電阻

式中：Lp為水平接地體總長度，m；K為降阻系數(shù)，取K=100；Dp為灌降阻劑后的等效水平接地體橫截面直徑，取0.2 m；A為水平接地體形狀系數(shù)，由于整個(gè)地網(wǎng)形狀不規(guī)則且邊緣閉合，因此A取1.69。

3.4.2.4 垂直、水平綜合接地體的工頻接地電阻

式中：ηp為水平接地體的利用系數(shù)。

3.4.2.5 降阻劑用量

根據(jù)設(shè)計(jì)接地體長和直徑的幾何尺寸計(jì)算降阻劑用量，如公式（6）所示。

式中：W為降阻劑用量，t；L為接地體長度，m；D為接地體等效直徑，m；d為降阻劑當(dāng)量密度，取1.35 t/m3。ρ土壤電阻率（取平均值為1437Ω·m），查《工業(yè)企業(yè)通信接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ 79—85（附錄二）得ηc=0.70、ηp=0.68，Lc=1.5m，nc=20，Lp=280m 代入公式，得Rx=3.86Ω，W=13t。

3.5 機(jī)房屏蔽和等電位連接設(shè)計(jì)

雷擊時(shí)，即使雷電經(jīng)避雷針分流，電磁場也幾乎不會衰減，設(shè)備很容易遭受損害，危險(xiǎn)性高，另外機(jī)房內(nèi)的雷達(dá)發(fā)射、接收等設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射對工作人員的危害也很大。所以采取屏蔽措施是很有必要的，可以保障雷達(dá)設(shè)備和人員的安全。

為減弱磁場強(qiáng)度，在雷達(dá)機(jī)房的頂部、地面、外墻用Φ8mm 鋼筋鋪設(shè)尺寸不大于200mm×200mm 的鋼筋網(wǎng)，充分利用雷達(dá)塔樓內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)，使其構(gòu)成1 個(gè)六面體的網(wǎng)籠。同時(shí)在外墻窗戶位置加裝不大于200mm×200mm 的金屬網(wǎng)格并可靠接地；機(jī)房的金屬板門、隔斷與雷達(dá)站的主鋼筋也做可靠接地連接；為防止雷電流沿外墻柱內(nèi)的鋼筋分流時(shí)對機(jī)房內(nèi)的設(shè)備造成磁場干擾，盡量靠近機(jī)房中心位置安裝設(shè)備，機(jī)房內(nèi)設(shè)備離外墻的安全距離≥1m；機(jī)房內(nèi)的通信電纜和電力電纜采用屏蔽電纜；機(jī)房地面上鋪設(shè)防靜電地板，進(jìn)入機(jī)房的線纜敷設(shè)于金屬屏蔽槽（管）內(nèi)；防靜電地板支架及所有金屬構(gòu)件、機(jī)柜等用6mm2銅線就近做等電位連接，以減少雷電流在雷達(dá)塔樓內(nèi)部產(chǎn)生的雷電反擊、電磁脈沖效應(yīng)等破壞作用。

3.6 供電系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)

貢山縣X 波段雷達(dá)站低壓供電采用TN-S 系統(tǒng)，當(dāng)鎧裝電纜金屬外皮、金屬管道等接入雷達(dá)樓時(shí)應(yīng)與預(yù)留的等電位匯集排做等電位連接接地處理。在總配電柜、分配電柜和雷達(dá)機(jī)房內(nèi)或其他重要設(shè)備配電箱（柜）內(nèi)安裝四級電涌保護(hù)器。在雷達(dá)站的總配箱內(nèi)安裝通流量不小于40 kA（10/350μs）的SPD 作為第一級保護(hù)。在雷達(dá)樓分配電柜內(nèi)分別安裝通流量不小于20 kA（10/350μs）的SPD 做電源線的第二、三級保護(hù)。在雷達(dá)機(jī)房終端設(shè)備、雷達(dá)專用設(shè)備等電源控制柜內(nèi)安裝通流量不小于5 kA（8/20μs）的SPD 做第四級保護(hù)。

4 結(jié)語

防雷工程是一個(gè)綜合系統(tǒng)工程，雷達(dá)站的防雷設(shè)計(jì)直接關(guān)系到雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。該文主要根據(jù)國家有關(guān)防雷規(guī)范，結(jié)合其環(huán)境惡劣和土壤電阻率高的特點(diǎn)，確定了貢山縣X 波段雷達(dá)站的防雷類別、電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級以及設(shè)計(jì)了雷電防護(hù)裝置經(jīng)濟(jì)方案。在滿足設(shè)計(jì)意圖的前提下提高施工質(zhì)量，提高雷電保護(hù)工作的成效，保障雷達(dá)站安全運(yùn)行，進(jìn)一步為防災(zāi)減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)。