淺談威海市新一代天氣雷達(dá)站的雷電防護(hù)措施

宮翠鳳 宮新春

摘要 根據(jù)威海市新一代天氣雷達(dá)站的地理、土質(zhì)、氣象等自然環(huán)境的特點(diǎn)，確定雷達(dá)站防雷等級(jí)，闡述了雷達(dá)站在設(shè)計(jì)和施工中，針對(duì)雷電各種危害途徑所采取的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞 天氣雷達(dá);防雷設(shè)計(jì);接閃器;接地;雷擊電磁脈沖

中圖分類號(hào)：P415.2;TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）06-055-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.020

Discussion on Lightning Protection of New Generation Weather Radar Station in Weihai City

GONG Cui-fenget al（Weihai Meteorological Bureau， Weihai， Shandong264200）

Abstract According to the geographical，soil and meteorological characteristics of new generation weather radar station in Weihi City，the lightning protection level of radar station was determined. This paper expounded the specific protection measures adopted in the design and construction of radar station aiming at various hazards of lightning.

Key words Weather radar;Lightning protection design; Flash receiver;Grounding; Lightning electromagnetic pulse

由于新一代天氣雷達(dá)設(shè)備比較貴重，微電子設(shè)備較多，具有靈敏度高、耐壓低的特點(diǎn)，加之雷達(dá)樓主體較高，周圍較空曠，使得雷達(dá)設(shè)備防直擊雷和防雷電電磁脈沖的抗干擾性能往往達(dá)不到要求，導(dǎo)致雷達(dá)設(shè)備性能下降甚至損壞。依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX2-2000《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合威海新一代天氣雷達(dá)站的周邊環(huán)境，對(duì)雷達(dá)站的綜合防雷措施進(jìn)行了詳實(shí)、細(xì)致的論述，以期減少雷電災(zāi)害，保證雷達(dá)系統(tǒng)正常工作。

1 威海新一代天氣雷達(dá)站自然環(huán)境

1.1 地形概況

威海新一代天氣雷達(dá)站位于榮成市岳西莊北崗（122°22′39.29″E，37°09′00.4″N），海拔76 m，距離威海市氣象局41 km，地勢(shì)開(kāi)闊，四周空曠。

1.2 地質(zhì)及土壤概況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，雷達(dá)站場(chǎng)地所處地貌為剝蝕丘陵，地勢(shì)東高西低，勘察前進(jìn)行了平整。雷達(dá)站場(chǎng)地的土質(zhì)由3部分組成：最上層為整平場(chǎng)地時(shí)的回填土，主要由沙土和碎石組成，分布在場(chǎng)地西部，厚度0.5～2.7 m;中層為耕土，主要由沙土及少量黏土組成，分布在場(chǎng)地西部，平均厚度1.3 m，平均埋深2.35 m;最下層為全風(fēng)化片麻巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，主要成分是長(zhǎng)石和云母，平均厚度1.8 m，平均埋深4.27 m。

場(chǎng)地所處區(qū)域地下水貧乏且分布不均，土壤電阻率高且差異明顯，實(shí)測(cè)場(chǎng)地西側(cè)地表土壤電阻率平均值為149.6 Ω·m，東側(cè)平均值為869.4 Ω·m。

1.3 氣候狀況

威海市屬于北溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)都較明顯。威海瀕臨黃海，受海洋的調(diào)節(jié)作用，又具有大風(fēng)多、濕度大等海洋性氣候特點(diǎn)。

根據(jù)1970—2010年氣象資料統(tǒng)計(jì)，威海市平均氣溫11.9℃，最高氣溫38.4℃（環(huán)翠區(qū)），最低氣溫-22.2℃（文登），平均年降水量730.2 mm，平均年日照時(shí)數(shù)2 538.2 h。威海年均暴雨日數(shù)為2.3 d，年均大風(fēng)日數(shù)為73 d，年均雷暴日數(shù)為18.5 d。

2 威海新一代天氣雷達(dá)站防雷類別和防雷等級(jí)的確定

2.1 雷達(dá)樓年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

雷達(dá)樓的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算公式：

N=kNgAe（1）

式中，N為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次/年）;k為校正系數(shù)，雷達(dá)樓屬于曠野孤立建筑物，k取2.0;Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/（km2·年）]，其計(jì)算公式為：

Ng=0.1Ta（2）

式中，Ta為年平均雷暴日（18.5 d/年）;Ae為建筑物的等效面積（km2），威海市雷達(dá)樓為圓形，其等效面積Ae的計(jì)算公式為：

Ae=π×（D+R）2×10-6（3）

式中，R為雷達(dá)樓半徑（16 m）;D 為建筑物半徑的擴(kuò)大寬度（m），其計(jì)算公式為：

D=（4）

式中，H為雷達(dá)樓高度（50.6 m）。

將上述數(shù)據(jù)代入式（1），計(jì)算得出N=0.123 2次/年。

2.2 防雷類別和防雷等級(jí)

雷達(dá)樓年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.123 2次/年，大于0.05次/年，考慮到新一代天氣雷達(dá)設(shè)備貴重，弱電設(shè)備較多，雷達(dá)樓的防雷保護(hù)按二類防雷建筑物、二等防雷雷達(dá)站設(shè)計(jì)。防雷設(shè)施的施工、SPD的選型及安裝位置嚴(yán)格按防雷類別和防雷等級(jí)進(jìn)行確定。

3 威海新一代天氣雷達(dá)站防雷設(shè)計(jì)方案

3.1 直擊雷防護(hù)措施

為保護(hù)雷達(dá)天線免受直擊雷破壞，在安裝雷達(dá)天線基座屋面安裝正方形排列的4根接閃桿。為減輕反擊和避免天線進(jìn)入雷擊電流的強(qiáng)磁場(chǎng)，接閃桿與罩體外緣最近距離為3 m。

用滾球法計(jì)算接閃桿長(zhǎng)度，計(jì)算公式為：

h0=+h-hr（5）

式中，h0為保護(hù)范圍最低點(diǎn)的高度（天線罩直徑12 m+天線罩支撐架高度1.25 m+安全裕量1 m，即14.25 m）;d為對(duì)角接閃桿間水平距離（按規(guī)范要求，接閃桿與被保護(hù)物間最小安全距離為3 m，天線罩直徑為12 m，即18 m）;hr 為滾球半徑（取45 m）;h為接閃桿高度。

將上述數(shù)據(jù)代入式（5），計(jì)算得出h=15.15 m。

為安全可靠，接閃桿實(shí)際架設(shè)高度設(shè)計(jì)為16 m。頂端針型接閃器采用PDA PIX3-60法國(guó)進(jìn)口接閃桿，長(zhǎng)度為0.44 m。針以下部分采用高強(qiáng)度玻璃鋼管作為支撐桿，內(nèi)用截面積為35 mm2的多股銅線實(shí)現(xiàn)頂端接閃器與焊接底板的電氣連接。

沿樓頂平臺(tái)女兒墻用φ10（直徑10 mm）熱鍍鋅圓鋼敷設(shè)接閃帶，25 mm×3 mm鍍鋅扁鋼作支撐卡子，間距1 m，高0.15 m，接閃帶與建筑物柱體外側(cè)主鋼筋作電氣連接。

將屋頂層平面混凝土內(nèi)的鋼筋網(wǎng)在1 m×1 m的鋼筋網(wǎng)格點(diǎn)電焊連接，并就近與屋面構(gòu)造柱內(nèi)主鋼筋電焊連接，網(wǎng)格外圍鋼筋分別與四周設(shè)置的接閃帶電焊連接作為接閃網(wǎng)，接閃網(wǎng)網(wǎng)格材料為φ8（直徑8 mm）鍍鋅圓鋼和40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼。

3.2 側(cè)擊雷防護(hù)措施

雷達(dá)樓從首層起以建筑物圈梁作為均壓環(huán)，圈梁內(nèi)至少選擇2條對(duì)稱主筋在整個(gè)樓層范圍內(nèi)焊接連通，并就近與引下線（建筑物柱體主鋼筋）焊接連通。所有外墻上的孔、洞兩側(cè)對(duì)稱預(yù)留2個(gè)接地點(diǎn)，外墻無(wú)孔、洞處，按間距2 m預(yù)留接地點(diǎn)，以供玻璃幕墻、金屬框等就近與均壓環(huán)鏈接。

3.3 引下線設(shè)計(jì)

利用雷達(dá)樓每個(gè)構(gòu)造柱內(nèi)至少2根以上φ16（直徑16 mm）主鋼筋自下而上電焊連通作為引下線。防雷引下線利用外墻構(gòu)造柱內(nèi)的主鋼筋，下部與基礎(chǔ)圈梁（承臺(tái)）主鋼筋電焊連接，上部與剪力墻上部水平圈梁主鋼筋及接閃帶和接閃桿電焊連接。各樓層及各處均壓等電位連接預(yù)留件均從靠近中心的引下線上引出。用作等電位連接的引下線通長(zhǎng)焊接，下部與基礎(chǔ)地網(wǎng)靠近中心的主鋼筋焊接。

3.4 地網(wǎng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)樓采用共用接地系統(tǒng)，利用基礎(chǔ)接地網(wǎng)作為聯(lián)合接地，接地電阻值不大于1Ω。

將基礎(chǔ)底板內(nèi)鋼筋網(wǎng)在不大于3 m×3 m網(wǎng)格交叉點(diǎn)上進(jìn)行電焊連接，焊接點(diǎn)利用不小于φ10的拐筋焊接，焊接長(zhǎng)度不小于鋼筋直徑的10倍，承臺(tái)上下部配筋可靠貫通。地網(wǎng)接地極利用雷達(dá)樓基礎(chǔ)構(gòu)造柱（樁基）鋼筋，將樁基的任意2根對(duì)稱鋼筋與承臺(tái)中的鋼筋網(wǎng)格焊接連通，形成整體接地網(wǎng)，并將構(gòu)造柱內(nèi)的主鋼筋與承臺(tái)內(nèi)主筋電焊連接。

在雷達(dá)樓地基外圍，以雷達(dá)樓中心為圓心，半徑為20 m、25 m處圍繞地基設(shè)置環(huán)形人工輔助接地網(wǎng)。水平接地體采用95 mm2裸銅絞線，垂直接地體采用φ2 000 mm×2 500 mm的鑄銅棒，垂直接地體間隔5 m。人工接地網(wǎng)埋深1 m，打入長(zhǎng)度2.5 m的垂直接地極，人員出入頻繁的地方，網(wǎng)格適當(dāng)加密。人工接地網(wǎng)接地電阻≤1Ω，并與基礎(chǔ)地網(wǎng)可靠焊接。土壤電阻率較高的地方采用HTJ-01長(zhǎng)效降阻劑。同時(shí)，在基礎(chǔ)圈梁外側(cè)，每隔3～5 m預(yù)留1條外引接地線，將人工接地體與預(yù)留的外引接地線可靠焊接。

3.5 防感應(yīng)雷和屏蔽措施

雷達(dá)天線接到機(jī)房的所有電纜敷設(shè)在金屬屏蔽槽（管）內(nèi)，金屬屏蔽槽（管）和波導(dǎo)管在穿過(guò)每一層樓時(shí)與該層等電位聯(lián)結(jié)帶電氣連接。金屬屏蔽槽（管）首尾電氣貫通。雷達(dá)天線至機(jī)房的電纜線入口處用金屬屏蔽并接地。

雷達(dá)主機(jī)房設(shè)備較多，為防止電磁輻射對(duì)人身、設(shè)備的危害，雷達(dá)機(jī)房和控制室的上、下層面樓板及四周墻面的鋼筋適當(dāng)加密，以滿足電磁環(huán)境的安全要求。雷達(dá)機(jī)房采取4層屏蔽防護(hù)：第1層利用保溫層內(nèi)50 mm×50 mm的金屬網(wǎng)格;第2、3層利用水泥墻內(nèi)的雙層鋼筋;第4層專門(mén)敷設(shè)50 mm×50 mm的鍍鋅金屬網(wǎng)格。雷達(dá)機(jī)房的地面和頂棚同樣采取4層防護(hù)：第1層為建筑物外墻200 mm×200 mm的鋼筋;第2、3層為地面及頂棚內(nèi)200 mm×200 mm的雙層鋼筋;第4層為專門(mén)敷設(shè)50 mm×50 mm的鍍鋅金屬網(wǎng)格。雷達(dá)機(jī)房和控制室使用金屬防盜門(mén)，窗和孔洞處均設(shè)置50 mm×50 mm的金屬防護(hù)網(wǎng)，金屬門(mén)和防護(hù)網(wǎng)均與預(yù)留的等電位連接點(diǎn)連接。

為防止雷擊電磁脈沖，雷達(dá)機(jī)房和控制室設(shè)置在從頂層算起3層以下內(nèi)部的設(shè)備和布線距外墻及梁柱1 m以上，以防止強(qiáng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓造成危害。

3.6 等電位連接

防雷器件首先起到的作用是對(duì)雷電流的吸收和泄放，同時(shí)也是一種等電位連接器，等單位連接在系統(tǒng)防雷中起著非常重要的作用。

將進(jìn)出雷達(dá)樓的各種金屬管道、信號(hào)電纜外屏蔽層、電力電纜外鎧均在雷達(dá)樓的入口處用等電位卡子連接后與地網(wǎng)連接，配電室內(nèi)的接地干線亦采用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼與地網(wǎng)相連，構(gòu)成總等電位聯(lián)結(jié)。上述可導(dǎo)電部分在穿過(guò)雷電防護(hù)區(qū)的交界處，用40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼連接到等電位連接帶上做局部等電位聯(lián)結(jié)。同時(shí)將設(shè)備外露可導(dǎo)電部分、PE線、線纜金屬屏蔽層和防靜電地板等連接到該層等電位連結(jié)帶上。

在雷達(dá)機(jī)房和控制室內(nèi)，距地30 cm沿墻用30 mm×3 mm銅板敷設(shè)環(huán)形等電位連結(jié)帶，預(yù)留等電位連接點(diǎn)6處，每隔5 m進(jìn)行一次等電位連接。將室內(nèi)所有微電子設(shè)備的金屬外殼、設(shè)備的保護(hù)地、屏蔽地、直流地、交流地、防靜電接地、線纜的金屬外殼及SPD的接地端均以最短距離分別連接到等電位連結(jié)帶上。

3.7 雷擊電磁脈沖防護(hù)措施

3.7.1 電源系統(tǒng)的保護(hù) 為保證雷達(dá)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，采用雙路電源供電，一路來(lái)自市電網(wǎng)，另一路來(lái)自發(fā)電機(jī)組。低壓供電選用TN-S接地系統(tǒng)。

為防止雷電波侵入，采用逐級(jí)消壓的方式，自變電室至雷達(dá)樓供電系統(tǒng)箱安裝3級(jí)SPD，重要設(shè)備前端電源安裝第4級(jí)過(guò)電壓防護(hù)。

（1）SPD1：選用并聯(lián)式DBM1255（4P）電源浪涌保護(hù)器2套，分別安裝在雙路電源配電盤(pán)。在每條相線和中性線上選用Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)用沖擊電流Iimp通過(guò)幅值電流≥50KA的SPD（10/350 μs），主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）SPD2：選用并聯(lián)式DGM TNS 275（4P）電源浪涌保護(hù)器2套，分別在雙路電源配電盤(pán)SPD1處并聯(lián)安裝。在每條相線和中性線上選用標(biāo)稱放電電流≥20 KA的SPD（8/20 μs），主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

（3）SPD3：選用并聯(lián)式DGM TNS CI 275電源浪涌保護(hù)器6套，分別安裝在雷達(dá)樓的分配電箱內(nèi)。每條相線和中性線上選用標(biāo)稱放電電流≥12.5 KA的SPD（8/20 μs），主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

（4）SPD4：選用串聯(lián)式DRM 2P 255及DRM 4P 255電源浪涌保護(hù)器，安裝在設(shè)備端直接供電電源線路上。每條相線和中性線上選用標(biāo)稱放電電流≥3 KA的SPD（8/20 μs），兩者的主要技術(shù)參數(shù)相同，具體見(jiàn)表4。

3.7.2 信號(hào)系統(tǒng)的防雷保護(hù) 雷達(dá)站通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)，為防止雷電波沿著金屬部件引入電子設(shè)備，在光纜的終端將光纜內(nèi)、外皮上的金屬部件直接連接到等電位聯(lián)結(jié)帶上。進(jìn)入主機(jī)房的電話線穿金屬管屏蔽埋地引入，在接線盒前端安裝信號(hào)SPD。在雷達(dá)主機(jī)房?jī)?nèi)的重要電子設(shè)備入口端安裝相應(yīng)的信號(hào)浪涌保護(hù)器，根據(jù)接口形式、傳輸速率、特性阻抗、駐波比、插入損耗、頻帶寬度等性能指標(biāo)確定其具體型號(hào)。

4 小結(jié)

威海市新一代天氣雷達(dá)站2014年竣工，投入使用4年多來(lái)，未發(fā)生過(guò)任何雷擊事故，說(shuō)明該方案符合現(xiàn)代綜合防雷的基本宗旨。每年雷雨季節(jié)前，應(yīng)對(duì)雷達(dá)站的所有防雷設(shè)施進(jìn)行年檢。雷雨季節(jié)中要加強(qiáng)外觀巡視，發(fā)現(xiàn)電源避雷器出現(xiàn)問(wèn)題需及時(shí)處理。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：李楊