銅仁雷達站防雷分析及改進措施研究

宋 迪

（民航貴州空中交通管理分局，貴州 貴陽 550012）

0 引 言

銅仁雷達站INDRA雷達做為貴州管制區(qū)域西面的“千里眼”，對保障飛行安全起著至關(guān)重要的作用。該雷達站位于銅仁市內(nèi)大興工業(yè)園區(qū)內(nèi)，海拔757 m，是銅仁市內(nèi)海拔最高之處，特殊的地理位置導致其極易遭受雷擊，因此該雷達站的防雷工作成為了設(shè)備保障的重中之重。

1 銅仁雷達站雷災情況

貴州銅仁雷達站海拔757 m，建于大興工業(yè)園區(qū)內(nèi)，2012年投入運行。臺站總面積約860 m2，臺內(nèi)土層厚度約35 cm，土層下及院外為風化多巖石土質(zhì)。地網(wǎng)建于雷達站內(nèi)土層之下，呈水平發(fā)散狀，垂直接地極因土層下有巖層原因，與外界導通能力極其有限。同時，銅仁雷達站處于銅仁雷區(qū)，自建臺以來每年雷雨季節(jié)都會遭受雷擊，導致臺站雷達系統(tǒng)、動環(huán)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)及低壓配電系統(tǒng)雷害事故頻發(fā)。2015年6月2日，INDRA雷達B編碼器、A通道MICA02板、UPS智能接口、直流屏智能接口被雷擊壞；2016年5月4日，威爾信油機控制器、UPS并機板被雷擊壞；2017年5月11日，安防監(jiān)控被雷擊壞；2018年8月1日，INDRA雷達A編碼器被雷擊壞；2019年7月23日17時11分，有一次強度為111.5 kA的直擊雷在銅仁雷達站位置閃擊。據(jù)當天值班人員回憶，當時落雷點就在雷達天線塔上，故障現(xiàn)象為雷達信號中斷、動環(huán)系統(tǒng)中斷、消防系統(tǒng)損壞、安防系統(tǒng)損壞。事后統(tǒng)計，受損部件有雷達編碼器2個、雷達MICA02板兩塊、消防主機1個、七氟丙烷機柜2個、玻璃鋼避雷針1根、高壓屏蔽電纜引下線1根、JS-18采集器1套、安防攝像頭10個。從地理位置上看，銅仁雷達站身處環(huán)境惡劣，從防雷效果上看，防雷措施較為薄弱，頻繁雷擊直接影響了臺站的安全、穩(wěn)定運行，防雷問題亟待解決。

2 臺站現(xiàn)場調(diào)研情況

2.1 直擊雷防護

對于直擊雷[1]，銅仁雷達站的防護措施主要是通過雷達站雷達天線塔天線基座平臺上安裝的4根避雷針，同時建立了雷達塔直擊雷隔離系統(tǒng)、VHF鐵塔直擊雷隔離系統(tǒng)，低壓配電房與機房綜合樓的屋頂都鋪設(shè)了避雷網(wǎng)，并在屋頂?shù)乃闹芗茉O(shè)了短避雷針，臺站的圍墻上也安裝了短避雷針。

2.2 感應雷防護

機房中鋪設(shè)等電位連接銅排，各種監(jiān)控、傳輸、甚高頻和雷達系統(tǒng)都是通過等電位銅排、一根扁鋼與主地網(wǎng)連接，用于連接等電位銅排和主地網(wǎng)的單根銅排和單根扁鋼交叉擺在一起。

2.3 雷達信號防雷情況

雷達塔與機房之間架設(shè)了屏蔽橋架，雷達天饋系統(tǒng)各種控制等信號線排列在一起，通過橋架進入雷達機房。

2.4 接地實測

銅仁雷達站采用的是共用地網(wǎng)，避雷針與各機房之間的接地電阻理論上接近，但實測數(shù)據(jù)顯示圍墻邊的避雷針和VHF避雷針與各機房接地電阻差異較大。詳細數(shù)據(jù)為雷達天線塔1.6 Ω、工藝生活用房1.6 Ω、配電房1.7 Ω、兩座VHF鐵塔比避雷針3.8 Ω、雷達塔避雷針3.8 Ω。根據(jù)MH/T4020—2006《民用航空通信導航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》12.1.1規(guī)定[2]采用共用接地系統(tǒng)時，接地裝置的接地電阻值應按防雷接地、交流工作接地、安全保護接地、設(shè)備要求的工作接地等最小值確定。標準要求，接地電阻不應大于4 Ω。從實測數(shù)據(jù)來看，雖然測量值在標準范圍內(nèi)，但差距較大，存在一定疑問。

2.5 防雷改造情況

銅仁雷達站防雷改造工程于2018年7月開始施工，10月完工，歷時4個月，工程可分為4個部分：建立雷達塔直擊雷隔離系統(tǒng)，建立VHF鐵塔直擊雷隔離系統(tǒng)，改造升級雷達機房的防雷裝置，改造升級安防、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的防雷裝置。

3 雷擊情況分析

造成2019年7月23日雷擊事件的直接原因為一次強度為111.5 kA的雷擊電流對地閃擊在銅仁雷達站雷達樓頂避雷針上，雷電流在避雷針接閃和泄放過程中對臺站設(shè)施設(shè)備造成了影響。圖1為雷電路徑圖。

圖1 雷電路徑圖

3.1 直擊雷影響分析

2019年7月23 日17時11分，雷達塔其中一根避雷針接閃，雷電流由避雷針引下線向地網(wǎng)傳導，避雷針使用的是2012年建臺時的舊針，2018年防雷改造時，將舊針的引下線從針桿底部斷開，復接一段高壓屏蔽電纜作為引下線（截面積50 mm2），現(xiàn)場勘查時發(fā)現(xiàn)舊針針桿內(nèi)的引線下線徑為35 mm2，不符合MH/T 4020—2006《民用航空通信導航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》所要求的50 mm2。避雷針接閃時，避雷針針尖會有明顯燒熔痕跡，雷擊瞬間針尖溫度應在1 500 ℃左右，避雷針針尖焊點因高溫融化，導致避雷針針尖脫落，雷電流在避雷針引下線與銅套管壓接處因水汽氣化產(chǎn)生沖擊，使銅套管與避雷針引下線分離。

雷電流流經(jīng)均壓環(huán)時，由于均壓環(huán)內(nèi)部T型接頭絕緣被擊穿，導致雷電流從T型接頭處對接線箱內(nèi)壁放電，致使箱內(nèi)的水汽瞬間蒸發(fā)，箱內(nèi)氣壓驟然增大，導致箱體變形，部分雷電流經(jīng)由該放電通道順著屏蔽鋼管向大地泄放，其余大部分雷電流由高壓屏蔽電纜引下線泄放至雷達站花園專用泄流網(wǎng)內(nèi)。

此外，根據(jù)MH/T 4020—2006《民用航空通信導航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》要求，在雷達塔設(shè)置避雷針不應少于4根，而銅仁雷達塔避雷針只有兩根引下線，不符合民航的規(guī)范要求。由于引下線脫離和均壓環(huán)接線箱及屏蔽鋼管成為雷電通道，原2018年建立的雷達塔直擊雷隔離系統(tǒng)已經(jīng)失效，這是造成此次雷達設(shè)備受損的主要原因之一。

3.2 感應雷影響分析

3.2.1 雷達編碼器受損分析

由直擊雷影響分析可知，直擊雷隔離系統(tǒng)失效后，雷電流產(chǎn)生的強磁場可能就在雷達塔建筑鋼筋上產(chǎn)生高電位。產(chǎn)生高電位的原因有兩種可能：一種是地電位升高反向串入鋼筋，另一種是自身感應出的浪涌。建筑鋼筋與雷達天線基座相連，雷達天線基座與雷達編碼器通過編碼器連接桿相連，如圖2所示。這就導致在雷達編碼器外殼上也產(chǎn)生了很高的電位，導致編碼器受損。

圖2 編碼器與雷達天線基座相連

3.2.2 雷達MICA02板雷擊分析

（1）由編碼器受損原因可知，編碼器內(nèi)部產(chǎn)生了過電流導致編碼器受損，而過電流經(jīng)由編碼器饋線進入了雷達機房，并造成與其相連MICA02板的損壞。編碼器防雷箱避雷器未損壞的原因還存在疑問，避雷器是24 V壓敏電阻型避雷器，其接地點即是其動作參考電位點，避雷器未動作是因其接地會與“Shield”（編碼器外殼接地）同時抬升，所以不會動作。但經(jīng)現(xiàn)場勘查，避雷器的接地（接地線也是穿管屏蔽鋪設(shè)的）被引接至雷達機房內(nèi)，不會受到雷達塔接地電位抬升所帶來的影響。雷達控制柜內(nèi)所使用24 V放電管避雷器，作為一個初級的防護手段，其反應慢，殘壓高，通流量較大，可能沒起作用設(shè)備就已經(jīng)損壞，也可能起了作用，但是殘壓高，設(shè)備沒有保護住。

（2）GPS天線饋線上產(chǎn)生的感應雷電導致MICA02板損壞。雷達GPS天線饋線與MICA02板饋線相距很近，在橋架上也是捆扎在一起的，由于雷達GPS天線饋線是從雷達機房頂部室外鋪設(shè)進入機房，其穿管屏蔽不規(guī)范（穿管后未兩端接地），屏蔽效果較差，雷擊發(fā)生時可能會在GPS天線饋線上產(chǎn)生感應電流進入機房，因MICA02板饋線距離近且沒有屏蔽層也未在板口端裝避雷器，有可能會受其影響產(chǎn)生過電流損壞MICA02板。因GPS天線饋線帶屏蔽層且安裝有避雷器，所以GPS端口并未損壞。

4 改進措施

4.1 直擊雷改進

（1）更換雷達塔4根舊的避雷針，避雷針要求針尖采用熔接工藝，防止針尖斷裂，并增加引下線的線徑。

（2）將雷達塔至接地網(wǎng)的獨立引下線，由原來的2根增加至4根，并增設(shè)一道均壓環(huán)。

（3）改變直擊雷接閃系統(tǒng)的引雷順序，在合適位置架設(shè)2～3個避雷塔。引雷順序應調(diào)整為避雷塔、甚高頻避雷針、雷達塔避雷針。這可以降低因直擊雷產(chǎn)生的電位抬升過電壓和雷電電磁脈沖對雷達系統(tǒng)的損壞度。

4.2 接地網(wǎng)改進

在原有地網(wǎng)的基礎(chǔ)上沿著雷達塔院落增設(shè)兩環(huán)接地網(wǎng)，使雷達站內(nèi)整個院落處于一個大地網(wǎng)之上，更加有利于均壓；根據(jù)地質(zhì)情況打深井，將接地地網(wǎng)低阻降至1 Ω以下，使雷電流泄放更加通暢；將雷達整個接地系統(tǒng)與建筑鋼筋斷開，單獨做，使整個接地系統(tǒng)良好連接，降低接地系統(tǒng)電位差。

4.3 編碼器

對雷達天線罩內(nèi)編碼器從屏蔽和接地兩個方面做特殊處理，解決因為電磁脈沖和電位反擊造成的擊毀。

4.4 機房屏蔽改進

將動環(huán)監(jiān)控、安防監(jiān)控和消防等非業(yè)務設(shè)備從雷達機房內(nèi)遷移出來，避免其影響雷達機房設(shè)備。分別為雷達機房室內(nèi)線纜和室外線纜單獨做橋架。特別是室外線纜，除單設(shè)橋架外，還需要在進出機房處對其屏蔽層單獨接地[3]。

4.5 避雷器改進

在雷達控制柜至雷達機柜編碼器饋線上安裝信號避雷器，安裝位置盡可能靠近MICA02板。對未加裝避雷器的消防線路等加裝對應避雷器，并對整個消防系統(tǒng)重新梳理，做好接地。

5 結(jié) 論

本文通過實例從4個方面對銅仁雷達站雷擊事件進行了詳細分析，提出了改進措施，對民航空管系統(tǒng)雷達站設(shè)備防雷，特別是雷達系統(tǒng)的防雷提供了積極參考。當前，民航雷達站的防雷工作是一項重要而復雜的研究課題，涉及到建筑學、電氣工程、網(wǎng)絡(luò)通信及電子工程等眾多專業(yè)學科。隨著數(shù)據(jù)通信采集技術(shù)的發(fā)展，如閃電定位監(jiān)測網(wǎng)的逐步建立，會使得對雷電的及時監(jiān)測、預報、預警的能力大大提高，更有可能做到對雷電閃擊路徑的控制，定會真正做到服務空管，造?？展?。