X波段雙偏振相控陣天氣雷達的防雷技術要點

李和捷，彭彪，蔡君，龐軍，劉慶裕，徐啟騰

（廣州市氣象公共服務中心，廣東廣州 511430）

新一代多普勒天氣（CINRAD/SA）雷達在臺風、暴雨、強對流等災害性天氣監(jiān)測預警中發(fā)揮了重要作用，但隨著探測距離增加，波束中心高度和波束寬度也隨之增加，使得雷達在較遠距離處的探測能力下降，加上地球曲率的影響，導致在低空區(qū)域特別是1 000 m以下的空域探測和預警存在很大的盲區(qū)。而中小尺度強對流天氣系統(tǒng)，具有局地性、突發(fā)性、實時性強等特點且經(jīng)常發(fā)生于低海拔區(qū)域，新一代天氣雷達由于其在低空領域的局限性，無法滿足對致災性極強的中小尺度天氣系統(tǒng)在低空頻發(fā)區(qū)域的精細化監(jiān)控和預警。另外新一代天氣雷達完成一次體掃描需要6 min左右，而冰雹、龍卷、下?lián)舯┝?、局地大風等小尺度天氣系統(tǒng)從發(fā)生到發(fā)展一般持續(xù)只有約30 min左右，無法對此類生消變化迅速的中小尺度天氣系統(tǒng)的有效精細監(jiān)測預警。X波段雙偏振相控陣天氣雷達利用先進的相控陣技術實現(xiàn)快速的電子掃描功能，不但減少了天線快速轉(zhuǎn)動時帶來的波束形狀發(fā)生變化以及指向不準確問題，而且提升了體掃時間分辨率，能夠大幅度增加對生消變化迅速且極易造成重大災害的強對流天氣系統(tǒng)體掃的更新率，即更高的時間分辨率，并可利用偏振功能對粒子相態(tài)進行準確識別，從而為監(jiān)測中小尺度災害性天氣提供精細化程度更高的觀測手段［1-3］。為了加強對致災性極強的中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測預警，更好服務廣州市特大中心城市建設，廣州市氣象局規(guī)劃建設了X波段雙偏振相控陣天氣雷網(wǎng)［4］，目前已建成廣州番禺觀測場、佛山南海農(nóng)氣站、花都觀測場、白云帽峰山頂、南沙黃山魯山頂?shù)?部雷達，據(jù)悉，深圳、珠海、佛山等地也擬布設該類型雷達。為更好服務該類型雷達建設，減低雷電災害，本研究提出一些防雷技術要點，供同行參考。

1 接閃保護

根據(jù)X波段雙偏振相控陣天氣雷達小型化特點，雷達主機和天線直接置于塔頂，為盡可能確保雷達天線和主機不遭受直接雷擊，應采用接閃桿加以保護，同時要最大限度避免接閃桿對雷達信號的遮擋。采用等高雙針是其中有效接閃保護方式之一，可以不受金屬塔下地形的限制，但對雷達信號存在2個方向的遮擋。如采用單針接閃保護方式，可以有效避免一個方向的信號遮擋，但有很大局限性，受到金屬塔下地形和植被的限制，接閃桿的保護范圍隨地形和植被的起伏而變化，有可能達不到設計效果。為有效解決單針接閃保護范圍受限的問題，設法將滾球平面提升至雷達主機安裝的塔頂平面是簡便有效方法之一。以四角方形鐵塔為例，可在除單針安裝外的其它3個角各水平安裝3支接閃桿，即可將滾球平面提升至塔頂平面。對于六角鐵塔、八角鐵塔和圓形鐵塔，均可在單針的情況下，通過水平安裝2～3支接閃桿，將滾球平面提升至塔頂平面，見圖1。

圖1 塔頂接閃平面示意圖

為最大限度減低接閃桿對雷達信號的遮擋，接閃桿在滿足風壓要求的情況下直徑盡可能小，建議采用不小于ф16不銹鋼圓鋼或圓銅，長度1～2 m為宜，接閃桿以高強度中空玻璃鋼為支架［5］，引下線從玻璃鋼支架中空引下，建議采用截面積為50 mm2的帶絕緣層的單股或多股銅線，套PVC管沿鐵塔角位以最短路徑敷設至最遠處的環(huán)接地裝置。

2 防雷接地

為最大限度減低雷電流分流過程導致的地電位抬升對雷達的反沖影響，可充分利用雷電流趨膚效應，采用與塔身絕緣的引下線將雷電流分流至互不相連的雙環(huán)形接地裝置外圈環(huán)形接地網(wǎng)上的雷電流分流法。雙環(huán)形閉合接地裝置加與塔身絕緣引下線分流雷電流法，已被郭在華等［6］、顏旭等［7］在野外雷電試驗結(jié)果中所驗證。

雙環(huán)形閉合接地裝置與塔身絕緣引下線分流雷電流法具體如圖2所示。圍繞鐵塔基礎設置互不相連的雙環(huán)形閉合接地裝置，內(nèi)外兩閉合環(huán)形接地裝置間隔不小于20 m，內(nèi)閉合環(huán)形接地裝置距離鐵塔基礎5 m左右，充分利用鐵塔基礎內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成塔身環(huán)形閉合接地裝置，該接地裝置與內(nèi)閉合環(huán)形接地裝置充分等電位連接，保證至少4個方向的等電位連接。塔頂接閃桿引下線套PVC管沿塔身絕緣對稱敷設引下，保持絕緣埋地敷設至外閉合環(huán)形接地裝置上，并在引下點處設置垂直接地極，引下點宜在外閉合環(huán)形接地裝置上均勻分布。

圖2 雙環(huán)形閉合接地裝置示意圖

受條件限制時，可采用單閉合環(huán)形接地裝置，具體做法如下：圍繞鐵塔基礎設置單環(huán)形閉合接地裝置，單閉合環(huán)形接地裝置距離鐵塔基礎5 m左右，充分利用鐵塔基礎內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成塔身環(huán)形閉合接地裝置，該接地裝置與單閉合環(huán)形接地裝置充分等電位連接，保證至少4個方向的等電位連接。塔頂接閃桿引下線套PVC管沿塔身絕緣對稱敷設引下，保持絕緣埋地敷設至外閉合環(huán)形接地裝置上，并在引下點處設置垂直接地極，引下點宜在外閉合環(huán)形接地裝置上均勻分布。

3 電源系統(tǒng)防雷保護

雷達采用220 V低壓交流電源作為供電方式，為保障雷達及其輔助設施在斷電情況時能夠連續(xù)工作，一般采用在線式UPS電源供電。通常，于塔底設置總配電箱，電源就近引自建筑物（站、場）低壓配電柜（箱），供UPS電源、空調(diào)等設備設施使用；于塔頂設置分配電箱，電源來自塔底UPS電源，供雷達等設施使用。

為防止雷電電磁脈沖在電源線路上感應引起電涌危害，應采取屏蔽、等電位連接、合理布線、安裝電涌保護器等措施。屏蔽措施可采用屏蔽電纜或?qū)Ψ瞧帘坞娫淳€路采取屏蔽措施，考慮電纜的暴露度和降低施工難度，無論是總配電箱前端電纜，還是分配電箱前端電纜，均建議采用鎧裝電纜。等電位連接措施方面，總配電箱前端電纜可敷設在專設電纜溝內(nèi)或套PVC管直接埋地敷設，鎧裝層兩端與配電柜（箱）作等電位連接并良好接地；總配電箱和分配電箱間電纜沿塔身配線槽敷設，電纜鎧裝層兩端分別與總配電箱和分配電箱作等電位連接。合理布線方面，強、弱電線路分開金屬線槽敷設，以避免低頻干擾；金屬線槽設置在盡可能靠近鐵塔中心部位處，以減低引下線周圍電磁脈沖在線路上感應引起的電涌危害。安裝電涌保護器方面，總配電箱電源就近引自建筑物（站、場）低壓配電柜（箱），建議安裝一級試驗的電涌保護器，沖擊電流值不小于12.5 kA，電壓保護水平不大于2.5 kV，分配電箱內(nèi)安裝2級試驗的電涌保護器，標稱放電電流值不小于 5 kA［8］。

自塔頂分配電箱至雷達主機的電纜為雷達專用接口電纜，帶有屏蔽層，宜敷設在金屬線槽內(nèi)或穿金屬管敷設，金屬線槽或金屬管保持電氣連續(xù)性，兩端分別與分配電箱和主機金屬外殼作等電位連接。

信號傳輸全程采用光纖，光端設備均置于金屬箱體內(nèi)，需將光端設備可靠接地，將光纖金屬加強芯、金屬擋潮層等兩端做好等電位連接或作絕緣接頭，則可將雷電電磁脈沖的危害降低至最小。

4 結(jié)論

1）豎向單針結(jié)合橫向多針的接閃方法，可將滾球平面提升至塔頂平面，既解決了單針保護范圍受限的問題，又避免了雙針接閃桿對雷達信號的遮擋。

2）利用雷電流趨膚效應，雙環(huán)形閉合接地裝置加與塔身絕緣引下線分流雷電流法，可一定程度避免塔身分流導致的地電位反擊。

3）電源系統(tǒng)是易受雷電電磁脈沖影響薄弱環(huán)節(jié)，應綜合采用屏蔽、等電位連接、安裝電涌保護器等措施加強防護。

現(xiàn)階段，我國X波段雙偏振相控陣天氣雷達的建設剛剛起步，隨著雷達組網(wǎng)觀測的進行，其對中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測預警作用的顯現(xiàn)，建設規(guī)模會不斷擴大。其防雷設計、施工、檢測、驗收等均只能參考《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》（QX/T 2-2016），適用程度存在偏差，故出臺針對性行業(yè)標準迫在眉睫。