X波段氣象雷達(dá)站雷電氣候特征分析及防雷技術(shù)應(yīng)用

黃 勇，李進(jìn)毅，陳 倩，唐 蜜，胡曉東，張 棚，曹 毅

1.雅安市氣象局，四川雅安 625000；2.石棉縣氣象局，四川石棉 625400；3.涼山州氣象局，四川西昌 615000

1 雷暴的定義與危害

雷暴的定義：由于強(qiáng)積雨云引起的伴有雷電活動(dòng)和陣性降水的局地風(fēng)暴；在地面觀測(cè)中僅指伴有雷鳴和閃電的天氣現(xiàn)象。雷電強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場(chǎng)和強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，一方面，可以造成洪澇災(zāi)害，引起滑坡、崩塌（危巖體）、泥石流、巖溶塌陷、地面塌陷、地裂縫及房屋裂縫等地質(zhì)災(zāi)害；另一方面，以強(qiáng)電流、強(qiáng)電場(chǎng)造成人類生命財(cái)產(chǎn)的損失。其發(fā)生發(fā)展與季節(jié)、地形、地質(zhì)和氣候等因素有關(guān)，它的發(fā)生存在不確定性[1]。

雷電災(zāi)害是一種有著巨大危害性的氣象災(zāi)害，被“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年委員會(huì)”列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”，被中國(guó)國(guó)防電工委員會(huì)稱為“電子時(shí)代的一大公害”。隨著當(dāng)前電子信息技術(shù)的發(fā)展和微集成電子元器件的廣泛應(yīng)用，雷災(zāi)事件日趨嚴(yán)重[2]。

石棉縣屬中緯度亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)榛鶐У纳降貧夂颉Ｊ艿匦斡绊?，氣候垂直分布明顯，大渡河谷對(duì)水汽來源與風(fēng)速、風(fēng)向的影響較大，氣候復(fù)雜多樣，年平均雷暴日數(shù)39 d，屬中雷暴區(qū)[3]。目前，雷電天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警主要基于地面電場(chǎng)、三維閃電定位等站網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過四川省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采集閃電數(shù)據(jù)的時(shí)空變化特征，為石棉縣X波段雙偏振多普勒氣象雷達(dá)站建設(shè)項(xiàng)目提出綜合系統(tǒng)、科學(xué)合理的防雷技術(shù)措施，以增強(qiáng)氣象雷達(dá)的綜合預(yù)警防御能力，為地方防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

2 雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源

利用四川省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)（1個(gè)中心站和42個(gè)子站閃電定位儀）（2010—2019年）監(jiān)測(cè)的雷電數(shù)據(jù)資料進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，分析石棉縣X波段氣象雷達(dá)站（29°13′36″N、102°23′ 43″E）5 km范圍內(nèi)的雷電活動(dòng)特征。

3 雷達(dá)站雷電活動(dòng)特征分析

3.1 雷達(dá)站雷電活動(dòng)年際變化月分布特征

依據(jù)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站（29°13′36″N、102°23′43″E）5 km范圍2010—2019年監(jiān)測(cè)的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出共發(fā)生閃電數(shù)2 084次，其中正閃數(shù)63次，占閃電總數(shù)3.02%；負(fù)閃數(shù)2 021次，占閃電總數(shù)96.98%；平均正閃強(qiáng)度為43.76 kA，平均負(fù)閃強(qiáng)度為-22.97 A，最大正閃強(qiáng)度為139.062 kA，最大負(fù)閃強(qiáng)度為-280.181 kA。負(fù)閃雷電相對(duì)更集中，負(fù)閃主要分布范圍為5~50 kA。

雷達(dá)站5 km范圍的雷電年際變化月分布活動(dòng)期為3—10月，其中6—8月份為雷電高發(fā)期，85%以上的雷電都發(fā)生在這3個(gè)月份，7月為雷電最高峰值；1、2、11、12 月份基本沒有雷閃發(fā)生（圖1）。

圖1 雷達(dá)站雷電活動(dòng)年際變化月分布

3.2 雷達(dá)站雷電活動(dòng)時(shí)分布特征

依據(jù)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站（北緯：29°13′36″、東 經(jīng)：102°23′43″）5 km范圍近10年（2010—2019年）雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出雷電活動(dòng)時(shí)分布圖（圖2）。雷達(dá)站所在地5 km范圍一天當(dāng)中雷電閃擊基本都出現(xiàn)過，其中，17:00~22:00（100次為標(biāo)準(zhǔn)）受局地地理環(huán)境地形氣候特征影響，在午后到上半夜時(shí)段內(nèi)對(duì)流發(fā)展旺盛，從而發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，為雷電閃擊發(fā)生最頻繁時(shí)段；06:00~15:00為雷電少發(fā)時(shí)段。

圖2 雷達(dá)站雷電活動(dòng)時(shí)分布

3.3 雷達(dá)站雷電活動(dòng)雷電流幅值特征分析

依據(jù)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站（29°13′36″N、102°23′ 43″E）5 km半徑范圍內(nèi)，2010—2019年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出雷電流累積強(qiáng)度概率分布曲線（圖3），其雷電流累積概率分別為90%、97%、98%、99%時(shí)對(duì)應(yīng)的雷電流幅值見表1。

圖3 雷達(dá)站負(fù)閃、正閃雷電流強(qiáng)度累積概率曲線圖

表1 雷電流強(qiáng)度概率分布數(shù)據(jù)表

4 雷達(dá)站綜合防雷技術(shù)措施

4.1 雷達(dá)站的雷電防護(hù)等級(jí)確定

依據(jù)《建筑物電線信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343—2012第4條之規(guī)定，結(jié)合石棉縣X波段氣象雷達(dá)站雷電活動(dòng)特征（平均雷暴日39 d等）和建（構(gòu)）筑物特性進(jìn)行計(jì)算，雷達(dá)站所在地雷擊大地年平均密度Nr=7.8次/（km2·a）。另依據(jù)《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》QX/T 2—2016第5條表1雷達(dá)站防雷等級(jí)的劃分之規(guī)定，該雷達(dá)站防雷等級(jí)為二等,因而本次設(shè)計(jì)低壓供電系統(tǒng)設(shè)置3級(jí)浪涌保護(hù)，電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)1級(jí)浪涌保護(hù)。

4.2 綜合防雷措施

4.2.1 直擊雷防護(hù)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站雷達(dá)機(jī)房建筑物高度為11 m，雷達(dá)天線位于建筑物頂面，天線罩直徑為4 m。結(jié)合雷達(dá)站建筑物和雷達(dá)天線的特性和布局，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010），結(jié)合滾球法（取滾球半徑R=45 m）進(jìn)行計(jì)算，在天線四周3 m半徑以外均勻設(shè)計(jì)實(shí)施3根高度為8 m的防直擊雷接閃針有效保護(hù)雷達(dá)天線。為了解決常規(guī)接閃針對(duì)雷達(dá)發(fā)射和接收電磁波所產(chǎn)生的干擾，防直擊雷接閃針支桿采用玻璃鋼，接閃針尖采用Φ20棒，引下線采用BVR 50 mm2多芯銅導(dǎo)線等電位連接接閃針，并內(nèi)篏玻璃鋼內(nèi)引至綜合接地網(wǎng)上[4]。

4.2.2 機(jī)房屏蔽和等電位連接為有效減輕雷電電磁感應(yīng)對(duì)雷達(dá)機(jī)房設(shè)備的影響，將整個(gè)機(jī)房采用法拉第籠進(jìn)行屏蔽。法拉第籠上下兩面采用建筑物結(jié)構(gòu)板筋制作，形成不大于200 mm×200 mm的網(wǎng)格，板筋間在每1 m×1 m的網(wǎng)格處進(jìn)行1次點(diǎn)焊連接。結(jié)構(gòu)板筋四周采用-30×3扁鋼壓接，扁鋼與結(jié)構(gòu)梁內(nèi)貫通鋼筋每不大于2 m至少連通1次[5]。法拉第籠側(cè)面（機(jī)房四周墻面）采用后加金屬屏蔽網(wǎng)（網(wǎng)格不大于200 mm×200 mm）的方式制作，所有金屬屏蔽網(wǎng)安裝上下四周采取就近多點(diǎn)與建筑物基礎(chǔ)柱筋等電位電氣焊接連接。

為有效消除雷達(dá)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備間的電位差，在整個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)采用Mm型等電位連接方式進(jìn)行等電位處理。等電位接地銅排規(guī)格為-3×30扁銅，在機(jī)房?jī)?nèi)靜電地板下用絕緣子做支架，按1 m×1 m敷設(shè)成網(wǎng)狀，并采用BVR 50 mm2多芯銅導(dǎo)線外引至綜合接地網(wǎng)上等電位電氣連接接地。機(jī)房?jī)?nèi)的靜電地板支架、金屬屏蔽管及其他金屬均需采用BVR 16 mm2銅芯線與等電位銅排相連，所有設(shè)備和機(jī)柜采用2根BVR 16 mm2連接，2根連接線間長(zhǎng)度相差大于20%。

4.2.3 雷電電磁脈沖防護(hù)（1）電源系統(tǒng)防護(hù)措施。根據(jù)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站供電方式及其分布狀況，以及《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》QX/T 2—2016標(biāo)準(zhǔn)要求，在雷達(dá)站的變壓器低壓側(cè)母排上安裝I類浪涌試驗(yàn)，通流量不小于12.5 kA，保護(hù)水平應(yīng)不大于2.5 kV的第一級(jí)浪涌保護(hù)器；在雷達(dá)站總配電箱內(nèi)安裝II類浪涌試驗(yàn)，通流量大于40kA，保護(hù)水平小于1.5 kV的第二級(jí)浪涌保護(hù)器。當(dāng)有電源線路穿越LPZOB與LPZ1區(qū)時(shí)，宜在LPZ0B區(qū)內(nèi)用電設(shè)備處加裝1套同級(jí)浪涌保護(hù)器；在雷達(dá)機(jī)房UPS配電箱、設(shè)備前端、弱電設(shè)備取電處安裝Ⅱ類或Ⅲ類浪涌試驗(yàn)，通流量大于3 kA，保護(hù)水平＜1.0 kV的第三級(jí)浪涌保護(hù)器。以有效抑制或減輕外部輸電線路上感生的雷電電磁脈沖過電壓、過電流。

（2）電子信息系統(tǒng)過電壓防護(hù)措施。由電信部門引入光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在線路進(jìn)入LPZ1區(qū)處屏蔽管進(jìn)行接地處理一次，在線路進(jìn)入光端機(jī)時(shí)光纖加強(qiáng)筋及光端盒再進(jìn)行接地處理一次。

其他系統(tǒng)：視頻監(jiān)控系統(tǒng)在穿越LPZ0B與LPZ1區(qū)的線路時(shí)，線路兩端設(shè)備需分別加裝適配的浪涌保護(hù)器；在LPZ1區(qū)內(nèi)垂直敷設(shè)長(zhǎng)度大于30 m時(shí)，應(yīng)在線路兩端設(shè)備前加裝適配的浪涌保護(hù)器。當(dāng)建筑物內(nèi)有其他直流弱電設(shè)備時(shí)，其線路有上述情況時(shí)同樣處理[6]。

4.2.4 綜合接地網(wǎng)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站的綜合接地網(wǎng)宜優(yōu)先利用自然接地體，同時(shí)，在避開接地體間相互屏蔽的情況下，沿建筑物基礎(chǔ)接地敷設(shè)環(huán)型網(wǎng)狀人工接地體，其綜合接地網(wǎng)接地電阻應(yīng)≤4 Ω。

（1）雷達(dá)站項(xiàng)目中人工接地體設(shè)計(jì)采用-40×4紫銅帶[銅腐蝕率為1.01 g/（dm2·a）]作為水平接地體；垂直接地體采用銅包鋼[銅腐蝕率為1.05 g/（dm2·a）]接地極和FF-10B電解離子接地極作為等新型接地裝置技術(shù)。利用銅的良好導(dǎo)電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性，確保綜合接地網(wǎng)導(dǎo)電能力強(qiáng)、耐腐蝕、使用年限長(zhǎng)（30年以上）、接地效能穩(wěn)定。各接地極和接地線之間的連接方式選用先進(jìn)的放熱焊接技術(shù)，并輔以瀝青防腐措施，有效保障連接點(diǎn)電氣連接的持久耐用性。所有防雷裝置均按照“共網(wǎng)不共線，分類接地法”的原則，就近等電位電氣焊（連）接至綜合接地網(wǎng)上。

（2）接地電阻計(jì)算：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率測(cè)試結(jié)果，取當(dāng)?shù)赝寥离娮杪首罡咧?92.6 Ω·m為參考值。

①水平接地體接地電阻計(jì)算：RS=6.24 Ω

ρ— 原地層的土壤電阻率592.6 Ω·m；

L— 水平接地體長(zhǎng)度240 m；

d— -4×4 mm的扁銅帶等效直徑0.04/2=0.02 m；

h— 接地體埋深1.0 m；

A— 水平接地體形狀系數(shù)，口型地網(wǎng)取1；

②單根銅接地棒（Φ25 mm）接地電阻RC=214.59 Ω

ρ—原地層的電阻率592.6 Ω·m；

lc—垂直接地體長(zhǎng)度2.5 m；

d—等效直徑0.025 m。

③32根銅接地極的接地電阻Rl=8.94 Ω

n—接地體的根數(shù)取32；

η—多根接地體共用時(shí)的利用系數(shù)取0.75。

④整個(gè)接地地網(wǎng)的沖擊接地電阻RZ=3.68 Ω

經(jīng)上述理論計(jì)算，結(jié)合石棉縣X波段氣象雷達(dá)站所處的地理環(huán)境、土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)（土壤電阻率592.6 Ω·m）等特征，人工接地體設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)度為240 m的-40×4紫銅帶[銅腐蝕率為1.01 g/（dm2·a）]作為水平接地體；垂直接地體采用22根φ25銅包鋼[銅腐蝕率為1.05 g/（dm2·a）]接地體和10套FF-10B電解離子接地極在雷達(dá)站場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)制作一環(huán)形綜合接地網(wǎng)，綜合接地網(wǎng)接地電阻值RZ=3.68 Ω＜4 Ω，能夠滿足雷達(dá)站綜合防雷接地設(shè)計(jì)要求。

5 綜合結(jié)論

（1）雷達(dá)站雷電時(shí)空分布特征。根據(jù)石棉縣X波段氣象雷達(dá)站所在地5 km范圍10年（2010—2019年）雷電數(shù)據(jù)分析得出雷電活動(dòng)特征：雷達(dá)所在5 km范圍地雷電活動(dòng)期為3—10月，其中6—8月為雷電高發(fā)期（占比85%以上），7月為雷電最高峰值。一天當(dāng)中雷電閃擊基本都出現(xiàn)過,其中17:00~22:00（100次為標(biāo)準(zhǔn)）為雷電閃擊發(fā)生最頻繁時(shí)段，06:00~15:00為雷電少發(fā)時(shí)段。

（2）雷達(dá)站綜合防雷技術(shù)應(yīng)包括防直擊雷接閃裝置、雷電電磁脈沖防護(hù)、均壓、等電位、電磁屏蔽和綜合接地等措施，并依據(jù)國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的綜合、科學(xué)性。

（3）雷達(dá)站施工中的關(guān)鍵技術(shù)把握：應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各防雷措施間的安裝工藝質(zhì)量和能量配合，以及接地隱蔽工程的監(jiān)督檢查；所有等電位連接處（或端子）的焊（連）接的工藝質(zhì)量和電氣連接導(dǎo)通性能的檢查（測(cè)）。

6 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)系統(tǒng)的防雷是一個(gè)綜合系統(tǒng)工程，應(yīng)在科學(xué)分析雷達(dá)站所處雷電氣候特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)家相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)，按照“綜合治理，整體防御，多重保護(hù)，層層設(shè)防和科學(xué)經(jīng)濟(jì)”的基本原則，主要采取防直擊雷接閃裝置、雷電電磁脈沖防護(hù)、均壓、等電位、電磁屏蔽和綜合接地等措施進(jìn)行綜合防護(hù)，從而保障雷達(dá)系統(tǒng)的安全、高效地運(yùn)行，充分發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線作用。