機(jī)動型氣象雷達(dá)的防雷設(shè)計

薛宜童，陳 雷

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

機(jī)動型氣象雷達(dá)的防雷設(shè)計

薛宜童，陳 雷

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

針對機(jī)動型氣象雷達(dá)的工作特點(diǎn)和雷電傷害的不同種類，提出了一種防雷設(shè)計思路，并對具體的防雷裝置的選用和安裝作了較為詳細(xì)的闡述。

機(jī)動型氣象雷達(dá)；直擊雷防護(hù)；感應(yīng)雷防護(hù)

0 引 言

機(jī)動型氣象雷達(dá)主要用于短時天氣精確預(yù)報、應(yīng)急氣象保障和為人工影響天氣作業(yè)提供實(shí)時觀測。由于機(jī)動氣象雷達(dá)工作時常處于復(fù)雜的氣象環(huán)境條件，架設(shè)地點(diǎn)通常在地勢高、地形平坦的地方，其遭受雷擊的概率大大增加。目前，機(jī)動型氣象雷達(dá)在國內(nèi)外氣象防災(zāi)上剛剛興起，更無防雷規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。因此，可靠的防雷設(shè)計對機(jī)動型氣象雷達(dá)的安全性十分重要。

1 雷電產(chǎn)生機(jī)理及分類

1.1 雷電產(chǎn)生機(jī)理

雷電在氣象學(xué)上稱為雷暴。雷電的產(chǎn)生是由于云塊中水氣與冰顆粒的物理運(yùn)動，形成帶電的云層，稱為雷云，造成云塊中電子堆積形成的同極性的云塊之間或云塊與地之間的電勢差。當(dāng)電子不斷地堆積，使電場達(dá)到一定的強(qiáng)度時，云塊之間或云塊與地之間產(chǎn)生放電。雷電釋放的能量非常巨大，可以達(dá)到幾百個千安，而且在雷電釋放過程中，釋放的強(qiáng)大電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場，使鄰近的物體、人員、金屬線路感應(yīng)出強(qiáng)大的瞬間過電壓和過電流，進(jìn)而可能造成傷害。

1.2 雷電分類

按雷電所造成傷害的不同形式，通?？煞譃橐韵聝深悾?/p>

1.2.1 直擊雷

雷暴活動區(qū)內(nèi)，雷云直接通過人體、建筑物或設(shè)備等對地所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，稱之為直接雷。此時雷電的主要破壞力在于電流特性而不在于放電產(chǎn)生的高電位。雷電擊中人體、建筑物或設(shè)備時，強(qiáng)大的電流轉(zhuǎn)變成熱能，瞬間可釋放強(qiáng)大能量。直接雷具有強(qiáng)大的破壞力。閃電擊中管道或?qū)Ь€時，雷電流可以沿線傳送到很遠(yuǎn)的地方，其巨大的電熱效應(yīng)不僅對設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，并可危及有關(guān)操作人員的安全[1]。

1.2.2 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷主要有靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種情況。

(1) 靜電感應(yīng) 當(dāng)雷云來臨時，在其所覆蓋的地表面和各種物體上尤其是導(dǎo)體上將感生出大量與雷云底部電荷符號相反的電荷，形成靜電場。當(dāng)這種靜電場強(qiáng)度不足以擊穿空氣產(chǎn)生中和效應(yīng)，而雷云對另一雷云或帶電體放電后，云中電荷消失。此時地面物體尤其是導(dǎo)體上聚集的電荷卻產(chǎn)生了很高的電勢，串入用電設(shè)施同樣會造成對電子器件的損壞。

(2) 電磁感應(yīng) 閃電電流在閃電通道周圍的空間產(chǎn)生磁場。這種磁場將隨時間而變化，并在附近的各類金屬導(dǎo)體上激發(fā)出感應(yīng)電動勢或感生電流。在閃電電流入地過程中，變化磁場在附近金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢或感生電流也會造成電氣設(shè)備的損壞[2-3]。

2 機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)防雷的特殊性

與傳統(tǒng)的建筑物防雷相比，機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)的防雷存在一定的難度及特殊性。

(1) 工作地點(diǎn)不固定 機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)具有隨機(jī)移動性，其工作地點(diǎn)不固定，不能像建筑物一樣建設(shè)固定的防雷站。

(2) 易遭受雷擊 由于雷電具有尋找阻抗最小路徑以泄放雷云電荷與地下異性電荷中和的趨勢, 而機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)多在野外工作, 其車頂通常裝有多種電臺天線、接力機(jī)天線和高架天線升降桿, 且處于局部區(qū)域最高點(diǎn), 因此極易成為直擊雷目標(biāo)。與此同時，機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)車內(nèi)集成了各類通信、交換、信息處理和供電設(shè)備, 在車體壁上設(shè)有電源和信號對外接口,引接線纜較長,亦容易遭受感應(yīng)雷擊。

(3) 接地效果難以保證 由于機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)使用地點(diǎn)的隨機(jī)性，且接地系統(tǒng)的效率受土壤電阻率影響較大，應(yīng)在工作之前先了解工作地區(qū)的土壤電阻率，選擇接地效果較好的地點(diǎn)作為系統(tǒng)工作點(diǎn)。

(4) 沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 目前并沒有針對車載系統(tǒng)的防雷技術(shù)規(guī)范，相關(guān)設(shè)計只能參照建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計效果會有一定的誤差。

3 機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)的防雷設(shè)計

3.1 雷電防護(hù)基理及防雷系統(tǒng)設(shè)計[4-8]

雷電保護(hù)的基本途徑是提供一條使雷電(包括雷電電磁脈沖輻射)對地泄放的合理低阻抗路徑,而不使其隨機(jī)選擇放電通道。鑒于直擊雷和感應(yīng)雷的侵害渠道不同,雷擊防護(hù)主要分為直擊雷防護(hù)和感應(yīng)雷防護(hù)。其中,直擊雷防護(hù)較直接, 一般在被防護(hù)物體附近加裝主動式防雷裝置。感應(yīng)雷所引起的雷擊電磁脈沖作用范圍廣、侵入方式復(fù)雜,需采用均壓、分流、浪涌保護(hù)、屏蔽和等電位連接等方法將其消除在設(shè)備外圍。

感應(yīng)雷防護(hù)具體措施包括:

(1) 均壓 使系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差,使系統(tǒng)所在環(huán)境及系統(tǒng)本身所有金屬導(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時保持基本相等；

(2) 分流 形成良好的雷電泄放通道,將瞬態(tài)的雷電強(qiáng)電流直接導(dǎo)入地下泄放；

(3) 浪涌保護(hù) 將瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖限制在一定范圍內(nèi),以轉(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上的多余能量；

(4) 屏蔽 采用接地良好的金屬屏蔽材料將被防護(hù)物體盡量封閉起來,從而實(shí)現(xiàn)防止或減弱外來電磁干擾的目的；

(5) 等電位連接 其目的防止和減小設(shè)備與設(shè)備間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間電位差。

機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)防雷設(shè)計是系統(tǒng)性的課題，必須從系統(tǒng)集成的高度展開設(shè)計，并結(jié)合接地、電磁兼容性、綜合布線設(shè)計，相互配合、補(bǔ)充，才能構(gòu)成一套完整的防雷系統(tǒng)，如圖1。

圖1 雷達(dá)綜合防雷系統(tǒng)

3.2 直擊雷防護(hù)

3.2.1 接閃器

由于機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)在野外空曠地帶無其他建筑保護(hù)時易遭受直擊雷襲擊,工程設(shè)計中采用接閃桿(避雷針)主動式防雷，避雷針的高度采用“滾球”法(如圖2)計算出:

圖2 單根接閃桿的保護(hù)范圍

式中，rx為避雷針在hx高度平面上的保護(hù)半徑(m)，r0為避雷針在地面上的保護(hù)半徑(m)，h為避雷針高度(必須是h≤hr)(m)，hx為被保護(hù)物的高度(m)，hr為滾球半徑(m)。

根據(jù)機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取45 m的滾球半徑，接閃桿可采用液壓或氣壓升降桿，隨車裝備。當(dāng)接閃桿對雷達(dá)正常工作有影響時，可以采用玻璃鋼。

3.2.2 引下線

避雷針的引下線應(yīng)不少于2條，應(yīng)采用截面積50 mm2的帶絕緣銅芯導(dǎo)線，直接與避雷針底部相連接 (可拆卸的壓接方式，壓接螺栓不小于M12) ，并與車體高度絕緣。使用時，引下線應(yīng)沿車體外側(cè)對稱敷設(shè)，與車體高度絕緣，并通過銅質(zhì)接地樁與大地連接。

3.3 感應(yīng)雷防護(hù)

3.3.1 接地

當(dāng)作業(yè)現(xiàn)場附近已有滿足要求的接地裝置時，應(yīng)優(yōu)先利用已有接地裝置，采用50 mm2的帶絕緣銅芯導(dǎo)線與接地裝置連接；當(dāng)作業(yè)現(xiàn)場附近無滿足要求的接地裝置時，應(yīng)設(shè)置人工接地裝置，人工接地裝置可采用截面積不小于50 mm2的銅鏈，長度不小于40 m。接地體應(yīng)布成環(huán)形，其包圍的等效面積不小于5 m2。對于土壤電阻率過高的地區(qū)，可在接地樁上澆淡鹽水以降低電阻率。

3.3.2 等電位連接

車體作為總等電位連接導(dǎo)體于屏蔽體，在載車平臺內(nèi)部環(huán)艙閉敷設(shè)截面積不小于50 mm2的設(shè)備自帶的地線排，作為局部等電位連接端子板。局部等電位連接端子板與總等電位連接導(dǎo)體采用截面積不小于35 mm2的絕緣銅芯導(dǎo)線進(jìn)行連接。車內(nèi)電氣和電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬管、電纜金屬屏蔽層、防靜電接地、安全保護(hù)接地、浪涌保護(hù)器接地等均應(yīng)以最短距離通過等電位連接導(dǎo)線與等電位連接端子板連接，雷達(dá)的所有構(gòu)件、安裝在車外的照明燈、攝像機(jī)、風(fēng)桿等金屬物與車體進(jìn)行等電位連接。

3.3.3 屏蔽

車體作為屏蔽體，雷達(dá)天線接到車廂機(jī)房的所有電纜宜敷設(shè)在金屬屏蔽槽(管)內(nèi)，金屬屏蔽槽(管)和波導(dǎo)管在穿經(jīng)車廂時應(yīng)與車廂等電位聯(lián)結(jié)帶電氣連接。金屬屏蔽槽(管)首尾應(yīng)電氣貫通。雷達(dá)天線至車廂機(jī)房的電纜線入口處應(yīng)用金屬罩屏蔽并接地。

3.3.4 合理布線

合理布線可降低線間以及線地間因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的高電壓，減少電磁耦合的幾率, 改善電磁環(huán)境。車輛內(nèi)部布線及走線應(yīng)減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積。增大干擾源與敏感線路走線間的距離,提高空間隔離,使兩者間靜電耦合最小。盡可能使兩者間走線呈直角相交布線,從而減少線路間互感。信號和電源電纜應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其他有可能接閃以及流過雷電流的金屬物,控制系統(tǒng)線路盡可能采用雙絞線。不同種類布線需分開捆扎,并保留一定敷設(shè)間距。

3.3.5 浪涌保護(hù)

在機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)發(fā)電機(jī)配電盤處應(yīng)裝Ⅰ級試驗的電涌保護(hù)器，在配電箱進(jìn)線處應(yīng)裝Ⅱ級試驗的電涌保護(hù)器。當(dāng)條件受限時可裝置兼具Ⅰ級試驗的電涌保護(hù)器和Ⅱ級試驗的電涌保護(hù)器功能的組合型電涌保護(hù)器。通信設(shè)備的輸入/輸出端口處和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口處，應(yīng)安裝適配的電子系統(tǒng)電涌保護(hù)器。天饋線路電涌保護(hù)器宜安裝在收/發(fā)通信設(shè)備的射頻處、入端口處。

4 結(jié)束語

機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)的防雷設(shè)計對于保護(hù)其在惡劣天氣環(huán)境工作時的安全十分重要。本文分析了不同的雷擊傷害類型，參考了相關(guān)資料，并結(jié)合車載的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的保護(hù)措施，能夠有效地保護(hù)機(jī)動雷達(dá)探測系統(tǒng)遭受雷電傷害。

[1] GB 50057-2010 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GJB 6784-2009 軍用地面電子設(shè)施防雷通用要求[S].

[4] QX+2-2000 新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[5] QX+4-2000 氣象臺(站)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 劉峰.通信車防雷設(shè)計[J].專用汽車,2011(10):72-75.

[7] 陳紅兵，徐文.移動氣象臺防雷技術(shù)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2011(6)：43-48.

[8] 呂建榮.無線綜合通信車的防雷設(shè)計探討[J].科技傳播，2011(13):230-231.

Lightning protection design of mobile weather radar

XUE Yi-tong, CHEN Lei

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Based on the work characteristics of the mobile weather radar and the different types of lightning damage, an idea of the lightning protection is proposed, and the selection and installation of specific lightning protection devices are described in detail.

mobile weather radar; direct lightning protection; inductive lightning protection

2014-10-11;

2014-10-20

薛宜童(1979-),男,工程師,研究方向:大氣與海洋類雷成系統(tǒng);陳雷(1971-),男,工程師,研究方向:雷達(dá)總體技術(shù)。

TN959.4

A

1009-0401(2014)04-0020-03