新一代多普勒天氣雷達(dá)防雷工程設(shè)計(jì)

李維紅， 李冬偉， 常進(jìn)惠

（1.甘肅省甘南州防雷中心，甘肅甘南 747300；2.軍械工程學(xué)院車(chē)輛與電氣工程系，河北石家莊 050003；3.甘肅省定西市防雷中心，甘肅定西 743000）

新一代多普勒天氣雷達(dá)防雷工程設(shè)計(jì)

李維紅1， 李冬偉2， 常進(jìn)惠3

（1.甘肅省甘南州防雷中心，甘肅甘南 747300；2.軍械工程學(xué)院車(chē)輛與電氣工程系，河北石家莊 050003；3.甘肅省定西市防雷中心，甘肅定西 743000）

李維紅（1975-），男，工程師，從事雷電防護(hù)方面的工作。

根據(jù)合作市新一代多普勒天氣雷達(dá)站建設(shè)要求，結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)雷達(dá)站從直擊雷防護(hù)到感應(yīng)雷防護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。指出直擊雷防護(hù)采用四支等高接閃桿保護(hù)，雷達(dá)站直擊雷防護(hù)接地和設(shè)備接地采用共用接地，雷達(dá)設(shè)備的接地采用就近接地，并對(duì)設(shè)備機(jī)房進(jìn)行了嚴(yán)格的屏蔽，對(duì)管線、供電、通信線路等進(jìn)行了系統(tǒng)性防雷設(shè)計(jì)。

防雷設(shè)計(jì)；等電位聯(lián)結(jié)；接地設(shè)計(jì)；屏蔽

0 引 言

新一代天氣雷達(dá)是一種新型的多普勒數(shù)字化雷達(dá),其部件集成化程度高,數(shù)字電路使用電壓低,具有明顯的現(xiàn)代信息設(shè)備的特點(diǎn),極易遭受雷電波和靜電而損壞。合作新一代天氣雷達(dá)站位于合作市南山山梁頂部,海拔高度為3 364 m,地表為天然高山草甸草場(chǎng),四周植被完好,易遭受雷電襲擊,主要建筑區(qū)基本為矩形,東西長(zhǎng)約為48 m,南北寬約為15 m。

因此,在符合有關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,根據(jù)新一代天氣雷達(dá)建設(shè)的重要性、特殊性、地理環(huán)境和氣象條件,設(shè)計(jì)出安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、綜合防護(hù)的最佳雷電防護(hù)方案,防止或減輕因雷擊而造成的財(cái)產(chǎn)損失、人身傷亡、設(shè)備損壞。

1 塔樓及附屬用房防雷設(shè)計(jì)

1.1 防雷等級(jí)的確定

合作市年平均雷暴日達(dá)60 d,最多雷暴日為85 d,屬于強(qiáng)雷區(qū)。合作雷達(dá)站防雷等級(jí)為一等,機(jī)房按照A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)；輔助用房按照二類(lèi)防雷建筑設(shè)計(jì)；站內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域按照第三類(lèi)防雷建筑設(shè)計(jì),以有效保護(hù)人身安全。

1.2 直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)

1.2.1 接閃

接閃是雷電防護(hù)的第一道防線。利用針、帶、網(wǎng)、均壓環(huán)及其組合形式,有效地防止直擊雷的破壞和衰減一定量的雷電電磁脈沖,以保護(hù)建筑物和設(shè)備。合作新一代天氣雷達(dá)站的直擊雷防護(hù)主要由雷達(dá)塔樓及附屬用房組成。

(1)雷達(dá)塔樓及天線罩。按照一類(lèi)防雷建筑設(shè)計(jì),零界高度選擇在塔樓屋面處,考慮到防雷引下線的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)等諸多因素,用滾球法計(jì)算后需設(shè)立4支12.7 m等高接閃桿,將雷達(dá)天線罩置于接閃桿防護(hù)范圍內(nèi)。雷達(dá)站建筑物直擊雷防護(hù)示意圖如圖1所示。為了防止接閃桿對(duì)雷達(dá)信號(hào)造成衰減,其主體由纏繞型玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂管構(gòu)成,設(shè)計(jì)抗風(fēng)強(qiáng)度為40 m/s,內(nèi)設(shè)1根截面積不小于50 mm2的多股銅線,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的引下入地。

(2)塔樓附屬用房。在女兒墻上敷設(shè)接閃帶,屋面天線等設(shè)施均用塔樓接閃桿保護(hù)。由于附屬用房與塔樓間隔距離為100 mm,故靠近塔樓一側(cè)不設(shè)接閃帶。附屬用房直擊雷防護(hù)平面圖如圖2所示。雷達(dá)塔樓頂部的接閃桿可對(duì)雷達(dá)站人員活動(dòng)區(qū)域80%構(gòu)成有效的防護(hù)區(qū)域。

圖1 雷達(dá)站建筑物直擊雷防護(hù)示意圖（mm）

圖2 附屬用房直擊雷防護(hù)平面圖(mm)

1.2.2 引下線

接閃桿以及接閃帶的引下線全部借用立柱外側(cè)中間2根主筋,對(duì)借用的主筋采用卡夾器卡接處理。考慮到等電位及綜合防護(hù)效果,建筑體的橫豎主筋在每層全部采用卡夾器卡接,使可能發(fā)生的雷電流在引下過(guò)程中得以極大的分散,減輕雷電流破壞性。塔樓接閃桿每根借用2根主筋引下,附屬用房引下線按照二類(lèi)防雷建筑物設(shè)置,引下線對(duì)稱(chēng)布置(見(jiàn)圖2)。

1.2.3 接地設(shè)計(jì)

雷達(dá)站根據(jù)巖土勘察報(bào)告以及土壤電阻率測(cè)試,雷達(dá)站上層為粉質(zhì)黏土,中等韌性稍濕、硬塑,厚度為0.80～1.50 m,土壤電阻率為20～100Ω·m,下層為板巖,鉆透厚度為4.00～ 7.10 m。場(chǎng)地平整后部分地段板巖厚度將低于4 m,呈現(xiàn)土壤電阻率外圍小中間高的特點(diǎn),土壤電阻率為955.47Ω·m。合作新一代天氣雷達(dá)站直擊雷防護(hù)的接地體由兩部分組成：建筑物獨(dú)立基礎(chǔ),通過(guò)地梁連接的自然接地裝置；環(huán)繞雷達(dá)塔樓和輔助用房四周的敷設(shè)人工接地裝置,在散水外大于1 m用2.5 m長(zhǎng)∠5 mm×50 mm熱鍍鋅角鋼做垂直接地體,間距≥5 m,用_4 mm× 40 mm熱鍍鋅扁鋼做水平接地體,埋設(shè)深度＞1.3 m(山頂凍土層)。另外,作為引下線的主筋與人工接地體焊接連通。

(1)季節(jié)調(diào)整因子。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,雷達(dá)站設(shè)計(jì)接地電阻≤4Ω。由于土壤電阻隨季節(jié)而變化,為了在土壤電阻較高的季節(jié)接地電阻仍達(dá)到設(shè)備安全要求,實(shí)測(cè)接地電阻為

式中：Rmax－－－接地電阻的最大值,設(shè)計(jì)值取4Ω；

ω－－－季節(jié)因數(shù),常用值取1.45。

經(jīng)計(jì)算,該站接地電阻的實(shí)際設(shè)計(jì)值應(yīng)小于2.75Ω。

(2)自然接地體的的接地電阻計(jì)算。單個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)的工頻接地電阻為

式中：ρ－－－基礎(chǔ)所在處的有效土壤電阻率；

K1－－－形狀系數(shù),取1.4；

K2－－－形狀系數(shù),取0.25；

L1－－－基礎(chǔ)底平面積的邊長(zhǎng),取2.0 m。

經(jīng)計(jì)算,獨(dú)立基礎(chǔ)的接地電阻R＝191.1Ω。

不考慮地梁接地電阻,各獨(dú)立基礎(chǔ)聯(lián)合后的接地電阻為

式中：n－－－獨(dú)立基礎(chǔ)的數(shù)量；

η－－－獨(dú)立基礎(chǔ)的利用系數(shù),取0.80；

Rd－－－獨(dú)立基礎(chǔ)的接地電阻。

整個(gè)塔樓及附屬用房有20個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ),經(jīng)計(jì)算,自然接地裝置的接地電阻為10.8Ω。

(3)人工接地體的接地電阻計(jì)算。由于場(chǎng)地平整后基礎(chǔ)外圍土壤呈現(xiàn)上層電阻率低、下層電阻率高的特點(diǎn),在水平方向上同樣存在土壤電阻率的不均勻性,由于平整場(chǎng)地后上層黑土填埋厚度為1～4 m,故等效土壤電阻率為100～400Ω·m?？紤]到施工等其他因素的影響,按400Ω·m計(jì)算,垂直接地極采用降阻劑包裹。

根據(jù)電阻串并聯(lián)定律,需要補(bǔ)加人工接地體電阻≤3.6Ω。

①單根垂直接地體,采用∠5 mm×5 mm熱鍍鋅角鋼,其接地電阻為

式中：ρ－－－用季節(jié)系數(shù)校正后的土壤電阻率；

LC－－－從地面下1.3 m算起,單根垂直接地體長(zhǎng)度；

DC－－－灌降阻劑后等效垂直接地體直徑(不計(jì)金屬極和滲透的體積因素),一般取0.1～0.2 m；

K－－－降阻系數(shù),取20。

②多根并聯(lián)的相同垂直接地極的工頻接地電阻為

式中：nC－－－垂直接地體的數(shù)量；

ηC－－－垂直接地體的利用系數(shù),取0.69。

③水平接地體。采用_4 mm×40 mm熱鍍鋅扁鋼,埋設(shè)深度為1.3 m,接地電阻為

式中：ρ－－－修正后的土壤電阻率；

Lp－－－水平接地體總長(zhǎng)度；

d－－－扁鋼寬度；

h－－－埋設(shè)深度,取1.3 m；

A－－－水平接地體形狀系數(shù),取0.48。

④垂直、水平綜合接地體的工頻接地電阻為

式中：ηp－－－水平接地體的利用系數(shù),取0.69。

⑤降阻劑用量。根據(jù)設(shè)計(jì)接地體長(zhǎng)和直徑的幾何尺寸,降阻劑用量為

式中：L－－－接地體長(zhǎng)度；

D－－－接地體等效直徑；

d′－－－降阻劑當(dāng)量比重,取1.35 t/m3。

⑥將ρ＝400Ω·m,LC＝2 m,DC＝0.2 m, nC＝19,Lp＝135 m,DP＝0.2 m代入式(4)～式(8),得Rx＝2.38Ω,W＝0.13 t。

雷達(dá)站聯(lián)合接地平面圖如圖3所示。

圖3 雷達(dá)站聯(lián)合接地平面圖(mm)

1.3 雷達(dá)電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

1.3.1 等電位聯(lián)結(jié)

等電位聯(lián)結(jié)是包括土建、安裝、電器等項(xiàng)目的綜合工程。該工程的等電位聯(lián)結(jié)主要有以下內(nèi)容：①建筑體主筋的等電位聯(lián)結(jié),對(duì)有關(guān)的豎筋和橫筋進(jìn)行焊接,使整個(gè)建筑體成為一個(gè)等電位體；②上下水、通風(fēng)等所有進(jìn)出建筑體的管道與建筑地網(wǎng)就近連接,使整個(gè)進(jìn)出建筑物的金屬物體與建筑體形成等電位體；③機(jī)房、供電部分的交/直流和安全保護(hù)接地以及防雷接地均接建筑地。

雷達(dá)機(jī)房、輔助用房的油機(jī)房、UPS室需要做等電位聯(lián)結(jié)。雷達(dá)機(jī)房采用M型接地網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)平面圖如圖4所示,輔助用房采用S型接地網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3)。雷達(dá)機(jī)房等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)規(guī)格為600 mm×600mm,主材為_(kāi)1mm×30mm紫銅帶。輔助用房?jī)?nèi)等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的主材為_(kāi)4 mm×40 mm熱鍍鋅扁鋼。由于雷達(dá)塔樓高度較高,接地引下線會(huì)加長(zhǎng),影響雷電流的泄放速度,因此雷達(dá)主機(jī)房的等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的接地端主要利用建筑主筋,做等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的接地預(yù)留端子之間的距離大于5 m,并與防雷引下線不共用同一結(jié)構(gòu)柱,即兼做防雷引下線的立柱與等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)接地預(yù)留端子的立柱間距大于5 m。

圖4 主機(jī)房M型等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)平面圖(mm)

1.3.2 屏蔽

合作市新一代天氣雷達(dá)的電磁屏蔽措施以?xún)刹糠譃橹?一部分為雷達(dá)機(jī)房和計(jì)算機(jī)控制室的屏蔽,主要包含在土建工程中,其屏蔽網(wǎng)格不應(yīng)大于200 mm×200 mm,機(jī)房必須使用金屬門(mén)窗,窗戶(hù)應(yīng)加設(shè)網(wǎng)孔不大于200 mm×200 mm的金屬網(wǎng),金屬門(mén)窗和網(wǎng)與建筑物部分的主鋼筋做焊接連接,焊接點(diǎn)之間的距離≤2 m；另一部分為各類(lèi)線路的屏蔽,要嚴(yán)格區(qū)分高低壓、高低頻線路,各自分立穿管布設(shè),穿線槽分段就近接地,將雷電和其他干擾電磁場(chǎng)降低到最小。

1.3.3 配電及其線路防護(hù)

市電在進(jìn)入建筑物前進(jìn)行穿管埋地處理,埋地長(zhǎng)度≥15 m?？偱潆娛液蟮墓╇姴捎肨N_S系統(tǒng),接地采用黃綠相間的多股銅芯軟導(dǎo)線,截面積≥6 mm2；變壓器側(cè)設(shè)立中性線對(duì)地網(wǎng),配電主機(jī)房和自供電系統(tǒng)也設(shè)立相應(yīng)地網(wǎng),分配電室地網(wǎng)與建筑地網(wǎng)共地處理。

雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸線纜采用屏蔽電纜或穿金屬管埋地引入,并做一級(jí)電涌防護(hù),傳輸電纜屏蔽極在室內(nèi)外各進(jìn)行一次接地。

進(jìn)入機(jī)房的電話線應(yīng)穿金屬管屏蔽埋地引入,并在接線和盒前端的電話組線箱內(nèi)安裝電話線電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)。線路埋地的實(shí)際長(zhǎng)度按規(guī)范要求,電源線不應(yīng)小于15 m,通信線不應(yīng)小于50 m。

依據(jù)QX2－2000《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》,SPD的選擇有以下方面的要求：

(1)第一級(jí)安裝于市電變壓器輸出側(cè),選用Ⅰ級(jí)分類(lèi)試驗(yàn)用沖擊電流Iimp≥20 kA(10/ 350μs),SPD主要元器件為開(kāi)關(guān)型,SPD戶(hù)外型具有IP54防護(hù)等級(jí)。

(2)第二級(jí)安裝于油機(jī)與市電切換箱內(nèi),標(biāo)稱(chēng)放電電流In≥40 kA(8/20μs)。

(3)第三級(jí)安裝于一樓配電箱內(nèi),標(biāo)稱(chēng)放電電流In≥2kA(8/20μs)。

(4)第四級(jí)安裝于雷達(dá)主機(jī)房和控制室的總配電箱內(nèi),標(biāo)稱(chēng)放電電流In≥10 kA(8/20μs)。

(5)末級(jí)SPD的安裝依據(jù)設(shè)備到場(chǎng)安裝情況確定是否安裝。

1.3.4 波導(dǎo)管的防護(hù)

雷達(dá)天饋線上一般不加裝SPD,雷達(dá)天線至機(jī)房的各種信號(hào)傳輸線也不加裝SPD,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的天饋、信號(hào)系統(tǒng)部分主要應(yīng)做好線路屏蔽及等電位聯(lián)結(jié)。

2 其他措施

2.1 供電線路的防護(hù)

考慮雷達(dá)站地理位置的特點(diǎn)和氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,架空電力線路設(shè)避雷線,合作雷達(dá)站供電采用架空高壓線時(shí),變壓器高壓側(cè)安裝高壓避雷器,并有良好的接地。變壓器前三基桿上架設(shè)避雷線,前三基桿每基桿沖擊接地電阻≤10Ω。

在高壓線進(jìn)入變壓器前端50 m將架空線埋地,并用鎧裝電纜,架空線與鎧裝電纜連接處安裝避雷器,沖擊接地電阻≤10Ω。

高壓線路架設(shè)應(yīng)避開(kāi)高凸的山梁,在人畜安全的情況下宜沿山谷架設(shè)。

2.2 設(shè)備擺放

雷達(dá)塔樓4支接閃桿共設(shè)有4根防雷引下線,由于機(jī)房采用屏蔽措施,建筑結(jié)構(gòu)均采用法拉第籠式等電位聯(lián)結(jié),若按200 kA雷電流計(jì)算,考慮其建筑結(jié)構(gòu)的分流措施,根據(jù)信息設(shè)備最大承受的磁場(chǎng)強(qiáng)度2.4 Gs計(jì)算,其安全距離為1.0 m,即雷達(dá)機(jī)房?jī)?nèi)的電子設(shè)備與外墻或防雷引下線的立柱之間的距離＞1.0 m。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)直擊雷防護(hù)中需要對(duì)建筑進(jìn)行分類(lèi)防護(hù)。

(2)雷達(dá)站接地電阻受土壤、地質(zhì)因素制約,不一定要小于4Ω或1Ω,建筑體的等電位聯(lián)結(jié)和設(shè)備的等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)很重要。

(3)SPD在合理配置的前提下,前端的供電線路選擇、供電變壓器前端的防雷措施非常重要。

(4)建筑結(jié)構(gòu)和線路共同構(gòu)成的屏蔽措施在雷達(dá)站建設(shè)中尤為重要。

(5)防雷設(shè)計(jì)不僅要達(dá)到國(guó)家規(guī)范的要求,還要達(dá)到行業(yè)規(guī)范的要求。

[1] QX 2-2000 新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)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] 馬金福，馮志偉，汝洪博，等.雷達(dá)天線罩直擊雷防護(hù)計(jì)算方法探討[J].建筑電氣，2013，32（6）：55-59.

[4] GB 50057-2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 李志江，劉文奇，孫麗.防雷設(shè)計(jì)中土壤電阻率及其測(cè)量[J].遼寧氣象，2001（4）：36-38.

[6] 吳薛紅，濮天偉，廖德利.防雷與接地技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[7] 中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì).電磁兼容與防雷接地[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[8] 李志江，王偉，王華.沈陽(yáng)新一代天氣雷達(dá)站防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].建筑電氣，2009，28（1）：39-44.

[9] 葉明，吳芳華，郭麥.天氣雷達(dá)塔樓感應(yīng)雷防護(hù)[J].建筑電氣，2010，29（4）：33-37.

DeSign of Lightning Protection Engineering for Novel DoPPler W eather Radar

LIWeihong1, LIDongwei2, CHANG Jinhui3
(1.Gannan Lightning Protection Center,Gannan 747300,China；2.Department of Vehicle and Electrical Engineering,Mechanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China；3.Dingxi Lightning Protection Center,Dingxi743000,China)

According to the construction requirement of a novel Doppler radar station in Hezuo,this paper introduced the implicit lightning protection design of direct lightning and inductive thunder based on some related standards.It is pointed out that the direct lightning protection employs the four_connecting rods with equal length.The lightning protection for a radar station shares a common grounding,while the radar equipment adopts the handy grounding.The equipment room is shielded strictly,and a series of systemic protections are conducted on the lines in power supply and communication systems.

lightning Protection deSign；equiPotential bonding；grounding deSign；Shielding

TU 856

A

1674-8417(2015)12-0032-06

2015- 05- 21

李冬偉（1979-），男，講師，研究方向?yàn)檐?chē)輛電氣。

常進(jìn)惠（1976-），男，工程師，從事雷電防護(hù)與管理方面的工作。