山地機(jī)場(chǎng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與防護(hù)
——以貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)為例

李連偉，劉 波

(1.中國(guó)民用航空西南地區(qū)空中交通管理局貴州分局，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引言

機(jī)場(chǎng)航站樓是整個(gè)機(jī)場(chǎng)人流量最大，人員最密集的場(chǎng)所，且航站樓內(nèi)的各種弱電系統(tǒng)(包括通信和信號(hào)設(shè)備、供電系統(tǒng)、其它控制系統(tǒng))密集分布，智能化程度非常高。雷電會(huì)造成建筑物損壞，其中包括航站樓群，指揮塔臺(tái)、油庫(kù)等引發(fā)的重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，雷電還會(huì)造成電器設(shè)備的損壞，其中包括供電線路、導(dǎo)航儀器、監(jiān)控設(shè)備、通訊設(shè)施等電路系統(tǒng)的中斷及癱瘓，嚴(yán)重影響航空安全。因此，基于航空安全的雷電防護(hù)與防御非常重要。

貴州省地處云貴高原東段，由于特殊的地形地貌及氣候特點(diǎn)，造成雷電活動(dòng)頻繁、雷電災(zāi)害嚴(yán)重。貴陽(yáng)龍洞堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)所處位置屬群山環(huán)抱的丘陵地區(qū)，屬典型高原山地機(jī)場(chǎng)，地勢(shì)比較開(kāi)闊，地形相對(duì)平緩，機(jī)場(chǎng)標(biāo)高1 138.89 m。在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中，大面積采用開(kāi)山大石塊填料，填筑厚度達(dá)到50 m，在國(guó)內(nèi)外實(shí)屬罕見(jiàn)。土壤電阻率測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量其平均土壤電阻率高達(dá)3 000 Ω·m。

近年來(lái)，貴陽(yáng)市龍洞堡機(jī)場(chǎng)時(shí)常遭受雷擊災(zāi)害，其管制系統(tǒng)、多普勒雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航臺(tái)、供配電設(shè)備等常遭受損毀。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)，近5 a來(lái)龍洞堡機(jī)場(chǎng)遭受的各種大小雷擊事故達(dá)7起，造成了極大的航空安全隱患。

機(jī)場(chǎng)雷擊事故易發(fā)頻發(fā)，做好機(jī)場(chǎng)的雷電防護(hù)工作，保障航空安全責(zé)任重大，意義重大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于機(jī)場(chǎng)雷電防護(hù)方面的研究，主要集中于降低接地電阻等工程性措施，其它方向的研究較少。本文采用目前先進(jìn)的接地與電磁分析軟件(CDEGS軟件)，分析了貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)的雷電環(huán)境、土壤泄流性能以及雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并基于此提出機(jī)場(chǎng)的雷電災(zāi)害防護(hù)的重點(diǎn)，為減少或避免機(jī)場(chǎng)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)指導(dǎo)機(jī)場(chǎng)的防雷設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 機(jī)場(chǎng)雷電環(huán)境及其土壤泄流性能分析

本文對(duì)貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)所處位置的土壤結(jié)構(gòu)、雷電資料進(jìn)行分析，基于此得到機(jī)場(chǎng)的雷電環(huán)境以及土壤的泄流性能，為機(jī)場(chǎng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析提供了科學(xué)依據(jù)。

2.1 雷電環(huán)境

據(jù)貴州省閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，貴陽(yáng)市地閃密度為4.1次/(km2·a)(圖1)，平均地閃強(qiáng)度38.09 kA，最大地閃強(qiáng)度244.47 kA，其中地閃強(qiáng)度0～20 kA發(fā)生概率為40.24%，占比4成以上；地閃主要發(fā)生在4—9月，發(fā)生概率為92.50%；91.90%的地閃發(fā)生在14—03時(shí)， 04—13時(shí)地閃相對(duì)較少。

貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)中心位置(以5 km、3 km、1 km為半徑范圍內(nèi))地閃密度分別為5.2次/(km2·a)、5.1次/(km2·a)、5.1次/(km2·a)。綜合考慮各方因素，本文最后采用5 km半徑范圍內(nèi)的地閃密度，即5.2次/(km2·a)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的分析。

2.2 土壤泄流性能

影響接地電阻大小的因素很多，但土壤電阻率是最直接和最重要的因素。土壤電阻率的大小直接影響到到雷擊時(shí)雷電流的泄流性能。利用土壤電阻率測(cè)試儀器(SYSCAL Junior)。加密測(cè)量了貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)所處位置的土壤電阻率，并進(jìn)行了加權(quán)平均，測(cè)量方法為國(guó)際通用的文納四極法，測(cè)量時(shí)電極間距的最大值為29 m，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。最后利用接地與電磁環(huán)境分析軟件(CDEGS軟件)的REASP模塊，反演數(shù)據(jù)模型，得到圖1所示的兩層水平土壤結(jié)構(gòu)。

表1 文納四極法測(cè)得的土壤電阻率Tab.1 Soil Resistivity measured by the Wenner four

如圖1所示，貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)所處位置的土壤擬合模型，最佳為兩層水平結(jié)構(gòu)，第1層(0.00～3.34 m)，平均土壤電阻率值132.85 Ω·m；第2層(3.34～29.00 m)，平均土壤電阻率值1 958.36 Ω·m。分層擬合結(jié)果：土壤反射系數(shù)0.005，均方根誤差7.22%。

根據(jù)圖1土壤分層結(jié)構(gòu)模型顯示，該航站樓所處位置屬高土壤電阻率區(qū)域，不利于雷電流泄放。將分層模型與地勘資料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)吻合度較好。

地勘資料：場(chǎng)地位于龍洞堡向斜西翼，地表多為第四系填土層，局部基巖裸露，填土回填時(shí)間長(zhǎng)短不一，局部回填邊坡部位有小規(guī)模松動(dòng)塊石零星分布，基巖為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)白云巖，傾角12°。

圖1 機(jī)場(chǎng)航站樓所處區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)分層模型Fig.1 The stratification model of the soil structure in the airport terminal

場(chǎng)地地層由碎石土、素填土、紅粘土及下伏基巖組成，細(xì)分如下：

碎石土(Qml)：灰黃色，由碎石夾可塑紅粘土組成，呈棱角形，粒徑為 30×20～200×120 mm，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。

素填土( Qml)：褐黃色，由粘土夾少量碎石、塊石等組成，土厚 0.60～18.50 m。這部分土層分布較少。

紅粘土(Qel)：褐黃色，稍濕。厚 0.80～6.00 m。紅粘土分布較少，厚度不均，其土壤電阻率在300 Ω·m左右。

基巖( T1a)：場(chǎng)地基巖巖性為三疊系安順組中厚層白云巖，零星出露地面，較硬巖,巖體較破碎，這一土層土壤電阻率很高。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與分析

3.1 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

本論文對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓和其相關(guān)的配套設(shè)施的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算，主要參數(shù)包括機(jī)場(chǎng)所屬區(qū)域的土壤電阻率、雷電活動(dòng)主要特征、屏蔽網(wǎng)格尺寸、航站樓內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)度、航站樓接地電阻、電子信息系統(tǒng)、SPD標(biāo)稱放電電流、雷電防護(hù)等級(jí)等等。主要依據(jù)的技術(shù)規(guī)范包括《貴州省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)》(DB52/T 805-2013)、《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(QX/T 85-2007)等。由于文章篇幅有限，僅列出該機(jī)場(chǎng)航站樓進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的相關(guān)參數(shù)(表2)。

表2 航站樓參數(shù)取值表Tab.2 Parameter value table of terminal building

經(jīng)過(guò)計(jì)算，航站樓及相關(guān)配套設(shè)施的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)表3。

表3 各區(qū)域人員雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值Tab.3 Risk values of lightning disasters in each region

結(jié)果表明，航站樓及配套設(shè)施的人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)規(guī)定的可容許風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)不到雷電防護(hù)的技術(shù)要求，必需采取一定的防雷措施以降低其雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)表3分析，風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于各種線路(含電源和信號(hào)線路)，需加強(qiáng)雷電波侵入、雷電電磁感應(yīng)方面的防護(hù)，通過(guò)采取下面的措施降低雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 雷電對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響

根據(jù)貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)合多次機(jī)場(chǎng)發(fā)生雷災(zāi)的案例分析，雷電對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響主要包括以下幾個(gè)方面。

①機(jī)場(chǎng)跑道受雷擊易形成雷擊坑，影響航班安全起降。

②雷擊電火花造成油庫(kù)起火，甚至引發(fā)爆炸，造成巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

③當(dāng)雷擊航站樓及導(dǎo)航塔時(shí)，由于雷電流泄流入地造成的電位梯度過(guò)大，可造成處于其中或附近的人員因跨步電壓傷亡。

④雷電直擊機(jī)場(chǎng)供電線路上，雷電流經(jīng)供電線路進(jìn)入供電設(shè)備，造成供電設(shè)備損壞，從而引發(fā)停電。

⑤雷電流散流泄放時(shí)因電阻和電感的電位降，可造成高電位在水平布設(shè)的電源線路和信號(hào)線路上產(chǎn)生過(guò)電壓，進(jìn)而損壞設(shè)備端口，還可能因反擊造成傷亡事故。

3.3 降低風(fēng)險(xiǎn)的措施

根據(jù)前文分析，貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)防雷措施應(yīng)在施工圖設(shè)計(jì)階段作進(jìn)一步完善，并滿足以下要求：

①航站樓、航空油庫(kù)、地面加油站、變電站均應(yīng)按第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)。其中，航空油庫(kù)、地面加油站應(yīng)做好防靜電措施。消防綜合樓、辦公及信息中心、貨運(yùn)區(qū)建筑物、車庫(kù)等建構(gòu)筑物可按第三類防雷建筑物設(shè)計(jì)。同時(shí)，第二類、第三類防雷建筑物首次雷擊電流參數(shù)應(yīng)分別按不低于200 kA、150 kA的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

②在總變配電室變壓配電器低壓側(cè)安裝電涌保護(hù)器，通流量不低于60 kA(波形8/20 μs)。對(duì)于第二類防雷建筑物，在入戶處分配電柜(箱)安裝一級(jí)電涌保護(hù)器，低壓配電系統(tǒng)安裝多級(jí)SPD保護(hù)，第一級(jí)安裝通流容量不小于15 kA(10/350 )或60 kA(8/20 )，第二級(jí)安裝通流容量不小于30 kA(8/20 )，第三級(jí)安裝通流容量不小于15kA(8/20 )，第四級(jí)安裝通流容量不小于10 kA(8/20 )。對(duì)于第三類防雷建筑物，在入戶處分配電柜(箱)安裝一級(jí)電涌保護(hù)器，低壓配電系統(tǒng)安裝多級(jí)SPD保護(hù)，第一級(jí)：安裝通流容量不應(yīng)小于15 kA(10/350 )或60 kA(8/20 )，第二級(jí)：安裝通流容量不應(yīng)小于40 kA(8/20 )，第三級(jí)：安裝通流容量不應(yīng)小于20 kA(8/20 )，第四級(jí)：安裝通流容量不應(yīng)小于10 kA(8/20 )。

③機(jī)場(chǎng)調(diào)度通信、信息管理集成的雷電防護(hù)等級(jí)按A級(jí)設(shè)計(jì)，安防監(jiān)控、泊位引導(dǎo)的雷電防護(hù)等級(jí)按B級(jí)設(shè)計(jì)，航班信息及值機(jī)引導(dǎo)、安檢系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級(jí)按C級(jí)設(shè)計(jì)，樓宇控制、廣播及內(nèi)部通信的雷電防護(hù)等級(jí)按D級(jí)設(shè)計(jì)。

④航站樓、信息中心等，應(yīng)在放置靈敏設(shè)備的機(jī)房、控制室、電氣室采取屏蔽措施，若屏蔽網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m，設(shè)備擺放距墻壁不小于0.5 m；若屏蔽網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m時(shí)，設(shè)備擺放距墻壁不小于1.0 m，以達(dá)到電子信息設(shè)備可承受的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍。

⑤機(jī)場(chǎng)航站樓的導(dǎo)航和通信以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，應(yīng)采用聯(lián)合接地方式，接地電阻值應(yīng)不超過(guò)4.0 Ω。此外，總配電接地，還需滿足《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

此外，還可以采取其它非直接性措施來(lái)采取防護(hù)，如：安裝雷電預(yù)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以探測(cè)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，并能探測(cè)到雷暴來(lái)臨的方向。在雷暴來(lái)臨時(shí)，能自動(dòng)控制場(chǎng)內(nèi)的供電系統(tǒng)，把市電供電轉(zhuǎn)換為UPS供電(交流電轉(zhuǎn)為直流電)，能有效避免雷電波從供電線路侵入。在大氣電場(chǎng)發(fā)生改變，雷暴逐漸消散之后，該系統(tǒng)能自動(dòng)把UPS供電轉(zhuǎn)換為市電供電。雷電預(yù)警系統(tǒng)不僅能有效的保護(hù)到跑道內(nèi)的氣象設(shè)備，還可以保護(hù)到油庫(kù)等易燃易爆場(chǎng)所。對(duì)機(jī)場(chǎng)附近的設(shè)備也能起到有效的預(yù)警作用。

通過(guò)采用上文所述的方法和措施，再對(duì)表2中各區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，各區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)均在可容許范圍之內(nèi)。

3.4 雷電防護(hù)重點(diǎn)

機(jī)場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的空中及地面交通運(yùn)輸綜合體，場(chǎng)內(nèi)設(shè)施功能復(fù)雜，雷電防護(hù)尤為重要，特別是機(jī)場(chǎng)的航管(通信、導(dǎo)航)工程、航站樓及電子信息系統(tǒng)、供油工程、變電站等是雷電防護(hù)的重點(diǎn)。需做好整個(gè)機(jī)場(chǎng)附近建筑、設(shè)施、線路、金屬護(hù)欄的雷電防護(hù)措施。站前外廣場(chǎng)也應(yīng)當(dāng)考慮工程型或非工程性雷電防護(hù)措施。

4 小結(jié)

本文采用氣象歷史雷電觀測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的機(jī)場(chǎng)航站樓土壤電阻率數(shù)據(jù)、項(xiàng)目相關(guān)建設(shè)資料等，分析該機(jī)場(chǎng)所處區(qū)域的雷電環(huán)境，并模擬土壤分層結(jié)構(gòu)和分析了其泄流性能，以此為依據(jù)，結(jié)合機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)址情況、地形地貌、航站樓的相關(guān)性能參數(shù)等，計(jì)算了貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并分析機(jī)場(chǎng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高的具體原因，提出了降低其風(fēng)險(xiǎn)的具體措施。針對(duì)采取的措施驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，指出了機(jī)場(chǎng)雷電災(zāi)害防護(hù)的重點(diǎn)。本文為減少或避免高原山地機(jī)場(chǎng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)指導(dǎo)機(jī)場(chǎng)的防雷設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

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