氣象雷達(dá)站雷電防護(hù)設(shè)計要點研究

劉正君，鄒其兵

（襄陽市氣象局，湖北襄陽441021）

1 閃電特征及入侵途徑

雷擊發(fā)生時，會產(chǎn)生強大的閃電沖擊電流，并伴隨產(chǎn)生巨大的電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)，對建（構(gòu)）筑物造成直接損毀，并可通過雷電波的形式對用電設(shè)備等造成重大危害。

1.1 直擊雷

直擊雷是雷電擊穿空氣，直接對物體放電的雷電現(xiàn)象。雷電很高的沖擊電壓波會使設(shè)備絕緣受到破壞；沖擊電流的電動力作用，使被擊物體炸裂；沖擊電流物體溫度升高會引起熔斷炸裂和沖擊熔斷破壞。直擊雷防護(hù)通常都是采用接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)或金屬物件作為接閃器，通過引雷原理，通過引下線及接地裝置的共同作用，將雷電流引入大地。

1.2 閃電感應(yīng)

雷電在接近建（構(gòu)）筑物附近發(fā)生并未直接擊中建（構(gòu)）筑物，但建（構(gòu)）筑物內(nèi)的電氣、電子設(shè)備產(chǎn)生損壞的現(xiàn)象稱為閃電感應(yīng)，閃電感應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生的原理不同，分為雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)。雷電靜電感應(yīng)是在帶電積云接近地面時，雷電先導(dǎo)在附近的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出與空中電荷極性同級性的電荷，從而在金屬導(dǎo)體與雷云之間以及金屬導(dǎo)體自身產(chǎn)生很高的靜電電壓（感應(yīng)電壓），會造成建筑物內(nèi)的導(dǎo)線、接地不良的外露可導(dǎo)電部分、外部可導(dǎo)電部分等金屬物和承壓水平低設(shè)備放電。另外，雷電電磁感應(yīng)是由于雷電流迅速變化在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強電磁場，使附近導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動勢，從而容易引起電擊、火災(zāi)、爆炸，造成重大危害。

2 實例設(shè)計分析

本文主要以襄陽天氣雷達(dá)站建設(shè)為例，對雷達(dá)站建設(shè)過程中雷電防護(hù)設(shè)計的重點及方向進(jìn)行探討，以積累在大型裝備建設(shè)過程中雷電防護(hù)的設(shè)計和施工經(jīng)驗。襄陽天氣雷達(dá)站選址在襄陽市北部朱莊，海拔標(biāo)高約為120m。該雷達(dá)系統(tǒng)由雷達(dá)塔樓和附屬供電設(shè)施構(gòu)成，雷達(dá)探測系統(tǒng)主要集中在建筑首3層。

3 雷達(dá)站雷電防護(hù)的具體設(shè)計要點

3.1 雷達(dá)塔樓外部直擊雷防護(hù)設(shè)計

3.1.1 襄陽市天氣雷達(dá)站年預(yù)計雷擊次數(shù)計算

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》附錄一的規(guī)定，襄陽市天氣雷達(dá)站年預(yù)計雷擊次數(shù)應(yīng)按式（1）確定：

式中，N為建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)，次/a；K為校正系數(shù)，一般情況下取1；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a），Ng=0.1Td（Td為年平均雷暴日數(shù)，襄陽市為28.1d/a）Ng=0.1×28.1=2.81，次/（km2·a）；Ae為與建筑物截收相同的雷擊次數(shù)的等效面積，km2，由于雷達(dá)樓的相對高度小于100m，因此，Ae按式（2）計算：式中，L、W、H分別為建筑物的長32m，寬8m、高63.4m，代入數(shù)據(jù)，得Ae=0.0349km2。

襄陽市新一代天氣雷達(dá)站年預(yù)計雷擊次數(shù)為：

3.1.2 襄陽市新一代天氣雷達(dá)站防雷區(qū)的劃分

根據(jù) GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、GB 50343—2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》和QXT/2—2016《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對襄陽市新一代天氣雷達(dá)站防雷區(qū)共分為直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZ0A）、直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0B）和第一屏蔽防區(qū)（LPZ1）。

3.1.3 襄陽市天氣雷達(dá)站防雷等級確定

襄陽市年平均雷暴日數(shù)為28.1d，根據(jù)QXT/2—2016《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，襄陽市天氣雷達(dá)站為GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的第二類防雷建筑物。雷達(dá)站所在地雷擊大地平均密度為3.04次/（km2·a），根據(jù)QXT/2—2016《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，襄陽市天氣雷達(dá)站防雷等級劃分為二等，雷達(dá)塔樓防直擊雷設(shè)施按二類防雷設(shè)計。直擊雷的防護(hù)：雷達(dá)樓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先應(yīng)了解雷達(dá)樓的直擊雷防雷設(shè)計方案，以便滿足直擊雷防護(hù)設(shè)施安裝對主樓結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。按照雷達(dá)樓的防雷等級和雷達(dá)天線的防雷需求，采用接閃桿、接閃帶和接閃網(wǎng)相結(jié)合的方式接閃，以達(dá)到對雷達(dá)樓主體和雷達(dá)天線進(jìn)行直擊雷的保護(hù)。

1）對雷達(dá)樓天面的直擊雷防護(hù)要求

對雷達(dá)樓天面的直擊雷防護(hù)要求包括：（1）在雷達(dá)塔樓天面安裝接閃帶，使用材料要求：截面不能小于48mm2條形鋼；敷設(shè)網(wǎng)狀接閃網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸5m×5m，鋼筋規(guī)格：φ10mm，截面不小于48mm2條形鋼；（2）接閃帶與接閃網(wǎng)作電氣導(dǎo)通；接閃帶和接閃網(wǎng)和設(shè)置作為引下線的主體柱筋作電氣導(dǎo)通；（3）依據(jù)分流系數(shù)，設(shè)置的主體柱筋引下線的根數(shù)在8根以上。

2）雷達(dá)天線的直擊雷防護(hù)

雷達(dá)的天線保護(hù)罩設(shè)計直徑為11.8m，天線支撐部分設(shè)備的小正方形鐵架，高2.2m，寬6.5m。如圖1和圖2所示。

圖1 天線罩直徑（單位：m）

圖2 基座架（單位：m）

3）接閃桿與雷達(dá)天線罩間位置的確定

由圖3得出結(jié)論，雷擊發(fā)生時，接閃桿與天線罩的相對位置，會對天線罩內(nèi)部空間的磁場分布造成影響。按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和QXT/2—2016《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)條款要求，雷達(dá)樓塔樓的設(shè)計要為保護(hù)雷達(dá)天線安全的接閃桿預(yù)留足夠的空間距離，結(jié)合襄陽雷達(dá)建筑實際，保護(hù)雷達(dá)天線罩的接閃與天線罩邊緣的安全距離應(yīng)不小于3m[1]。

圖3 雷電流I=10kA時，罩體邊緣和中心的磁感應(yīng)強度

通過襄陽市雷達(dá)站主樓的保護(hù)設(shè)計，在雷達(dá)天線平臺上布設(shè)3根接閃桿保護(hù)雷達(dá)天線罩為合理的適宜方案，接閃桿基座設(shè)置在塔樓平臺的邊緣，基座鋼筋與建筑主體柱筋可靠連接，作為接閃桿引下，具體如圖4所示。

圖4 3支等高接閃桿俯視圖

4）三支等高接閃桿高度及保護(hù)范圍的計算

用作圖法確定桿高：半徑r=45m的球面讓3支接閃桿支撐起來，使?jié)L球最低點比罩頂端高出1m余量，罩體即獲得了保護(hù)，如圖5所示。

其桿尖距正三角形中心點的距離O′A，即中心點距接閃桿安裝間距為9m，滾球的中心線OO′垂直正三角形ABC，且通過它的重心。這樣，正三角形外側(cè)自然受保護(hù)。

圖5 等高3支接閃桿正三角形排列的桿高計算（單位：m）

考慮加1m的余量，接閃桿高h(yuǎn)為：h=r-OO′+1+18.3=20.21m，即接閃桿的高度取20.21m，實際安裝高度21m。以上可得，天線罩的直擊雷保護(hù)使用3支等高分布的接閃桿保護(hù)，接閃桿高度21.5m，與天線罩外緣距離為3m，接閃桿使用由高強度玻璃鋼支桿，雷達(dá)運行時，其不會對雷達(dá)探測參數(shù)構(gòu)成影響，保證雷達(dá)信號發(fā)射和接收正常。

3.2 閃電感應(yīng)的防護(hù)設(shè)計

依據(jù) GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、GB 50343—2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》和QXT/2—2016《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，襄陽市天氣雷達(dá)站雷擊防護(hù)為二類設(shè)計，因此，應(yīng)采取相應(yīng)防閃電感應(yīng)措施。

3.2.1 對雷達(dá)樓建筑設(shè)計的要求

1）等電位連接網(wǎng)的設(shè)計

等電位連接網(wǎng)是將建（構(gòu)）筑物內(nèi)系統(tǒng)（帶電導(dǎo)體除外）的所有導(dǎo)電性物體相互連接組成的一個網(wǎng)。等電位連接網(wǎng)設(shè)計是做好雷電防護(hù)的關(guān)鍵，包含整個施工過程，因此，設(shè)計要全面，施工要嚴(yán)格。

2）接地端子設(shè)計

為有效設(shè)置共用等電位連接網(wǎng)，塔樓設(shè)置預(yù)留總等電位端子，總端子與主樓預(yù)埋接地網(wǎng)可靠連接。由總接地端子向設(shè)計各預(yù)留位置引出。接地端子設(shè)置在內(nèi)墻側(cè)，采用暗敷，由大樓的接地主筋引出，作電氣導(dǎo)通處理。

3）屏蔽設(shè)計

屏蔽設(shè)計包括以下內(nèi)容：（1）雷達(dá)機房外部屏蔽。在雷達(dá)機房層面建設(shè)時，其墻體面和頂面鋼筋網(wǎng)格的綁扎不大于1m×1m，附屬設(shè)施金屬件與墻體主鋼筋作電氣導(dǎo)通連接形成整體外層格柵屏蔽網(wǎng)，使之具有法拉第籠效應(yīng)，確保對雷達(dá)主機房的大空間屏蔽。同時設(shè)定屏蔽空間內(nèi)電氣、電子設(shè)備的安全距離。（2）線纜屏蔽。雷達(dá)站數(shù)據(jù)傳輸線纜敷設(shè)時，必須進(jìn)行屏蔽處理，并與低壓配電線纜保持足夠凈間距。（3）配電系統(tǒng)線纜的屏蔽。配電系統(tǒng)采用TN-S供電制式，從總配電進(jìn)入雷達(dá)樓的高低壓配電線纜，使用帶金屬鎧屏蔽層線纜，線纜穿金屬管且做重復(fù)接地，并保證埋深。（4）雷達(dá)天線至主控機房的信號線纜的屏蔽。從雷達(dá)天線至雷達(dá)主控機房的所有線纜和波導(dǎo)管實行金屬線槽進(jìn)行屏蔽，線槽之間使用金屬軟帶跨接，保證有效的電氣導(dǎo)通，穿入主機房的金屬線管在預(yù)埋時與屏蔽格柵作電氣連接。

3.2.2 配電系統(tǒng)的閃電感應(yīng)防護(hù)設(shè)計

配電系統(tǒng)的閃電感應(yīng)防護(hù)設(shè)計包括以下內(nèi)容：

1）根據(jù)雷擊大地平均密度修正值防雷等級劃分，襄陽雷達(dá)站為防雷二等；

2）總配電柜開關(guān)前端安裝第一級電涌保護(hù)器，雷電通流量60kA，電壓保護(hù)水平不大于2.5kV，響應(yīng)時間小于25ns；

3）雷達(dá)機房樓層配電安裝第二級電涌保護(hù)器，雷電通流量40kA，電壓保護(hù)水平不大于2.0kV，響應(yīng)時間小于25ns；

4）在雷達(dá)設(shè)備電源安裝第三級電涌保護(hù)器，雷電通流量20kA，電壓保護(hù)水平2.0kV，響應(yīng)時間T≤25ns；

5）如2個SPD安裝距離小于10m，需在線路上安裝感抗型SPD。

3.2.3 接地裝置設(shè)計

接地裝置設(shè)計包括以下內(nèi)容：（1）接地裝置利用下墊面土壤電阻率低的條件，將雷達(dá)樓基礎(chǔ)作為接地體，樁內(nèi)主筋通過承臺筋連接在一起，形成接地網(wǎng)，在雷達(dá)樓周圍設(shè)置環(huán)形人工輔助地網(wǎng)，2個接地網(wǎng)中連接組成聯(lián)合地網(wǎng)；（2）塔樓地網(wǎng)接地電阻設(shè)計值，基礎(chǔ)土壤狀況為沙質(zhì)黏土，土壤電阻率約為50Ω·m，依據(jù)QX/T2—2016《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，雷達(dá)站聯(lián)合地網(wǎng)接地電阻設(shè)計值確定為不大于4Ω；（3）將等電位連接網(wǎng)和接地裝置連成整體的接地系統(tǒng)。

4 結(jié)語

綜上所述，氣象雷達(dá)站的雷電防護(hù)是一個綜合性的保護(hù)系統(tǒng)。氣象雷達(dá)站由于運行的要求，建設(shè)選址位置及自身特點決定其較易受到雷電干擾和破壞，閃電感應(yīng)防護(hù)是雷達(dá)站建設(shè)的重點關(guān)注方向，做好雷電防護(hù)的綜合設(shè)計，重點突出，才能為雷達(dá)設(shè)備在雷雨季正常運行提供必要的保障。