石河子墾區(qū)天氣雷達(dá)防雷設(shè)計(jì)分析

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 韓登武

1 引言

目前我國大力開展氣象災(zāi)害防御，多普勒天氣雷達(dá)在我國大量裝備，實(shí)現(xiàn)全國雷達(dá)拼圖，有效提高了臨近氣象預(yù)報，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保證。

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損壞。在新一代天氣雷達(dá)開始布點(diǎn)的短短幾年時間內(nèi)，國內(nèi)就有數(shù)家最新建成的多普勒雷達(dá)遭受了不同程度的雷擊損壞現(xiàn)象。

因此，在符合有關(guān)現(xiàn)行國標(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、所在地區(qū)的地理環(huán)境和氣象條件，力求滿足安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、綜合防護(hù)的原則設(shè)計(jì)出最佳方案，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。

2 塔樓及附屬用房防雷設(shè)計(jì)

2.1 防雷等級的確定

石河子年平均雷暴日數(shù)是15d，屬于少雷區(qū)。依據(jù)QX2-2000《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》石河子雷達(dá)站防雷等級為三等，雷達(dá)天線罩滾球半徑按照60m 計(jì)算，機(jī)房按照B 級機(jī)房設(shè)計(jì)?？紤]到人員活動因素，其他輔助用房按照三類防雷建筑設(shè)計(jì)，雷達(dá)站與圍墻的接閃器形成不等高接閃器布置，有效保護(hù)人員生命安全。

2.2 直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)

建筑物的雷電防護(hù)主要考慮接閃、引下、接地三個部分。

2.2.1 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，達(dá)到保護(hù)建筑物和設(shè)備的目的。石河子新一代天氣雷達(dá)站的直擊雷防護(hù)主要由雷達(dá)塔樓及附屬用房組成：第一部分為雷達(dá)塔樓及天線罩，按照二類防雷建筑設(shè)計(jì)，設(shè)立4支12.7m等高接閃桿，將雷達(dá)天線罩至于直擊雷防護(hù)范圍內(nèi)，為了防止接閃桿對雷達(dá)信號的衰減，其主體由纏繞型玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管構(gòu)成，設(shè)計(jì)抗風(fēng)強(qiáng)度為40m/s，內(nèi)設(shè)一根截面積不小于50mm2的多股銅線實(shí)現(xiàn)對雷電流的引下入地。第二部分主要為塔樓附屬用房，按照三類防雷建筑要求在屋面敷設(shè)20×20m 或16×24m 接閃網(wǎng)格。雷達(dá)塔樓頂部的4支接閃桿可對雷達(dá)站人員活動區(qū)域構(gòu)成有效的防護(hù)區(qū)域。

圖1 4支等高接閃桿保護(hù)范圍圖

2.2.2 引下線

接閃桿以及接閃帶的引下全部借用立柱外側(cè)中間主筋，對借用的主筋采用卡夾器卡接處理?？紤]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，這使得可能發(fā)生的雷電流在引下過程中得以極大得分散，從而達(dá)到減少雷電流破壞性的效果。

圖2 塔樓直擊雷防護(hù)裝置布置平面圖

圖3 附屬用房直擊雷防護(hù)平面圖

2.2.3 接地

雷達(dá)站根據(jù)巖土勘察報告，以及土壤電阻率測試，雷達(dá)站上層為粉質(zhì)粘土，中等韌性稍濕、硬塑，厚度為0.80～1.50m，土壤電阻率介于20～100Ωm之間，下層為板巖：鉆透厚度為4.00～7.10m。場地平整后部分地段板巖厚度將大大低于4m，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。根據(jù)勘測情況雷達(dá)站設(shè)計(jì)接地電阻≤4Ω 即可，考慮溫度及季節(jié)因素對土壤電阻率的影響，實(shí)測接地電阻應(yīng)≤2Ω。

石河子新一代天氣雷達(dá)站直擊雷防護(hù)的接地體地網(wǎng)由兩部分組成，一部分是建筑物承臺鋼筋作接地體之用。承臺的主筋與作為引下線的柱中鋼筋焊接，使整個建筑物地下形成均壓網(wǎng)，使地面電位分布均勻，利用雷達(dá)站建筑物基礎(chǔ)作為接地系統(tǒng)的自然接地體，并按照電氣設(shè)備的安裝位置，在最接近電氣設(shè)備的非外墻結(jié)構(gòu)柱子預(yù)留電氣接地端子。

另一部分是環(huán)繞雷達(dá)塔樓和輔助用房四周，敷設(shè)人工接地裝置，在散水外大于1m用2.5m長∠5×50mm 熱鍍鋅角鋼做垂直接地體，間距≥5m，用-4×40mm 熱鍍鋅扁鋼做水平接地體，埋設(shè)深度大于1.3m，接地體焊接處做防銹防腐處理。在有引下線及接地預(yù)留處與自然接地裝置焊接連通，形成共地。

圖4 雷達(dá)站聯(lián)合接地平面圖

2.3 雷達(dá)電子信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

新一代天氣雷達(dá)的設(shè)備儀器是弱電設(shè)備，對設(shè)備儀器的雷電防護(hù)采用現(xiàn)代防雷技術(shù)措施，全方位地堵截雷電的侵入。因此，從以下幾個方面考慮設(shè)備儀器的雷電靜電防護(hù)。

2.3.1 等電位連接

等電位處理是含蓋土建、安裝、電器等項(xiàng)目的綜合工程。本工程的等電位處理主要有以下內(nèi)容：建筑體主筋的等電位處理，對有關(guān)的豎筋和橫筋進(jìn)行焊接處理，使整個建筑體成為一個等電位體；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，使整個進(jìn)出建筑物的金屬物體與建筑體形成等電位體；機(jī)房、供電部分的交直流和安全保護(hù)地線以及防雷地線都與建筑地網(wǎng)共地處理，機(jī)房、各類線路、接線盒等部分的地線從建筑體就近引出，防雷地從樓頂主筋引出。必須單獨(dú)設(shè)立的地網(wǎng)（如電纜接地等）要與建筑地進(jìn)行等電位連接。

機(jī)房接地系統(tǒng)使用主材：1×30mm紫銅帶。網(wǎng)格規(guī)格：600×600mm。供電接地系統(tǒng)使用主材：4×40mm扁鋼，其它系統(tǒng)接地形式：“S”型。為減少或消除雷電電磁干擾，對不同的場地和設(shè)備采用不同的接地形式。重點(diǎn)場地和設(shè)備采用“M”和“S”型混合的接地形式，一般場地和設(shè)備采用“M”（均壓環(huán)）型接地形式，分散的設(shè)施采用“S”（匯流排）接地形式。由于雷達(dá)塔樓高度較高接地引下線會加長，這樣影響雷電流的泄放速度，因此主機(jī)房、控制室、塔樓內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地網(wǎng)主要借用建筑地網(wǎng)。對于供電部分及其電涌吸收設(shè)施的地網(wǎng)，必要時可獨(dú)立敷設(shè)。

圖5 M型等電位鏈接網(wǎng)絡(luò)平面圖

2.3.2 屏蔽

石河子新一代天氣雷達(dá)的電磁屏蔽措施以兩部分為主，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之中，其屏蔽網(wǎng)格不應(yīng)大于200×200mm，機(jī)房必須使用金屬門窗，窗戶應(yīng)加設(shè)網(wǎng)孔不大于200×200mm 的金屬網(wǎng)，金屬門窗和網(wǎng)與建筑物部分的主鋼筋做焊接連接，焊接點(diǎn)之間的距離不大于2m。另一部分為各類線路的屏蔽，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，以將雷電和其他干擾電磁場降低到最低限度。

2.3.3 配電及其線路防護(hù)

市電在進(jìn)入建筑物前作穿管埋地處理，埋地長度不小于15m?？偱潆娛乙院蟮墓╇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，截面積不小于6mm2；變壓器側(cè)設(shè)立零線地網(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，并做一級電涌防護(hù)，傳輸電纜屏蔽極在室內(nèi)外各做一次接地。

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SPD。線路埋地的實(shí)際長度按規(guī)范要求，電源線不應(yīng)小于15m、通信線不應(yīng)小于50m。

浪涌保護(hù)器的選擇：

雷達(dá)站低壓供電應(yīng)選用TN-S供電系統(tǒng)。浪涌保護(hù)器選擇安裝見圖6。

第一級安裝于市電變壓器輸出側(cè)，選用Ⅰ級分類試驗(yàn)用沖擊電流Iimp≥40kA(10/350μs)，浪涌保護(hù)器主要元器件為開關(guān)型，浪涌保護(hù)器戶外型具有IP54防護(hù)等級。

第二級安裝于油機(jī)與市電切換箱內(nèi)，選用標(biāo)稱放電電流Iin≥40kA(8/20μs);

第三級安裝于一樓配電箱內(nèi)，Iin≥20kA（8/20μs）;

第四級，安裝于雷達(dá)主機(jī)房和控制室的總配電箱內(nèi)，選用標(biāo)稱放電電流Iin≥10kA（8/20μs）。

圖6 浪涌保護(hù)器安裝拓?fù)鋱D

3 其它措施

3.1 供電線路的防護(hù)

考慮到雷達(dá)站地理位置的特點(diǎn)和氣象行標(biāo)規(guī)范要求，架空電力線路也亦設(shè)立避雷線，石河子雷達(dá)站供電采用架空高壓線時，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不大于10Ω。

在高壓線進(jìn)入變壓器前端50m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，沖擊接地電阻不大于10Ω。

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

3.2 設(shè)備擺放

該雷達(dá)塔樓共設(shè)有引下線4根，按10kA雷電流由4 根引下線分流，根據(jù)信息設(shè)備最大承受的磁場強(qiáng)度2.4Gs 計(jì)算，其安全距離為1.0m。即雷達(dá)機(jī)房內(nèi)的電子設(shè)備與外墻或防雷引下線距離應(yīng)＞1.0m。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)以及工程實(shí)施和后期雷雨季節(jié)驗(yàn)證，天氣雷達(dá)防雷工程設(shè)計(jì)遵循從外到內(nèi)，從直擊雷防護(hù)到感應(yīng)雷防護(hù)的原則。（1）直擊雷防護(hù)中需要對建筑進(jìn)行分類防護(hù)；（2）接地電阻雷達(dá)站多受土壤地質(zhì)因素制約不一定非得要小于4Ω 或者1Ω 的要求，建筑體的等電位連接和設(shè)備的等電位連接網(wǎng)絡(luò)很重要；（3）浪涌保護(hù)器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）設(shè)計(jì)中達(dá)到國標(biāo)規(guī)范要求時需要還需要達(dá)到行業(yè)規(guī)范的要求才能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求的預(yù)防為主、經(jīng)濟(jì)合理、科學(xué)有效的原則。