銅仁雷達站防雷改造方案的研究

宋 迪

（民航貴州空中交通管理分局，貴州 貴陽 550012）

0 引 言

2019年7月23日，銅仁雷達站遭受了一次較為嚴重的雷擊，造成雷達系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等多個系統(tǒng)受損，直接經(jīng)濟損失約40萬元。雷擊發(fā)生后，聯(lián)合貴州省氣象局防御減災(zāi)中心、貴陽筑安防雷檢測站以及多家防雷公司進入現(xiàn)場進行分析和研究，以期尋找解決辦法。經(jīng)過現(xiàn)場勘查并結(jié)合氣象、地質(zhì)等環(huán)境因素，發(fā)現(xiàn)銅仁雷達站在接地系統(tǒng)、直擊雷防護和抗感應(yīng)雷電脈沖等方面存在安全隱患。為保障該臺站雷達和甚高頻（VHF）等設(shè)備運行的安全穩(wěn)定，設(shè)計了防雷改造方案，以提高雷電抗擊能力。

1 改造原因

1.1 改造必要性

1.1.1 地理位置特殊

銅仁雷達站位于銅仁市川硐鎮(zhèn)尖巖村馬腳云，銅松公路東側(cè)約200 m的丘陵坡地上，臺站的雷達塔是該地域的最高建筑物，且站址周圍半徑500 m范圍內(nèi)沒有接閃針等雷電接閃物體，易發(fā)生繞擊雷和側(cè)擊雷。據(jù)當?shù)貧庀缶謹?shù)據(jù)顯示，銅仁雷達站每年平均雷暴日多達57天，處在強雷暴地區(qū)，且雷電強度較大。2019年7月23日，銅仁雷達站雷擊案例中，雷擊到該區(qū)域的雷電強度111.5 ka（由省氣象局三維閃電監(jiān)測定位測得），是平均值的3～5倍。根據(jù)銅仁雷達站建臺前的巖土工程勘察報告顯示，銅仁雷達站上部土層為耕土（厚度0.4～0.6 m）和紅粘土（厚度0.3～3.0 m），下伏基巖為白云巖（電阻率5 000 Ω以上）。表層耕土較淺，最深僅0.6 m，紅黏土的土壤電阻率在干燥情況下較高（約500 Ω），均對臺站接地系統(tǒng)的建設(shè)造成了困難。較高的雷電強度加之特殊的地理位置和地質(zhì)條件，采用常規(guī)的防雷手段很難完全保護臺站。

1.1.2 臺站接地系統(tǒng)存在安全隱患

銅仁雷達站的泄流網(wǎng)[1]由于與臺站地網(wǎng)沒有直接連接，導(dǎo)致雷達塔避雷針在接閃后會在雷達站內(nèi)部形成高電位，加劇了泄流網(wǎng)和臺站地網(wǎng)間的電位差，使地電位反擊更嚴重，成為造成臺站內(nèi)多個設(shè)備受損的原因之一。因此，有必要擴大雷達站接地網(wǎng)，構(gòu)建合理、可靠的接地網(wǎng)，以提高雷電流泄流能力，如圖1所示。

1.1.3 雷擊事故調(diào)查報告提出的改造建議

貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心在2019年7月23日的雷擊調(diào)查中，提出了一些防雷改造建議：

圖1 雷達站現(xiàn)有地網(wǎng)簡圖

（1）避雷針引下線扣件應(yīng)加強緊固；

（2）去掉編碼器內(nèi)“sheld”插頭與編碼器外殼連接；

（3）消防控制箱到消防裝置線路在控制箱位置處安裝避雷器；

（4）單獨設(shè)置雷達塔頂避雷針的泄流網(wǎng)，并建在雷達站外，最大程度減少雷電流在泄放過程中對臺站站內(nèi)設(shè)備的影響。

1.1.4 雷擊事故調(diào)查報告提出的改造建議

根據(jù)《民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》MH/T 4020-2006，雷達塔獨立避雷針[2]引下線數(shù)量應(yīng)不少于4根，而臺站的實際情況是2根，不符合符合民航行業(yè)規(guī)范的要求。因此，需要增加2根避雷針引下線。

1.1.5 站內(nèi)設(shè)備易受雷電脈沖影響

在2019年7月23日的雷擊案例中，雷達機房部分通信傳輸接口、室外監(jiān)控攝像頭、消防等設(shè)備均有不同程度的受損。通過現(xiàn)場勘查，判斷這些受損設(shè)備共同的特點是跨區(qū)域使用通信線路進行傳輸。在雷電脈沖來臨時，這些弱電線路極易受到雷電的影響，因此需要進一步完善內(nèi)部設(shè)備的防雷措施。

1.2 改造的可行性

目前，銅仁雷達站現(xiàn)場環(huán)境情況可以滿足施工要求，施工范圍對主要設(shè)備運行無直接影響，且周邊VHF和雷達覆蓋可以補充該臺的覆蓋，具備短時停機施工的條件，同時可派駐有建設(shè)經(jīng)驗的人員組織監(jiān)管施工現(xiàn)場。綜上所述，銅仁雷達站防雷改造必要性充分，具備技術(shù)和實施可行性。

2 改造方案研究

2.1 方案概況

在銅仁雷達臺站內(nèi)重新構(gòu)建接地系統(tǒng)，結(jié)合磊莊雷達站、本場應(yīng)急移動系統(tǒng)防雷建設(shè)的實際經(jīng)驗和防雷新技術(shù)的實際運用，采取站內(nèi)打接地深井的方式構(gòu)建地網(wǎng)，新建閉合接地母線，改進接地性能來降低接地電阻和提高雷電流泄流能力。

2.2 實施方案

2.2.1 新建接地防沖擊共用地網(wǎng)

（1）圍繞雷達站圍墻邊緣建立閉合接地母線，在雷達站4個角用鉆機打4口接地深井，深度超過50 m，并在每口井內(nèi)填埋降阻劑，每個井的垂直接地極與接地母線熱熔焊接。沿圍墻挖深接地溝，沿溝內(nèi)每隔3 m打入可連接鍍銅接地棒（每根1.5 m），并采用熱鍍鋅扁鋼電焊連接，填埋時可使用一定數(shù)量的降阻劑。

（2）接地母線應(yīng)以最短距離穿過圍墻與VFH鐵塔、雷達工藝機房、雷達塔均壓環(huán)接地引下線、配電房等各個需要接地的位置連接，采用接地銅芯線鍍鋅鋼管穿管，連接兩端采用熱熔焊接。

（3）站外可使用位于雷達站外一處面積在50 m×40 m的土地，制作雷達塔避雷針泄流網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 新建接地防沖擊共用地網(wǎng)

2.2.2 原有接地網(wǎng)開挖檢查

針對VFH鐵塔接地扁鋼腐蝕嚴重的問題，對雷達站原有接地網(wǎng)開挖檢查，并更換銹蝕嚴重的部分，保證接地連接良好。

2.2.3 完善內(nèi)部防雷設(shè)施

（1）MICA02板通過一個15針通信接口連接，可在其15針通信接口前串接一個15針SD接口的串口防雷器，防護從饋線上來的過電壓。同樣，在雷達控制柜的15針通信接口處也串接一個15針SD接口的串口防雷器，以有效防護MICA02板與雷達控制柜兩端之間的線纜可能產(chǎn)生的浪涌過電壓原理如圖3所示。

（2）2臺UPS分別采用RS232通信方式與2樓機房監(jiān)控設(shè)備連接。它的接口為9針通信串口，可在其前面串接一個9針SD接口的串口防雷器，2樓接口處做相同處理。這樣在兩端設(shè)備進入端口處設(shè)立一個防雷隔離，中間無論哪里產(chǎn)生過電壓，兩端設(shè)備均可得到有效的防雷保護。

圖3 MICA02示意圖

（3）雷達工藝機房到2樓的一根線纜需采用金屬穿管，約30 m。

（4）雷達塔增加2條接地引下線，檢查并緊固原有避雷針引下線。

（5）去掉編碼器內(nèi)“sheld”插頭與編碼器外殼連接如圖4所示。

（6）消防控制箱到消防裝置線路在控制箱位置安裝相應(yīng)的避雷器。

圖4 編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 預(yù)期效果

本文從多個方面對銅仁雷達站防雷改造方案進行分析，闡明了防雷改造的必要性。該案例對民航空管系統(tǒng)雷達站設(shè)備防雷特別是雷達系統(tǒng)的防雷提供了積極參考。當前，該方案正在進一步實施中，相信通過科學的論證和嚴格的施工，銅仁雷達站的防雷效果將得到較大提升，對民航雷達站提高雷電抗擊能力具有積極意義。