復(fù)雜周邊環(huán)境下的新一代天氣雷達(dá)防雷研究與設(shè)計

歐林忠 孫錄貴 陳偉

摘要 科學(xué)合理的防雷設(shè)計能有效降低雷電造成的災(zāi)害，本文以靈壁縣X波段雷達(dá)防雷設(shè)計與施工實踐為基礎(chǔ)，總結(jié)分析了靈璧縣X波段雷達(dá)周邊環(huán)境的復(fù)雜特殊性，提出復(fù)雜周邊環(huán)境下的新一代天氣雷達(dá)防雷方法及應(yīng)對策略，重點討論應(yīng)對鄰近建筑物及電力設(shè)施的影響，通過共用接地、屏蔽、増補(bǔ)接地、降低土壤電阻率等綜合手段提升Ⅹ波段雷達(dá)防雷安全，以期對類似特殊環(huán)境下建設(shè)新一代天氣雷達(dá)防雷設(shè)計施工提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞 復(fù)雜周邊環(huán)境;綜合防雷方法;Ⅹ波段天氣雷達(dá)

中圖分類號：P415.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3305（2021）02-061-03

Ⅹ波段雙極化相控陣天氣雷達(dá)既具有相控陣?yán)走_(dá)快速掃描特點，又擁有雙偏振雷達(dá)精確極化探測能力的優(yōu)勢，為極端天氣預(yù)警預(yù)報研究等氣象業(yè)務(wù)提供了高時空分辨率的雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)，是提升區(qū)域氣象防災(zāi)減災(zāi)能力的重要設(shè)備。因此常常需要在雷電災(zāi)害性天氣時保持運(yùn)行，極易遭受雷擊。新代天氣雷達(dá)建設(shè)具有一次性建設(shè)投入大、遭受雷擊易損等特點，其防雷工程設(shè)計施工的可靠性不僅影響著雷達(dá)的安全及正常運(yùn)行，還關(guān)系著雷達(dá)站內(nèi)工作人員的人身安全，其防雷工程設(shè)計施工一直以來都是熱點話題。陳景榮等基于X波段雙極化相控陣天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和安裝特點進(jìn)行防雷設(shè)計，在總結(jié)了氣象探測設(shè)備特別是新一代天氣雷達(dá)以及風(fēng)廓線雷達(dá)的防雷實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對X波段雙極化相控陣天氣雷達(dá)的防雷進(jìn)行設(shè)計和應(yīng)用。夏亮等針對雷達(dá)站電源系統(tǒng)的防雷問題，采用三級涌保護(hù)器防護(hù)加隔離變壓器的綜合防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，并對防雷系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真和實際測試，明確了防雷系統(tǒng)的可靠性。黃雷等通過對肇慶多普勒天氣雷達(dá)站防雷現(xiàn)狀的了解和分析，結(jié)合現(xiàn)場情況對肇慶多普勒天氣雷達(dá)的感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)提出了相應(yīng)的整改方法，為多普勒天氣雷達(dá)的綜合防雷設(shè)計及施工提供了參考。

新一代天氣雷達(dá)防雷設(shè)計方面的研究很多。中國氣象局已發(fā)布了《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》（QXT2-2016），圖紙根據(jù)規(guī)范進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計。但是針對建設(shè)區(qū)域周邊復(fù)雜的環(huán)境，規(guī)范沒有給出針對性的解決方案，特別針對是周邊具有其他精密儀器、電力設(shè)備、架空線路，且在接地網(wǎng)建設(shè)受限條件下的新一代天氣雷達(dá)防雷方法及對策方面缺少研究。論文以靈璧縣Ⅹ波段雷達(dá)防雷設(shè)計與施工實踐為基礎(chǔ)，充分考慮X波段雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和安裝特點，總結(jié)借鑒其他氣象探測設(shè)備、天氣雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)的防雷實踐經(jīng)驗，參考國家相關(guān)防雷規(guī)范，對靈璧縣X波段雷達(dá)的防雷方法進(jìn)行研究，總結(jié)分析了靈璧縣Ⅹ波段雷達(dá)周邊環(huán)境的復(fù)雜特殊性，從而針對性地提出復(fù)雜周邊環(huán)境下的新一代天氣雷達(dá)防雷方法及應(yīng)對策略，以期為類似特殊環(huán)境下建設(shè)新一代天氣雷達(dá)提供技術(shù)借鑒。

1周邊環(huán)境

靈璧Ⅹ波段雷達(dá)周邊空曠，無高大建筑物且環(huán)境異常復(fù)雜，北側(cè)不足2m距離處建有2.6mx2.4mx3.1m的靈璧縣地震臺站（內(nèi)涵精密監(jiān)測儀器），而東側(cè)鄰近靈璧縣氣象局主樓，建設(shè)區(qū)域狹小，土壤以回填土為主，土壤電阻率大，附近架空電力設(shè)備較多，且鄰近區(qū)域有一臺變壓器設(shè)備，《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》（QX/T2-2016）沒有針對類似復(fù)雜環(huán)境的防雷方案，圖紙設(shè)計對周邊復(fù)雜環(huán)境也考慮不足，給雷達(dá)防雷設(shè)計施工帶來很大難度。

2外部防雷設(shè)計

2.1建筑物防雷類別的確定

靈檗縣氣象局R61（X波段雙偏振雷達(dá)項目由天饋裝置總成安裝平臺、雷達(dá)工作室、雷達(dá)終端室以及北斗授時系統(tǒng)四大部分組成，內(nèi)部含有天饋裝置總成、發(fā)射機(jī)柜、綜合機(jī)柜、終端和配套設(shè)備等重要電子設(shè)備，根據(jù)《建筑物防雷規(guī)范》（GB50057～-2010）和《通訊局（站）防雷和接地工程設(shè)計規(guī)范》（YD5098-2005）相關(guān)規(guī)定，靈璧縣氣象局R61（X波段雙偏振）雷達(dá)建構(gòu)筑物為第二類防雷建筑物。

2.2地網(wǎng)和接地體設(shè)計方案

2.2.1獨立接閃桿設(shè)計依據(jù)國家防雷規(guī)范和相關(guān)技術(shù)文件和國家防雷規(guī)范的要求，本著進(jìn)行全面規(guī)劃，綜合治理，多重保護(hù)，將外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施作為一個整體統(tǒng)一考慮，落實安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工維護(hù)方便的原則。在雷達(dá)陣地設(shè)兩根提前放電高效接閃桿，以保護(hù)天饋裝置總成安裝平臺。

在雷達(dá)非主要觀測方向上布設(shè)4根接閃桿，以保護(hù)天饋裝置總成，雷達(dá)工作室和終端室在保護(hù)范圍內(nèi)最佳。雷達(dá)工作室和終端室的屋面上設(shè)接閃帶防護(hù)，使用建筑物內(nèi)主筋做引下線，每處引下線不少于兩根，建筑物基礎(chǔ)與環(huán)形地網(wǎng)連接組成聯(lián)合接地網(wǎng)。

2.2.1.1接閃桿高度確定

獨立接閃桿的主要作用是支撐保護(hù)天饋裝置總成，保護(hù)天饋裝置總成最高達(dá)8m，寬4.5m。為預(yù)留安全余量，可以將其看作高8m，寬4.5m的方體建構(gòu)筑物進(jìn)行接閃桿高度計算。

根據(jù)公式：

其中，保護(hù)高度應(yīng)高于天饋裝置總成的最高高度的8m，取45m。計算得到接閃桿最低高度，高度最小取9m。

2.2.1.2接閃桿具體結(jié)構(gòu)接閃桿高度為9m，由3節(jié)組裝而成，中間用大小頭連接，接閃桿桿采用材質(zhì)為304不銹鋼管制作，第節(jié)為219×6×3000mm，第二節(jié)為133x6×1300mm，第三節(jié)為80×4x4700mm，接閃桿底部采用定制法蘭與預(yù)留的鋼筋連接做接閃桿基礎(chǔ)，在制作安裝時接閃桿桿與底法蘭連接時用8塊加肋板電焊，增加接閃桿桿與底法蘭的強(qiáng)度。接閃桿接地裝置的優(yōu)劣不僅與接地電阻值有關(guān)，還與接地方式有關(guān)。接閃桿不設(shè)單獨接地，與環(huán)形接地網(wǎng)直接相連接，接地電阻不能滿足要求時可增設(shè)水平接地體或垂直接地體或使用降阻劑。環(huán)形接地方式優(yōu)于獨立式接地方式。

2.2.2屏蔽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為了避免周邊電力電子設(shè)備（靈璧縣地震臺站設(shè)備、變壓器設(shè)備等）對雷達(dá)設(shè)備造成影響，運(yùn)用建筑物結(jié)構(gòu)主筋做引下線的同時，在墻體內(nèi)增設(shè)屏蔽網(wǎng)格，使用熱鍍鋅扁鋼沿建筑物屋檐、屋角鋪設(shè)。

引下線的數(shù)量關(guān)系到反擊電壓的大小，所以引下線的根數(shù)和布置應(yīng)按防雷規(guī)范確定，引下線的根數(shù)以適當(dāng)多些為宜。在屋頂裝設(shè)避雷網(wǎng)應(yīng)與引下線連接成網(wǎng)，利用雷電流的分流，以減少整體防雷引下線的電感。接閃桿的引下線利用主鋼筋。焊接點按規(guī)范要求制作并在適當(dāng)位置設(shè)置檢測點。

2.2.3地網(wǎng)結(jié)構(gòu)項目采用聯(lián)合接地體，環(huán)形接地的沖擊阻抗小于獨立式接地的阻抗，并有利于改善建筑物內(nèi)

的地電位分布，減少跨步電壓。此外，環(huán)形接地便于與各種入戶金屬管道相連，并可利用自然接地體降低綜合的接地電阻。

在主建筑物（雷達(dá)工作室和終端室）周圍設(shè)14m×18m環(huán)形接地網(wǎng)環(huán)形接地體與主建筑物基礎(chǔ)連接點不少于10處（每隔6m連接1次）。參照大型地網(wǎng)接地電阻要求，要求環(huán)形接地體工頻接地電阻不大于0.59為最佳，為提升地網(wǎng)分散雷電流能力，在環(huán)形接地體基礎(chǔ)上增設(shè)輻射水平接地體和垂直接地體防雷和電力設(shè)備接地的目的均以安全為主，其手段是降低接地阻抗和維持等電位。防雷接地的阻抗必須考慮沖擊阻抗，盡量采用環(huán)網(wǎng)的接地形式，凡是能夠與防雷共用接地的電氣設(shè)備均宜直接將兩個系統(tǒng)的接地導(dǎo)體相連，這是維持等電位的最好方法。

地網(wǎng)接地體埋深1m（接地體上端與地面距離）。水平接地體使用熱鍍鋅扁鋼，規(guī)格滿足規(guī)范要求。垂直接地體采用長度不小于2.5m的銅材或銅包鋼，垂直接地體間距滿足規(guī)范要求。每隔6m布設(shè)1處水平接地體和垂直接地體，地網(wǎng)四角應(yīng)布設(shè)垂直接地體。所有接地體使用焊接連接，焊點做防腐處理，銅材處使用熱熔焊。為使接地電阻滿足要求，在地網(wǎng)使用降阻劑和專用銅包鋼降阻棒。

接地引入線不少于兩處，每處長度不超過30m，采用50mmx5mm熱鍍鋅扁鋼引入，出土處采用防機(jī)械損傷處理（熱鍍鋅鋼管保護(hù)），并做防腐。

3內(nèi)部防雷設(shè)計

為了避免周邊電力電子設(shè)備（靈璧縣地震臺站設(shè)備、變壓器設(shè)備等）對雷達(dá)設(shè)備造成影響，內(nèi)部防雷設(shè)計時著重考慮增強(qiáng)屏蔽、做好等電位等手段。

3.1雷電防護(hù)等級的確定

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2004）的規(guī)定，建筑物電子信息系統(tǒng)根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)和價值可分為A-D級，雷達(dá)站雷

電防護(hù)等級為B級。

3.2雷達(dá)工作室和終端室防雷設(shè)計

3.2.1室內(nèi)等電位和接地匯集線設(shè)計在室內(nèi)雷達(dá)工作室和終端室機(jī)房防靜電地板下均設(shè)等電位匯流排（LEB），采用網(wǎng)狀-星形混合型接地結(jié)構(gòu)。等電位匯流排（LEB）與主樓基礎(chǔ)可靠連接（利用預(yù)留接地端子），每個匯流排連接點不少于4處為提高抗干擾能力，2個匯流排之間應(yīng)可靠連接，連接點不少于2處。接地匯集線采用銅排根據(jù)機(jī)房內(nèi)設(shè)備分布分層設(shè)置，截面積不小于300mm3。

3.2.2設(shè)備接地線設(shè)計各類接地線應(yīng)根據(jù)最大故障電流確定，并考慮機(jī)械強(qiáng)度。機(jī)房重要設(shè)備接地線采用截面積不小于35mm2的多股銅芯線，一般設(shè)備采用截面積不小于16mm2的多股銅芯線;當(dāng)長度較長時，截面積不小于35mm2。機(jī)架內(nèi)的小型設(shè)備，接地線采用不小于16mm2的多股銅芯線首先連接至機(jī)架的匯流排后，機(jī)架采用小于35mm2多股銅芯線與機(jī)房匯流排連接。

3.2.3其他設(shè)計機(jī)房內(nèi)金屬管道應(yīng)兩端可靠接地，其他金屬構(gòu)件均就近接地。電纜橋架可靠接地，自身節(jié)與節(jié)之間保持電氣連通。進(jìn)入戶內(nèi)的電纜采用金屬鎧裝電纜，如未采用須做屏蔽防護(hù)。

3.3電源系統(tǒng)的保護(hù)

根據(jù)《雷電電磁脈沖的防護(hù)》（IEC61312）、《電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-93）、《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）、《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB50054-95）、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2004）及《通訊站防雷和接地工程設(shè)計規(guī)范》（YD5098）中防雷及過電壓規(guī)范有關(guān)防雷分區(qū)的劉分和各級電源系統(tǒng)雷電及過電壓保護(hù)要求，根據(jù)電源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點，對電源系統(tǒng)做三級保護(hù)。如果只做單級防雷，可能會帶來因雷電流過大而導(dǎo)致的泄流后殘壓過大破壞設(shè)備或者保護(hù)能力不足引起設(shè)備損壞。電源系統(tǒng)三級保護(hù)，可防范從直擊雷到工業(yè)電涌的各級過電壓的侵襲。

4雷達(dá)樓旁邊臺式變壓器設(shè)備改成地面箱式變壓器

因為箱式變壓器能夠降低原來臺式變壓器的高度，減少高壓電纜長度，從而進(jìn)一步降低雷擊的風(fēng)險，并且其內(nèi)部構(gòu)造安排較為合理，所以，占用的空間較小，也容易與雷達(dá)樓的自然環(huán)境相融合。

5結(jié)束語

本研究根據(jù)靈璧縣Ⅹ波段雷達(dá)自身特點，總結(jié)分析了靈璧縣Ⅹ波段雷達(dá)周邊環(huán)境的復(fù)雜特殊性，對外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)進(jìn)行綜合防雷設(shè)計，并遵循內(nèi)外防雷相互影響盡量小的原則。根據(jù)當(dāng)?shù)乩妆┤涨闆r，雷達(dá)的防雷類別為第二類。重點應(yīng)對鄰近建筑物及電力設(shè)施的影響，通過共用接地、屏蔽、增補(bǔ)接地、降低土壤電阻率等綜合手段，提出復(fù)雜周邊環(huán)境下的新一代天氣雷達(dá)防雷方法及應(yīng)對策略。目前雷達(dá)防雷工程施工已經(jīng)完成，各項指標(biāo)均達(dá)驗收要求。

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責(zé)任編輯：黃艷飛