新一代天氣雷達(dá)信息大樓防雷技術(shù)分析

吳從權(quán)

（江門市氣象局，廣東江門 529000）

雷電是發(fā)生在雷雨云中、云際或云地間的電學(xué)現(xiàn)象，具有電壓高、電流強(qiáng)、變化劇烈的特點(diǎn)，雷電對人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大威脅［1］。雷電流產(chǎn)生的巨大破壞力和很強(qiáng)的電磁干擾作用，對電子設(shè)備危害大，美國通用研究公司R.D希爾仿真實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，當(dāng)雷擊電磁磁場強(qiáng)度達(dá)到5.57 A/m時，會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動作；超過191 A/m時，計(jì)算機(jī)將永久損壞［2］。信息系統(tǒng)建筑物防雷工程是一個系統(tǒng)工程，雷達(dá)信息處理中心大樓擔(dān)負(fù)著雷達(dá)氣象探測數(shù)據(jù)處理，氣候資源信息利用等功能，樓內(nèi)有大量的電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，雷電防護(hù)要求較高，因此大樓需采取綜合雷電防護(hù)措施，從直擊雷防護(hù)到雷電電磁脈沖防護(hù)，從外部防雷到內(nèi)部局部防雷綜合考慮［3］。

1 資料與方法

雷達(dá)信息處理中心大樓位于江門市蓬江區(qū)棋子山山腳，樓高5層20 m，長40 m，寬20 m，其中信息處理機(jī)房位于大樓3層。閃電數(shù)據(jù)來源于廣東省閃電定位系統(tǒng)［4］，該系統(tǒng)是由中國科學(xué)研究院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研究，主要用于監(jiān)測地閃回?fù)舻陌l(fā)生時間、方位、強(qiáng)度、極性和上升時間等，探測半徑≥300 km，探測效率≥80%，時間精度≤10-7s［5］。

本研究所選取雷達(dá)信息處理中心大樓所在地江門市2009—2018年雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料及廣東省閃電定位系統(tǒng)2009—2018年江門地區(qū)的云地閃數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析研究雷達(dá)信息處理中心大樓的雷電活動特征，根據(jù)雷電活動特征探討雷達(dá)信息處理中心大樓的雷電防護(hù)措施。

2 雷達(dá)信息處理中心大樓區(qū)域雷電活動特征

據(jù)江門市2009—2018年雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，雷達(dá)信息處理中心大樓所在區(qū)域年平均雷暴日87 d/年，屬雷暴高發(fā)區(qū)。另外，根據(jù)廣東省閃電定位系統(tǒng)資料統(tǒng)計(jì)可知，雷達(dá)信息處理中心大樓所在區(qū)域10年平均地閃密度Ng=20.85次/（km2·年）［6］。

2.1 區(qū)域范圍內(nèi)10年雷電流幅值概率分布

以雷達(dá)信息處理中心大樓為中心3 km為半徑作圓，統(tǒng)計(jì)得出3 km范圍雷電流累計(jì)概率分布曲線（圖1），其中最大雷電流124.2 kA，平均為25.4 kA，區(qū)域范圍內(nèi)近10年雷電流幅值［5］：1%→118 kA，即雷電流幅值＞118 kA的地閃概率為1%；2%→95 kA，即雷電流幅值＞95 kA的地閃概率為2%；5%→69 kA，即雷電流幅值＞69 kA的地閃概率為5%；10%→55 kA，即雷電流幅值＞55 kA的地閃概率為10%；50%→22 kA，即雷電流幅值＞22 kA的地閃概率為50%。

圖1 雷電流累積概率分布曲線

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，99%的雷電流幅值＜118 kA，大雷電流概率較低，50%的雷電流幅值在22～55 kA之間。

2.2 雷電地閃月均分布規(guī)律

統(tǒng)計(jì)雷達(dá)信息處理中心大樓所在區(qū)域3 km半徑范圍內(nèi)10年雷電地閃月均分布（圖略）可知，該區(qū)域3月份開始進(jìn)入雷暴期，4月份雷電活動最為強(qiáng)烈，5—8月份次之，10月份至次年2月份幾乎沒有地閃發(fā)生。

2.3 雷電地閃時段分布

由雷達(dá)信息處理中心大樓所在區(qū)域3 km半徑范圍內(nèi)雷電地閃日均分布（圖2）可見地閃日均活動的規(guī)律：該地域幾乎全天都有地閃活動，10：00—20：00（北京時，下同）為地閃高發(fā)時段，75%以上的地閃發(fā)生在這個時段，其中17：00雷電活動最為強(qiáng)烈［6］。

圖2 雷電日均分布

3 大樓雷電防護(hù)技術(shù)

根據(jù)該區(qū)域3 km范圍內(nèi)雷電活動特征，考慮到雷達(dá)信息處理中心大樓擔(dān)負(fù)著氣象探測數(shù)據(jù)處理等功能，以及室內(nèi)電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要性，大樓雷電防護(hù)須采取整體綜合防護(hù)措施，即從直擊雷防護(hù)到雷電電磁脈沖防護(hù)，從外部防雷到內(nèi)部局部防雷綜合考慮［7］。

3.1 接地裝置

防雷接地系統(tǒng)是防雷裝置的重要組成部分，接地系統(tǒng)主要是向大地泄放雷電流，限制防雷裝置與其連接的金屬物體對地電壓不致過高［5］；接地電阻值越小，散流就越快，被雷擊時高電位保持時間就越短，危險(xiǎn)性也就越小。

經(jīng)測量雷達(dá)信息處理中心大樓的土壤電阻率達(dá)500Ω·m，相對土壤環(huán)境較差，防雷與電氣設(shè)備共用接地裝置，大樓利用建筑物自然接地體與人工接地體相結(jié)合，其中人工接地體敷設(shè)在建筑物四周1.5 m處，深埋0.6 m以上，并添充40 cm長效降阻劑，水平接地體用40 mm×4 mm扁鋼，垂直接地體用∠50×50×5×2000鍍鋅角鋼，每間隔4 m設(shè)一支。

3.2 接閃器

沿天面女兒墻明敷Φ12不銹鋼圓鋼作接閃帶，同層及層間的接閃帶采用Φ12不銹鋼圓鋼焊接連通。陽角裝設(shè)50 cm高Φ16不銹鋼圓鋼短桿。

為防止側(cè)面直接雷擊，從首層起利用建筑物四周圈梁內(nèi)兩條結(jié)構(gòu)主筋通長焊接構(gòu)成均壓環(huán)，外墻金屬門窗、玻璃幕墻與均壓環(huán)等電位連接，玻璃幕墻每隔12 m與均壓環(huán)連接一次，每個金屬門窗的接地點(diǎn)應(yīng)不少于兩處。

3.3 等電位連接

等電位連接是防護(hù)雷電壓反擊的重要措施之一，減少雷電壓在設(shè)備間產(chǎn)生的電位差損失設(shè)備。機(jī)房等電位連接采用S型結(jié)構(gòu)，用25 mm2的銅材料將各局部等電位聯(lián)接端子、各PE線、金屬管道等金屬部件連接到總等電位連接端子上。機(jī)房內(nèi)設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬屏蔽管（槽）及大型金屬物就近與等電位連接［9］。

3.4 屏蔽措施

屏蔽也是減少和防止雷電電磁脈沖干擾的基本措施之一，所有進(jìn)入雷達(dá)信息處理中心大樓的電源線、信號線等線路均應(yīng)采用屏蔽線纜，或采取金屬屏蔽槽埋地敷設(shè)進(jìn)入。

機(jī)房采用Φ8圓鋼設(shè)置成法拉第籠屏蔽網(wǎng)進(jìn)行屏蔽，屏蔽后機(jī)房內(nèi)的安全距離ds/1和電磁強(qiáng)度H1如表1所示。

表1 I0=150 kA、dw=3 m、dr=6 m，wm 頂3層ds/1、H1的值

表1表明，機(jī)房宜采用Φ8設(shè)置1.5 m×1.5 m的法拉第籠網(wǎng)屏蔽，設(shè)備可放置離外墻2.0 m的屏蔽機(jī)房內(nèi)，當(dāng)建筑物屋頂上的任意點(diǎn)受到150 kA的雷擊時，機(jī)房內(nèi)的電磁強(qiáng)度為33.68 A/m，設(shè)備能承受雷電電磁干擾而正常工作。

3.5 雷電電磁脈沖電源系統(tǒng)防護(hù)

1）雷擊電磁脈沖防護(hù)級別劃分。

（1）建筑物預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N=kNgAe［10］，N=N1+N2=42.17次/年。

（3）本信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)等數(shù)判斷，攔截效率E的確定：E=1-Nc/N=1-7.7×10-4/42.17=0.99＞0.98，為A級，本信息系統(tǒng)的低壓電源應(yīng)采用3級的SPD進(jìn)行保護(hù)。

3.6 電源SPD選型及安裝

依據(jù)雷擊電磁脈沖防護(hù)級別判斷結(jié)果，電源系統(tǒng)防雷電電磁脈沖侵入，采取3級電源SPD進(jìn)行分級保護(hù)，進(jìn)行逐級泄流保護(hù)，以降低雷電電磁脈沖侵入損壞計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。電涌保護(hù)器的安裝位置、級數(shù)及其參數(shù)選型詳見表2［11］。

表2 電源系統(tǒng)SPD參數(shù)選型

在選擇SPD的性能參數(shù)時，要充分考慮SPD之間以及SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的能量配合問題。必須充分考慮振蕩現(xiàn)象對SPD保護(hù)距離的影響。振蕩現(xiàn)象會引起被保護(hù)設(shè)備失效，當(dāng)SPD和被保護(hù)設(shè)備之間的距離太長，設(shè)備端產(chǎn)生的振蕩電壓值普遍高至兩倍的Up，在某些情況下，甚至超過這個水平。因此，當(dāng)SPD被用來保護(hù)特定設(shè)備或當(dāng)SPD裝在主配電盤上而不能為某些設(shè)備提供足夠的保護(hù)時，SPD應(yīng)盡可能地靠近被保護(hù)設(shè)備。

3.7 信號線路防護(hù)

信號傳輸全程采用光纖，光端設(shè)備均置于金屬箱內(nèi)，將光端設(shè)備進(jìn)行可靠接地，光纖金屬加強(qiáng)芯、金屬擋潮層等兩端做好電位連接［12］。

4 結(jié)論

1）雷達(dá)信息處理中心大樓所在區(qū)域年平均雷暴日87 d/年；3 km 范圍內(nèi)地閃密度Ng=20.85次/（km2·年），最大雷電流124.2 kA，雷電流幅值位于22～55 kA的地閃概率為50%，平均為25.4 kA；5月份雷電地閃活動最為強(qiáng)烈；日地閃活動10：00—20：00是地閃高發(fā)時段，其中17：00雷電活動最為強(qiáng)烈。

2）防雷接地裝置采用自然接地體和人工接地，設(shè)備與防雷共用接地體，接地電阻不大于1Ω。

3）大樓天面防雷接閃器采取明敷Φ12不銹鋼，側(cè)擊雷防護(hù)從首層起利用建筑物四周圈梁內(nèi)兩條結(jié)構(gòu)主筋通長焊接構(gòu)成均壓環(huán)，外墻金屬門窗、玻璃幕墻與均壓環(huán)等電位連接。

4）大樓內(nèi)信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)級別為A級，采用Φ8圓鋼1.5 m×1.5 m法拉第籠網(wǎng)屏蔽、S型等電位連接、安裝3級電源SPD等防雷措施后，可有效防御雷擊電磁感應(yīng)、地電位反擊、雷電電磁脈沖電涌侵入，保障機(jī)房設(shè)備和系統(tǒng)安全。