淺談某無線電監測站雷電防護及監測預警建設

季芬琴　陳霞芳　蔡河章

摘 要：無線電監測站具有相對位置突出、雷擊環境較為惡劣的現狀，為了加強對無線電監測站測向天線及天線塔配套設施的防護，采用“被動防雷接閃”與“主動雷電預警”相結合，硬件防雷裝置與軟件雷電預報預警相配套，當雷電臨近測向天線及天線塔配套設施時，提前預警，并發出警報，通知監測站監控中心采取人工預防措施，提前做好應對措施，可以大大減少無線電監測站的雷電安全隱患。

關鍵詞：無線電監測站；雷電防護；監測預警

1 雷電危害

雷電災害是世界上嚴重的自然災害之一，雷電雖然對維持地球的電磁環境和氮氧化合物合成發揮著重要作用，但它也同時嚴重地威脅著人類生命安全，[1]雷電引起的災害呈現出上升趨勢，已成為威脅人類社會安全最嚴重的自然災害之一。近年來隨著高新技術的快速發展，由于雷電引起的自然災害呈現出逐年上升的趨勢，且電子系統具有低電壓和低功耗等特點，導致雷電災害對建筑物、各種電子設備、機房天線發射系統、人員安全等造成的事故越來越多，損失越來越大。

在雷電的危害方面，直擊雷和雷擊電磁脈沖（LEMP）的侵害渠道是不同的，因此，其防護措施也不相同。但兩者關系密不可分且相輔相成。傳統直擊雷防護措施主要是采用接閃桿、接閃帶（網）等傳統防雷裝置，這些直擊雷防護裝置只能對直擊雷起到有效的防御作用，對通過電源線、信號線、天饋線和室內管道等入侵的閃電電涌則起不到防御作用。這就對雷電防護的設計、施工提出了更高的要求，在設計時應將防雷工程作為一個系統工程來定義，不僅包括直擊雷的防護，還包括等電位連接措施、屏蔽措施、綜合布線、安裝電涌保護器（SPD）、完善合理的接地等組成。

2 無線電監測站現場勘察實況：

⑴無線電監測站位于高山上，所處地勢較高，土壤電阻率較高，主要由測向天線塔和機房大樓等設施組成。由移動公司建設的測向天線塔高約30米，距離機房大樓水平距離約10米，天線塔基礎與機房大樓高度差約4米。

⑵信號饋線為同軸屏蔽線，從鐵塔扶梯固定引下，進入機房，通過專用的信號電涌保護器（SPD）與設備連通；機房所在大樓電源系統采用三相五線制，總配電房位于一樓，電源線從大樓附近的電線桿直接埋地引入，二樓機房的電源線路從一樓總配電房引入；測向天線鐵塔頂測向天線電源供電由機房專用220V電源經走線橋架引至天線鐵塔，再通過天線塔上的直流電源轉換器轉換為48V的直流電供應。

3 存在雷電災害安全隱患

無線電監測站機房及相應建筑物、設備等，雖然有配置一些舊的防雷安全措施，但與現行的國家相關標準規范、當地實際雷擊環境和設備的要求有較大的差距，存在較大雷擊安全隱患。

3.1 塔頂天線饋線系統

⑴天線塔頂部的測向天線上立有一根1米高的接閃短桿，按滾球法計算不能夠有效保護該測向天線。

⑵接閃桿引下線與天線距離不到50cm，接閃桿接閃引下時易對天線系統造成閃電電涌侵入損壞相應設備。

⑶通長天饋線路均未進行屏蔽處理，易感應雷電流造成設備損壞。

⑷鐵塔四個基礎中只有二處有接地并焊接至地網。

3.2 機房供電系統

⑴一層總配電室的配電箱處未安裝Ⅰ級試驗的電涌保護器（SPD）保護，存在閃電電涌侵入的安全隱患。

⑵二層機房分配電處安裝的Ⅱ級試驗電源電涌保護器（SPD）選型不符合相關規范要求，防范效果較差，且布線較凌亂。

3.3 機房綜合等電位處理等

⑴未設置機房設備專用接地匯流排，而是采用室外走線橋架引入的接地排；

⑵設備金屬外殼未進行有效接地，大部份懸空；

⑶進入機房的光纖金屬加強芯或金屬外殼等未在入戶處作等電位連接，機房內機柜、設備機殼、走線架等未作等電位連接，無法達到及時泄流的要求；

⑷監控安防系統的雷電防護措施達不到安全規范要求。

4 雷電防護措施

為了加強對無線電監測站測向天線及天線塔配套設施的防護，采用“被動防雷接閃”與“主動雷電預警”相結合，硬件防雷設施與軟件雷電預報預警相配套，當雷電臨近測向天線及天線塔配套設施時，提前預警，并發出警報，通知監測站監控中心采取人工預防措施，可以大大減輕無線電監測站的雷電安全隱患。

⑴查閱相關氣象、雷電資料，無線電監測站所在地區累計年平均雷暴日數大于49天，屬于高雷區。根據無線電監測站所在位置環境條件、雷電活動規律以及建筑物內設備的重要性和使用性質，按國標GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》的相關規定，無線電監測站可劃分為第二類防雷建筑物。

⑵為了加強對機房及天線接收系統、電源系統以及控制系統等弱電電子設備采取有效實用的防雷保護措施，保障天線信號接收系統的安全運行，減小雷電感應對電子系統設備的影響，采取綜合防雷安全措施，根據環境因素、雷電活動規律、設備所在雷電防護區和系統對雷電電磁脈沖的抗擾度、雷擊事故受損程度以及系統設備的重要性，采取相應的雷電防護，防止或減少雷擊所發生的人身傷亡和財產損失，做到安全可靠、技術先進、經濟合理、全面加強防護。

5 雷電監測預警系統建設

在對無線電監測站綜合防雷裝置進行全面整改，在各防雷裝置整改并經檢測合格后，結合監測站的工作原理及特性，為減少雷電災害事故的產生，建設雷電監測預警系統進行主動式防雷，最大限度保障設備的運行安全。

5.1 雷電監測預警概述

雷電預警是近幾年為了全方位實施雷電安全防護而研究開發的雷電防護新舉措，得到各國雷電研究機構的高度關注。IEC（國際電工委員會）雷電分會（T81）2009年3月在意大利的舉行的年會上，開始關注雷電預警理論研究，并成立專門的分會負責，近幾年取得較快的發展。

5.2 建設雷電預警的必要性

根據現場勘測和無線電監測工作的特殊性，我們認為建立主動雷電預警預報及電源自動控制系統是非常必要的。其主要依據有：

⑴現場雷擊環境惡劣。無線電監測站具有相對位置突出、雷暴日數多、雷擊環境較為惡劣的現狀，加上無線電監測工作的特殊性，要全面達到不遭受任何雷電的襲擊，不管從技術上或經濟上均不可能達到。

⑵雷電被動防護技術的局限性。雷電是一門綜合性的科學，它的產生、發展、移動、消亡具有相當的不確定性，也是國際上研究的重點學科內容之一，按目前現行國際IEC標準和我國國家防雷安全規范要求設計的防雷裝置，不可能百分之百保護建筑物或設備不遭受雷擊，只能盡量減少或避免雷電災害事故的發生。

⑶雷電災害風險概率較大。根據無線電監測站的地理位置，查閱歷史上落雷密度和雷暴日數情況，過去7年間該區域大部分落雷密度大，而且當雷電流小于10.5KA時，按第二類滾球法保護，但是雷電繞擊概率也較大，說明按第二類防雷建筑物防雷保護措施設計仍然存在一定的雷電災害風險。

因此，無線電監測站應該采用“主動防雷設計”與“被動雷電預警”相結合，在做好現有場所的雷電安全防護被動防雷的同時，應采用主動雷電防護預警技術，當雷電臨近監測站時，提前預警，并發出警報，采取自動控制系統切斷電源，在雷電危險期間停止無線電的監測，減少雷擊概率，待雷電過程結束后，再自動恢復供電，可以大大減少雷擊設備事故的發生。

6 雷電監測預警系統建設內容

無線電監測站建設一套由福建省防雷中心與南京信息工程大學共同研制開發的《福建省雷電監測預警系統》用戶子系統，該子系統與福建省防雷中心的“福建省雷電監測預警系統”通過網絡實現有效連通，系統采用國內先進的大氣電場監測儀、多普勒雷達回波、閃電定位資料和衛星云圖資料，結合附近站點天氣狀況，進行綜合分析處理，組成的高智能的雷電預警預報系統，在此基礎上實現對各監測站工作電源系統的自動控制，加上監測站已按國家防雷規范完成的合格防雷裝置，能最大限度地減少雷擊事故的發生。該系統包括以下內容：

6.1 大氣電場探測儀安裝

在無線電監測站屋頂平臺安裝一臺大氣電場監測儀，監測單點大氣電場的變化，并通過無線或有線網絡發送至福建省防雷中心《福建省雷電監測預警系統》、安裝在無線電監測站機房的雷電預警子系統及電源自動切換控制系統，一個大氣電場儀探測半徑為10公里。

6.2 雷電預警客戶終端服務系統安裝

在無線電監測站機房內安裝一套《福建省雷電監測預警系統》客戶終端服務系統，通過網絡與福建省防雷中心《福建省雷電監測預警總系統》預警平臺聯網，可以實時觀察到監測站雷電發生發展強度、方位、密度、大氣電場等資料及預警信號情況、電源切換情況等。

6.3 各機房電源自動切換系統安裝

根據《福建省雷電監測預警系統泉州無線電預警子系統》的預警指令，隨時啟動或取消各分站電源控制開關，或強行設制手動開關控制電源的開或關，達到主動防范雷電對監測站影響的目的。

6.4 雷電預警總系統資料分析處理

《福建省雷電監測預警系統》實時收集全省境內最新國內大氣電場監測儀、多普勒雷達回波、閃電定位資料和衛星云圖資料，結合附近站點天氣狀況，進行綜合分析處理，發布雷電預警級別，啟動或取消自動控制開關，達到主動防雷的目的。相關工作原理見圖一。

7 結束語

無線電監測站雷電監測預警系統的建設，是“主動防雷設計”與“被動雷電預警”相結合防雷新途徑的一次探索和驗證，能為無線電監測站提供雷電安全保障服務，較好的解決雷電災害超前預警預報的問題，最大限度的減少雷電災害事故的發生，提高無線電監測站雷電災害整體防御水平。

[參考文獻]

[1]吳立軍，等.張家港地區雷電分布特征分析[J].《中國電子商情》，22，2010.

[2]建筑物防雷設計規范[M]，GB 50057-2010.中華人民共和國住房和城鄉建設部.