山地機場雷電災害風險分析與防護
——以貴陽龍洞堡機場為例

李連偉，劉 波

(1.中國民用航空西南地區空中交通管理局貴州分局，貴州 貴陽 550002;2.貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550081)

1 引言

機場航站樓是整個機場人流量最大，人員最密集的場所，且航站樓內的各種弱電系統(包括通信和信號設備、供電系統、其它控制系統)密集分布，智能化程度非常高。雷電會造成建筑物損壞，其中包括航站樓群，指揮塔臺、油庫等引發的重大人員傷亡和經濟損失，同時，雷電還會造成電器設備的損壞，其中包括供電線路、導航儀器、監控設備、通訊設施等電路系統的中斷及癱瘓，嚴重影響航空安全。因此，基于航空安全的雷電防護與防御非常重要。

貴州省地處云貴高原東段，由于特殊的地形地貌及氣候特點，造成雷電活動頻繁、雷電災害嚴重。貴陽龍洞堡國際機場所處位置屬群山環抱的丘陵地區，屬典型高原山地機場，地勢比較開闊，地形相對平緩，機場標高1 138.89 m。在機場建設中，大面積采用開山大石塊填料，填筑厚度達到50 m，在國內外實屬罕見。土壤電阻率測試儀現場測量其平均土壤電阻率高達3 000 Ω·m。

近年來，貴陽市龍洞堡機場時常遭受雷擊災害，其管制系統、多普勒雷達系統、導航臺、供配電設備等常遭受損毀。據不完全統計統計，近5 a來龍洞堡機場遭受的各種大小雷擊事故達7起，造成了極大的航空安全隱患。

機場雷擊事故易發頻發，做好機場的雷電防護工作，保障航空安全責任重大，意義重大。目前國內外對于機場雷電防護方面的研究，主要集中于降低接地電阻等工程性措施，其它方向的研究較少。本文采用目前先進的接地與電磁分析軟件(CDEGS軟件)，分析了貴陽龍洞堡機場的雷電環境、土壤泄流性能以及雷電災害風險，并基于此提出機場的雷電災害防護的重點，為減少或避免機場的雷電災害風險，科學指導機場的防雷設計具有一定的指導意義。

2 機場雷電環境及其土壤泄流性能分析

本文對貴陽龍洞堡機場所處位置的土壤結構、雷電資料進行分析，基于此得到機場的雷電環境以及土壤的泄流性能，為機場雷電災害風險分析提供了科學依據。

2.1 雷電環境

據貴州省閃電監測網數據統計，貴陽市地閃密度為4.1次/(km2·a)(圖1)，平均地閃強度38.09 kA，最大地閃強度244.47 kA，其中地閃強度0～20 kA發生概率為40.24%，占比4成以上；地閃主要發生在4—9月，發生概率為92.50%；91.90%的地閃發生在14—03時， 04—13時地閃相對較少。

貴陽龍洞堡機場中心位置(以5 km、3 km、1 km為半徑范圍內)地閃密度分別為5.2次/(km2·a)、5.1次/(km2·a)、5.1次/(km2·a)。綜合考慮各方因素，本文最后采用5 km半徑范圍內的地閃密度，即5.2次/(km2·a)進行機場雷電災害風險的分析。

2.2 土壤泄流性能

影響接地電阻大小的因素很多，但土壤電阻率是最直接和最重要的因素。土壤電阻率的大小直接影響到到雷擊時雷電流的泄流性能。利用土壤電阻率測試儀器(SYSCAL Junior)。加密測量了貴陽龍洞堡機場所處位置的土壤電阻率，并進行了加權平均，測量方法為國際通用的文納四極法，測量時電極間距的最大值為29 m，測量數據見表1。最后利用接地與電磁環境分析軟件(CDEGS軟件)的REASP模塊，反演數據模型，得到圖1所示的兩層水平土壤結構。

表1 文納四極法測得的土壤電阻率Tab.1 Soil Resistivity measured by the Wenner four

如圖1所示，貴陽龍洞堡機場所處位置的土壤擬合模型，最佳為兩層水平結構，第1層(0.00～3.34 m)，平均土壤電阻率值132.85 Ω·m；第2層(3.34～29.00 m)，平均土壤電阻率值1 958.36 Ω·m。分層擬合結果：土壤反射系數0.005，均方根誤差7.22%。

根據圖1土壤分層結構模型顯示，該航站樓所處位置屬高土壤電阻率區域，不利于雷電流泄放。將分層模型與地勘資料進行比較，發現吻合度較好。

地勘資料：場地位于龍洞堡向斜西翼，地表多為第四系填土層，局部基巖裸露，填土回填時間長短不一，局部回填邊坡部位有小規模松動塊石零星分布，基巖為三疊系下統安順組(T1a)白云巖，傾角12°。

圖1 機場航站樓所處區域土壤結構分層模型Fig.1 The stratification model of the soil structure in the airport terminal

場地地層由碎石土、素填土、紅粘土及下伏基巖組成，細分如下：

碎石土(Qml)：灰黃色，由碎石夾可塑紅粘土組成，呈棱角形，粒徑為 30×20～200×120 mm，場地內均有分布。

素填土( Qml)：褐黃色，由粘土夾少量碎石、塊石等組成，土厚 0.60～18.50 m。這部分土層分布較少。

紅粘土(Qel)：褐黃色，稍濕。厚 0.80～6.00 m。紅粘土分布較少，厚度不均，其土壤電阻率在300 Ω·m左右。

基巖( T1a)：場地基巖巖性為三疊系安順組中厚層白云巖，零星出露地面，較硬巖,巖體較破碎，這一土層土壤電阻率很高。

3 雷電災害風險計算與分析

3.1 雷電災害風險計算

本論文對機場航站樓和其相關的配套設施的雷電災害風險進行了計算，主要參數包括機場所屬區域的土壤電阻率、雷電活動主要特征、屏蔽網格尺寸、航站樓內部電磁場強度、航站樓接地電阻、電子信息系統、SPD標稱放電電流、雷電防護等級等等。主要依據的技術規范包括《貴州省雷電災害風險評估技術》(DB52/T 805-2013)、《雷電災害風險評估技術規范》(QX/T 85-2007)等。由于文章篇幅有限，僅列出該機場航站樓進行雷電災害風險計算的相關參數(表2)。

表2 航站樓參數取值表Tab.2 Parameter value table of terminal building

經過計算，航站樓及相關配套設施的雷電災害風險見表3。

表3 各區域人員雷電災害風險值Tab.3 Risk values of lightning disasters in each region

結果表明，航站樓及配套設施的人身傷亡風險超過規定的可容許風險，達不到雷電防護的技術要求，必需采取一定的防雷措施以降低其雷電災害風險。根據表3分析，風險主要來源于各種線路(含電源和信號線路)，需加強雷電波侵入、雷電電磁感應方面的防護，通過采取下面的措施降低雷電災害風險。

3.2 雷電對機場的影響

根據貴陽龍洞堡機場的雷電災害風險分析，結合多次機場發生雷災的案例分析，雷電對機場的影響主要包括以下幾個方面。

①機場跑道受雷擊易形成雷擊坑，影響航班安全起降。

②雷擊電火花造成油庫起火，甚至引發爆炸，造成巨大人員傷亡和財產損失。

③當雷擊航站樓及導航塔時，由于雷電流泄流入地造成的電位梯度過大，可造成處于其中或附近的人員因跨步電壓傷亡。

④雷電直擊機場供電線路上，雷電流經供電線路進入供電設備，造成供電設備損壞，從而引發停電。

⑤雷電流散流泄放時因電阻和電感的電位降，可造成高電位在水平布設的電源線路和信號線路上產生過電壓，進而損壞設備端口，還可能因反擊造成傷亡事故。

3.3 降低風險的措施

根據前文分析，貴陽龍洞堡機場防雷措施應在施工圖設計階段作進一步完善，并滿足以下要求：

①航站樓、航空油庫、地面加油站、變電站均應按第二類防雷建筑物設計。其中，航空油庫、地面加油站應做好防靜電措施。消防綜合樓、辦公及信息中心、貨運區建筑物、車庫等建構筑物可按第三類防雷建筑物設計。同時，第二類、第三類防雷建筑物首次雷擊電流參數應分別按不低于200 kA、150 kA的參數進行設計。

②在總變配電室變壓配電器低壓側安裝電涌保護器，通流量不低于60 kA(波形8/20 μs)。對于第二類防雷建筑物，在入戶處分配電柜(箱)安裝一級電涌保護器，低壓配電系統安裝多級SPD保護，第一級安裝通流容量不小于15 kA(10/350 )或60 kA(8/20 )，第二級安裝通流容量不小于30 kA(8/20 )，第三級安裝通流容量不小于15kA(8/20 )，第四級安裝通流容量不小于10 kA(8/20 )。對于第三類防雷建筑物，在入戶處分配電柜(箱)安裝一級電涌保護器，低壓配電系統安裝多級SPD保護，第一級：安裝通流容量不應小于15 kA(10/350 )或60 kA(8/20 )，第二級：安裝通流容量不應小于40 kA(8/20 )，第三級：安裝通流容量不應小于20 kA(8/20 )，第四級：安裝通流容量不應小于10 kA(8/20 )。

③機場調度通信、信息管理集成的雷電防護等級按A級設計，安防監控、泊位引導的雷電防護等級按B級設計，航班信息及值機引導、安檢系統的雷電防護等級按C級設計，樓宇控制、廣播及內部通信的雷電防護等級按D級設計。

④航站樓、信息中心等，應在放置靈敏設備的機房、控制室、電氣室采取屏蔽措施，若屏蔽網格尺寸為0.1 m×0.1 m，設備擺放距墻壁不小于0.5 m；若屏蔽網格尺寸為0.2 m×0.2 m時，設備擺放距墻壁不小于1.0 m，以達到電子信息設備可承受的磁場強度范圍。

⑤機場航站樓的導航和通信以及計算機網絡系統等，應采用聯合接地方式，接地電阻值應不超過4.0 Ω。此外，總配電接地，還需滿足《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)電力行業標準規定。

此外，還可以采取其它非直接性措施來采取防護，如：安裝雷電預警系統，此系統可以探測大氣電場強度的變化，并能探測到雷暴來臨的方向。在雷暴來臨時，能自動控制場內的供電系統，把市電供電轉換為UPS供電(交流電轉為直流電)，能有效避免雷電波從供電線路侵入。在大氣電場發生改變，雷暴逐漸消散之后，該系統能自動把UPS供電轉換為市電供電。雷電預警系統不僅能有效的保護到跑道內的氣象設備，還可以保護到油庫等易燃易爆場所。對機場附近的設備也能起到有效的預警作用。

通過采用上文所述的方法和措施，再對表2中各區域的雷電災害風險值進行計算，結果表明，各區域的雷電災害風險均在可容許范圍之內。

3.4 雷電防護重點

機場是一個復雜的空中及地面交通運輸綜合體，場內設施功能復雜，雷電防護尤為重要，特別是機場的航管(通信、導航)工程、航站樓及電子信息系統、供油工程、變電站等是雷電防護的重點。需做好整個機場附近建筑、設施、線路、金屬護欄的雷電防護措施。站前外廣場也應當考慮工程型或非工程性雷電防護措施。

4 小結

本文采用氣象歷史雷電觀測資料、現場勘測的機場航站樓土壤電阻率數據、項目相關建設資料等，分析該機場所處區域的雷電環境，并模擬土壤分層結構和分析了其泄流性能，以此為依據，結合機場的場址情況、地形地貌、航站樓的相關性能參數等，計算了貴陽龍洞堡機場的雷電災害風險，并分析機場雷電災害風險高的具體原因，提出了降低其風險的具體措施。針對采取的措施驗證風險是否滿足標準的要求，指出了機場雷電災害防護的重點。本文為減少或避免高原山地機場雷電災害風險，科學指導機場的防雷設計具有一定指導意義。

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