淺談威海市新一代天氣雷達站的雷電防護措施

宮翠鳳 宮新春

摘要 根據威海市新一代天氣雷達站的地理、土質、氣象等自然環境的特點，確定雷達站防雷等級，闡述了雷達站在設計和施工中，針對雷電各種危害途徑所采取的防護措施。

關鍵詞 天氣雷達;防雷設計;接閃器;接地;雷擊電磁脈沖

中圖分類號：P415.2;TM862 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）06-055-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.020

Discussion on Lightning Protection of New Generation Weather Radar Station in Weihai City

GONG Cui-fenget al（Weihai Meteorological Bureau， Weihai， Shandong264200）

Abstract According to the geographical，soil and meteorological characteristics of new generation weather radar station in Weihi City，the lightning protection level of radar station was determined. This paper expounded the specific protection measures adopted in the design and construction of radar station aiming at various hazards of lightning.

Key words Weather radar;Lightning protection design; Flash receiver;Grounding; Lightning electromagnetic pulse

由于新一代天氣雷達設備比較貴重，微電子設備較多，具有靈敏度高、耐壓低的特點，加之雷達樓主體較高，周圍較空曠，使得雷達設備防直擊雷和防雷電電磁脈沖的抗干擾性能往往達不到要求，導致雷達設備性能下降甚至損壞。依據國家相關規范標準和氣象行業標準QX2-2000《新一代天氣雷達站防雷技術規范》，結合威海新一代天氣雷達站的周邊環境，對雷達站的綜合防雷措施進行了詳實、細致的論述，以期減少雷電災害，保證雷達系統正常工作。

1 威海新一代天氣雷達站自然環境

1.1 地形概況

威海新一代天氣雷達站位于榮成市岳西莊北崗（122°22′39.29″E，37°09′00.4″N），海拔76 m，距離威海市氣象局41 km，地勢開闊，四周空曠。

1.2 地質及土壤概況

根據地質勘察報告，雷達站場地所處地貌為剝蝕丘陵，地勢東高西低，勘察前進行了平整。雷達站場地的土質由3部分組成：最上層為整平場地時的回填土，主要由沙土和碎石組成，分布在場地西部，厚度0.5～2.7 m;中層為耕土，主要由沙土及少量黏土組成，分布在場地西部，平均厚度1.3 m，平均埋深2.35 m;最下層為全風化片麻巖，風化強烈，主要成分是長石和云母，平均厚度1.8 m，平均埋深4.27 m。

場地所處區域地下水貧乏且分布不均，土壤電阻率高且差異明顯，實測場地西側地表土壤電阻率平均值為149.6 Ω·m，東側平均值為869.4 Ω·m。

1.3 氣候狀況

威海市屬于北溫帶季風型大陸性氣候，四季變化和季風都較明顯。威海瀕臨黃海，受海洋的調節作用，又具有大風多、濕度大等海洋性氣候特點。

根據1970—2010年氣象資料統計，威海市平均氣溫11.9℃，最高氣溫38.4℃（環翠區），最低氣溫-22.2℃（文登），平均年降水量730.2 mm，平均年日照時數2 538.2 h。威海年均暴雨日數為2.3 d，年均大風日數為73 d，年均雷暴日數為18.5 d。

2 威海新一代天氣雷達站防雷類別和防雷等級的確定

2.1 雷達樓年預計雷擊次數

雷達樓的年預計雷擊次數的計算公式：

N=kNgAe（1）

式中，N為建筑物年預計雷擊次數（次/年）;k為校正系數，雷達樓屬于曠野孤立建筑物，k取2.0;Ng為建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度[次/（km2·年）]，其計算公式為：

Ng=0.1Ta（2）

式中，Ta為年平均雷暴日（18.5 d/年）;Ae為建筑物的等效面積（km2），威海市雷達樓為圓形，其等效面積Ae的計算公式為：

Ae=π×（D+R）2×10-6（3）

式中，R為雷達樓半徑（16 m）;D 為建筑物半徑的擴大寬度（m），其計算公式為：

D=（4）

式中，H為雷達樓高度（50.6 m）。

將上述數據代入式（1），計算得出N=0.123 2次/年。

2.2 防雷類別和防雷等級

雷達樓年預計雷擊次數為0.123 2次/年，大于0.05次/年，考慮到新一代天氣雷達設備貴重，弱電設備較多，雷達樓的防雷保護按二類防雷建筑物、二等防雷雷達站設計。防雷設施的施工、SPD的選型及安裝位置嚴格按防雷類別和防雷等級進行確定。

3 威海新一代天氣雷達站防雷設計方案

3.1 直擊雷防護措施

為保護雷達天線免受直擊雷破壞，在安裝雷達天線基座屋面安裝正方形排列的4根接閃桿。為減輕反擊和避免天線進入雷擊電流的強磁場，接閃桿與罩體外緣最近距離為3 m。

用滾球法計算接閃桿長度，計算公式為：

h0=+h-hr（5）

式中，h0為保護范圍最低點的高度（天線罩直徑12 m+天線罩支撐架高度1.25 m+安全裕量1 m，即14.25 m）;d為對角接閃桿間水平距離（按規范要求，接閃桿與被保護物間最小安全距離為3 m，天線罩直徑為12 m，即18 m）;hr 為滾球半徑（取45 m）;h為接閃桿高度。

將上述數據代入式（5），計算得出h=15.15 m。

為安全可靠，接閃桿實際架設高度設計為16 m。頂端針型接閃器采用PDA PIX3-60法國進口接閃桿，長度為0.44 m。針以下部分采用高強度玻璃鋼管作為支撐桿，內用截面積為35 mm2的多股銅線實現頂端接閃器與焊接底板的電氣連接。

沿樓頂平臺女兒墻用φ10（直徑10 mm）熱鍍鋅圓鋼敷設接閃帶，25 mm×3 mm鍍鋅扁鋼作支撐卡子，間距1 m，高0.15 m，接閃帶與建筑物柱體外側主鋼筋作電氣連接。

將屋頂層平面混凝土內的鋼筋網在1 m×1 m的鋼筋網格點電焊連接，并就近與屋面構造柱內主鋼筋電焊連接，網格外圍鋼筋分別與四周設置的接閃帶電焊連接作為接閃網，接閃網網格材料為φ8（直徑8 mm）鍍鋅圓鋼和40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼。

3.2 側擊雷防護措施

雷達樓從首層起以建筑物圈梁作為均壓環，圈梁內至少選擇2條對稱主筋在整個樓層范圍內焊接連通，并就近與引下線（建筑物柱體主鋼筋）焊接連通。所有外墻上的孔、洞兩側對稱預留2個接地點，外墻無孔、洞處，按間距2 m預留接地點，以供玻璃幕墻、金屬框等就近與均壓環鏈接。

3.3 引下線設計

利用雷達樓每個構造柱內至少2根以上φ16（直徑16 mm）主鋼筋自下而上電焊連通作為引下線。防雷引下線利用外墻構造柱內的主鋼筋，下部與基礎圈梁（承臺）主鋼筋電焊連接，上部與剪力墻上部水平圈梁主鋼筋及接閃帶和接閃桿電焊連接。各樓層及各處均壓等電位連接預留件均從靠近中心的引下線上引出。用作等電位連接的引下線通長焊接，下部與基礎地網靠近中心的主鋼筋焊接。

3.4 地網設計

雷達樓采用共用接地系統，利用基礎接地網作為聯合接地，接地電阻值不大于1Ω。

將基礎底板內鋼筋網在不大于3 m×3 m網格交叉點上進行電焊連接，焊接點利用不小于φ10的拐筋焊接，焊接長度不小于鋼筋直徑的10倍，承臺上下部配筋可靠貫通。地網接地極利用雷達樓基礎構造柱（樁基）鋼筋，將樁基的任意2根對稱鋼筋與承臺中的鋼筋網格焊接連通，形成整體接地網，并將構造柱內的主鋼筋與承臺內主筋電焊連接。

在雷達樓地基外圍，以雷達樓中心為圓心，半徑為20 m、25 m處圍繞地基設置環形人工輔助接地網。水平接地體采用95 mm2裸銅絞線，垂直接地體采用φ2 000 mm×2 500 mm的鑄銅棒，垂直接地體間隔5 m。人工接地網埋深1 m，打入長度2.5 m的垂直接地極，人員出入頻繁的地方，網格適當加密。人工接地網接地電阻≤1Ω，并與基礎地網可靠焊接。土壤電阻率較高的地方采用HTJ-01長效降阻劑。同時，在基礎圈梁外側，每隔3～5 m預留1條外引接地線，將人工接地體與預留的外引接地線可靠焊接。

3.5 防感應雷和屏蔽措施

雷達天線接到機房的所有電纜敷設在金屬屏蔽槽（管）內，金屬屏蔽槽（管）和波導管在穿過每一層樓時與該層等電位聯結帶電氣連接。金屬屏蔽槽（管）首尾電氣貫通。雷達天線至機房的電纜線入口處用金屬屏蔽并接地。

雷達主機房設備較多，為防止電磁輻射對人身、設備的危害，雷達機房和控制室的上、下層面樓板及四周墻面的鋼筋適當加密，以滿足電磁環境的安全要求。雷達機房采取4層屏蔽防護：第1層利用保溫層內50 mm×50 mm的金屬網格;第2、3層利用水泥墻內的雙層鋼筋;第4層專門敷設50 mm×50 mm的鍍鋅金屬網格。雷達機房的地面和頂棚同樣采取4層防護：第1層為建筑物外墻200 mm×200 mm的鋼筋;第2、3層為地面及頂棚內200 mm×200 mm的雙層鋼筋;第4層為專門敷設50 mm×50 mm的鍍鋅金屬網格。雷達機房和控制室使用金屬防盜門，窗和孔洞處均設置50 mm×50 mm的金屬防護網，金屬門和防護網均與預留的等電位連接點連接。

為防止雷擊電磁脈沖，雷達機房和控制室設置在從頂層算起3層以下內部的設備和布線距外墻及梁柱1 m以上，以防止強電流產生的感應電壓造成危害。

3.6 等電位連接

防雷器件首先起到的作用是對雷電流的吸收和泄放，同時也是一種等電位連接器，等單位連接在系統防雷中起著非常重要的作用。

將進出雷達樓的各種金屬管道、信號電纜外屏蔽層、電力電纜外鎧均在雷達樓的入口處用等電位卡子連接后與地網連接，配電室內的接地干線亦采用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼與地網相連，構成總等電位聯結。上述可導電部分在穿過雷電防護區的交界處，用40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼連接到等電位連接帶上做局部等電位聯結。同時將設備外露可導電部分、PE線、線纜金屬屏蔽層和防靜電地板等連接到該層等電位連結帶上。

在雷達機房和控制室內，距地30 cm沿墻用30 mm×3 mm銅板敷設環形等電位連結帶，預留等電位連接點6處，每隔5 m進行一次等電位連接。將室內所有微電子設備的金屬外殼、設備的保護地、屏蔽地、直流地、交流地、防靜電接地、線纜的金屬外殼及SPD的接地端均以最短距離分別連接到等電位連結帶上。

3.7 雷擊電磁脈沖防護措施

3.7.1 電源系統的保護 為保證雷達業務的正常運行，采用雙路電源供電，一路來自市電網，另一路來自發電機組。低壓供電選用TN-S接地系統。

為防止雷電波侵入，采用逐級消壓的方式，自變電室至雷達樓供電系統箱安裝3級SPD，重要設備前端電源安裝第4級過電壓防護。

（1）SPD1：選用并聯式DBM1255（4P）電源浪涌保護器2套，分別安裝在雙路電源配電盤。在每條相線和中性線上選用Ⅰ級分類試驗用沖擊電流Iimp通過幅值電流≥50KA的SPD（10/350 μs），主要技術參數見表1。

（2）SPD2：選用并聯式DGM TNS 275（4P）電源浪涌保護器2套，分別在雙路電源配電盤SPD1處并聯安裝。在每條相線和中性線上選用標稱放電電流≥20 KA的SPD（8/20 μs），主要技術參數見表2。

（3）SPD3：選用并聯式DGM TNS CI 275電源浪涌保護器6套，分別安裝在雷達樓的分配電箱內。每條相線和中性線上選用標稱放電電流≥12.5 KA的SPD（8/20 μs），主要技術參數見表3。

（4）SPD4：選用串聯式DRM 2P 255及DRM 4P 255電源浪涌保護器，安裝在設備端直接供電電源線路上。每條相線和中性線上選用標稱放電電流≥3 KA的SPD（8/20 μs），兩者的主要技術參數相同，具體見表4。

3.7.2 信號系統的防雷保護 雷達站通過光纖傳輸數據，為防止雷電波沿著金屬部件引入電子設備，在光纜的終端將光纜內、外皮上的金屬部件直接連接到等電位聯結帶上。進入主機房的電話線穿金屬管屏蔽埋地引入，在接線盒前端安裝信號SPD。在雷達主機房內的重要電子設備入口端安裝相應的信號浪涌保護器，根據接口形式、傳輸速率、特性阻抗、駐波比、插入損耗、頻帶寬度等性能指標確定其具體型號。

4 小結

威海市新一代天氣雷達站2014年竣工，投入使用4年多來，未發生過任何雷擊事故，說明該方案符合現代綜合防雷的基本宗旨。每年雷雨季節前，應對雷達站的所有防雷設施進行年檢。雷雨季節中要加強外觀巡視，發現電源避雷器出現問題需及時處理。

參考文獻

[1] GB50057-2010.建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2] GB50343-2012.建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] GB50174-2008.電子信息系統機房設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

責任編輯：李楊