復雜周邊環境下的新一代天氣雷達防雷研究與設計

歐林忠 孫錄貴 陳偉

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

關鍵詞 復雜周邊環境;綜合防雷方法;Ⅹ波段天氣雷達

中圖分類號：P415.2

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3305（2021）02-061-03

Ⅹ波段雙極化相控陣天氣雷達既具有相控陣雷達快速掃描特點，又擁有雙偏振雷達精確極化探測能力的優勢，為極端天氣預警預報研究等氣象業務提供了高時空分辨率的雷達監測數據，是提升區域氣象防災減災能力的重要設備。因此常常需要在雷電災害性天氣時保持運行，極易遭受雷擊。新代天氣雷達建設具有一次性建設投入大、遭受雷擊易損等特點，其防雷工程設計施工的可靠性不僅影響著雷達的安全及正常運行，還關系著雷達站內工作人員的人身安全，其防雷工程設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的結構和安裝特點進行防雷設計，在總結了氣象探測設備特別是新一代天氣雷達以及風廓線雷達的防雷實踐經驗基礎上，對X波段雙極化相控陣天氣雷達的防雷進行設計和應用。夏亮等針對雷達站電源系統的防雷問題，采用三級涌保護器防護加隔離變壓器的綜合防護系統進行防護，并對防雷系統進行了建模仿真和實際測試，明確了防雷系統的可靠性。黃雷等通過對肇慶多普勒天氣雷達站防雷現狀的了解和分析，結合現場情況對肇慶多普勒天氣雷達的感應雷防護系統提出了相應的整改方法，為多普勒天氣雷達的綜合防雷設計及施工提供了參考。

新一代天氣雷達防雷設計方面的研究很多。中國氣象局已發布了《新一代天氣雷達站防雷技術規范》（QXT2-2016），圖紙根據規范進行了相應的設計。但是針對建設區域周邊復雜的環境，規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、電力設備、架空線路，且在接地網建設受限條件下的新一代天氣雷達防雷方法及對策方面缺少研究。論文以靈璧縣Ⅹ波段雷達防雷設計與施工實踐為基礎，充分考慮X波段雷達的結構和安裝特點，總結借鑒其他氣象探測設備、天氣雷達和風廓線雷達的防雷實踐經驗，參考國家相關防雷規范，對靈璧縣X波段雷達的防雷方法進行研究，總結分析了靈璧縣Ⅹ波段雷達周邊環境的復雜特殊性，從而針對性地提出復雜周邊環境下的新一代天氣雷達防雷方法及應對策略，以期為類似特殊環境下建設新一代天氣雷達提供技術借鑒。

1周邊環境

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

2外部防雷設計

2.1建筑物防雷類別的確定

靈檗縣氣象局R61（X波段雙偏振雷達項目由天饋裝置總成安裝平臺、雷達工作室、雷達終端室以及北斗授時系統四大部分組成，內部含有天饋裝置總成、發射機柜、綜合機柜、終端和配套設備等重要電子設備，根據《建筑物防雷規范》（GB50057～-2010）和《通訊局（站）防雷和接地工程設計規范》（YD5098-2005）相關規定，靈璧縣氣象局R61（X波段雙偏振）雷達建構筑物為第二類防雷建筑物。

2.2地網和接地體設計方案

2.2.1獨立接閃桿設計依據國家防雷規范和相關技術文件和國家防雷規范的要求，本著進行全面規劃，綜合治理，多重保護，將外部防雷措施和內部防雷措施作為一個整體統一考慮，落實安全可靠、技術先進、經濟合理、施工維護方便的原則。在雷達陣地設兩根提前放電高效接閃桿，以保護天饋裝置總成安裝平臺。

在雷達非主要觀測方向上布設4根接閃桿，以保護天饋裝置總成，雷達工作室和終端室在保護范圍內最佳。雷達工作室和終端室的屋面上設接閃帶防護，使用建筑物內主筋做引下線，每處引下線不少于兩根，建筑物基礎與環形地網連接組成聯合接地網。

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天饋裝置總成，保護天饋裝置總成最高達8m，寬4.5m。為預留安全余量，可以將其看作高8m，寬4.5m的方體建構筑物進行接閃桿高度計算。

根據公式：

其中，保護高度應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接閃桿具體結構接閃桿高度為9m，由3節組裝而成，中間用大小頭連接，接閃桿桿采用材質為304不銹鋼管制作，第節為219×6×3000mm，第二節為133x6×1300mm，第三節為80×4x4700mm，接閃桿底部采用定制法蘭與預留的鋼筋連接做接閃桿基礎，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度。接閃桿接地裝置的優劣不僅與接地電阻值有關，還與接地方式有關。接閃桿不設單獨接地，與環形接地網直接相連接，接地電阻不能滿足要求時可增設水平接地體或垂直接地體或使用降阻劑。環形接地方式優于獨立式接地方式。

2.2.2屏蔽網格結構為了避免周邊電力電子設備（靈璧縣地震臺站設備、變壓器設備等）對雷達設備造成影響，運用建筑物結構主筋做引下線的同時，在墻體內增設屏蔽網格，使用熱鍍鋅扁鋼沿建筑物屋檐、屋角鋪設。

引下線的數量關系到反擊電壓的大小，所以引下線的根數和布置應按防雷規范確定，引下線的根數以適當多些為宜。在屋頂裝設避雷網應與引下線連接成網，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。焊接點按規范要求制作并在適當位置設置檢測點。

2.2.3地網結構項目采用聯合接地體，環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

的地電位分布，減少跨步電壓。此外，環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（雷達工作室和終端室）周圍設14m×18m環形接地網環形接地體與主建筑物基礎連接點不少于10處（每隔6m連接1次）。參照大型地網接地電阻要求，要求環形接地體工頻接地電阻不大于0.59為最佳，為提升地網分散雷電流能力，在環形接地體基礎上增設輻射水平接地體和垂直接地體防雷和電力設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，盡量采用環網的接地形式，凡是能夠與防雷共用接地的電氣設備均宜直接將兩個系統的接地導體相連，這是維持等電位的最好方法。

地網接地體埋深1m（接地體上端與地面距離）。水平接地體使用熱鍍鋅扁鋼，規格滿足規范要求。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范要求。每隔6m布設1處水平接地體和垂直接地體，地網四角應布設垂直接地體。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，出土處采用防機械損傷處理（熱鍍鋅鋼管保護），并做防腐。

3內部防雷設計

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

3.1雷電防護等級的確定

根據《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343-2004）的規定，建筑物電子信息系統根據其重要性、使用性質和價值可分為A-D級，雷達站雷

電防護等級為B級。

3.2雷達工作室和終端室防雷設計

3.2.1室內等電位和接地匯集線設計在室內雷達工作室和終端室機房防靜電地板下均設等電位匯流排（LEB），采用網狀-星形混合型接地結構。等電位匯流排（LEB）與主樓基礎可靠連接（利用預留接地端子），每個匯流排連接點不少于4處為提高抗干擾能力，2個匯流排之間應可靠連接，連接點不少于2處。接地匯集線采用銅排根據機房內設備分布分層設置，截面積不小于300mm3。

3.2.2設備接地線設計各類接地線應根據最大故障電流確定，并考慮機械強度。機房重要設備接地線采用截面積不小于35mm2的多股銅芯線，一般設備采用截面積不小于16mm2的多股銅芯線;當長度較長時，截面積不小于35mm2。機架內的小型設備，接地線采用不小于16mm2的多股銅芯線首先連接至機架的匯流排后，機架采用小于35mm2多股銅芯線與機房匯流排連接。

3.2.3其他設計機房內金屬管道應兩端可靠接地，其他金屬構件均就近接地。電纜橋架可靠接地，自身節與節之間保持電氣連通。進入戶內的電纜采用金屬鎧裝電纜，如未采用須做屏蔽防護。

3.3電源系統的保護

根據《雷電電磁脈沖的防護》（IEC61312）、《電子計算機機房設計規范》（GB50174-93）、《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）、《低壓配電設計規范》（GB50054-95）、《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343-2004）及《通訊站防雷和接地工程設計規范》（YD5098）中防雷及過電壓規范有關防雷分區的劉分和各級電源系統雷電及過電壓保護要求，根據電源系統、監控系統與網絡系統的特點，對電源系統做三級保護。如果只做單級防雷，可能會帶來因雷電流過大而導致的泄流后殘壓過大破壞設備或者保護能力不足引起設備損壞。電源系統三級保護，可防范從直擊雷到工業電涌的各級過電壓的侵襲。

4雷達樓旁邊臺式變壓器設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，從而進一步降低雷擊的風險，并且其內部構造安排較為合理，所以，占用的空間較小，也容易與雷達樓的自然環境相融合。

5結束語

本研究根據靈璧縣Ⅹ波段雷達自身特點，總結分析了靈璧縣Ⅹ波段雷達周邊環境的復雜特殊性，對外部防雷系統和內部防雷系統進行綜合防雷設計，并遵循內外防雷相互影響盡量小的原則。根據當地雷暴日情況，雷達的防雷類別為第二類。重點應對鄰近建筑物及電力設施的影響，通過共用接地、屏蔽、增補接地、降低土壤電阻率等綜合手段，提出復雜周邊環境下的新一代天氣雷達防雷方法及應對策略。目前雷達防雷工程施工已經完成，各項指標均達驗收要求。

參考文獻

[1]陳景榮，李文飛，黃春生.X波段雙極化相控陣天氣雷達的防雷設計[J].氣象水文海洋儀器，2020，37（4）：50-54.

[2]夏亮，楊江平，鄧斌，等，雷達站電源綜合防雷系統研究與設計[J].電力系統保護與控制，2019，47（16）：143-150

[3]黃雷，梁裕昌，姚登鑫，肇慶國家天氣雷達站塔樓綜合防雷整改應用[J]氣象水文海洋儀器，2020，37（4）：66-69

責任編輯：黃艷飛