多普勒天氣雷達雷電靜電防護的技術路線

摘 要:為解決多普勒雷達在工作中遭受雷電等過電壓的侵害，在對雷達操作和控制系統低電壓工作特性分析的基礎上，提出雷達站雷電和靜電防護的技術路線，從直擊雷防護、設備儀器雷擊防護、機房雷電電磁屏蔽等方面提出了接閃、引下、接地、分流、等電位處理等實際工程的設計方法和具體施工方法，在實踐中得到實施和應用，收到顯著的防護效果。

關鍵詞:多普勒雷達;雷電;防護;技術路線

中圖分類號:TN95文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-186-03

Technical Way of Lightning and Static Electricity Protection for Doppler Radar

LI Ya′nan1，CHEN Shangde1，2，ZHANG Shengcai2，LI Weihong2，LI Weilin2

(1.Institute of Arid Meteorology，C M A，Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province，

Key Open Laboratory of Climatic Change and Disaster Reduction of CMA，Lanzhou，730020，China;

2.Lightning Protect Center of Gansu，Lanzhou，730020，China )

Abstract:In order to solve the Doppler radar suffered against lightning and other over-voltage at work，on the basis of analyzing operational and control system′s low voltage characteristics，the technology of lightning and static elecericity protection of radar station are proposed，and the real construct method for avoiding direct thunder hit and protecting equipment being hit and shielding working chamber.Some design methods are implemented in practice and have protective effect.

Keywords:Doppler-radar;lightning;protection;technical

0 引 言

多普勒天氣雷達又稱新一代天氣雷達，是我國氣象部門最近幾年大量布設組網的一種新型天氣探測設備。多普勒雷達的最大特點是可以探測目標物的徑向運動速度，所以可以比較準確地辨認很多災害性天氣現象，它的布點連網使用為大氣探測研究提供了前所未有的機會。但由于雷達一般處在高山和開闊地帶以及現代信息設施低電壓化的特點，新一代天氣雷達極易遭受雷電和靜電的損壞[1]，這就使得防雷和防靜電成了新一代天氣雷達建設中的突出問題。為此，國內外防雷界人士投入了大量的人力和財力，用以研究和實驗這些新型雷達的雷電和靜電防護。

利用工作的便利條件，在新一代天氣雷達建設的實際工作中，對這一關鍵的問題做了實驗和探討，實踐證明在新一代天氣雷達建設中采用的技術路線是有效的。

1 直擊雷防護的技術路線

1.1 接閃

接閃是防雷的第一道防線，常規的做法是架設避雷針，通過高聳的金屬鐵塔將強大雷電流攔截引入地下。但新一代天氣雷達的特點是工作頻率較高，周圍較大的金屬器件極易對雷達信號造成衰減。金屬避雷塔在攔截雷電的同時，往往將雷達的探測信號也進行了不同程度的衰減，情況嚴重時往往會嚴重影響系統正常運行[2]。為了避免這一現象，人們現階段一般都用兩種辦法來解決這一矛盾:一是將避雷針遠離雷達天線，這樣以來，避雷針的防護效果就會降低，為了不降低防護效果，只好再增加避雷針的數量，這顯然是以犧牲避雷針防護效果和增加成本為代價來減少避雷針對雷達信號衰減的;二是在雷達的防風罩頂部架設一小型避雷針，由于這種避雷針的引下線只能借用防風罩的壁體，距離雷達天線很近，容易造成雷電流對雷達天線的反擊，使雷達的工作環境遭到破壞[3]。

為了解決以上矛盾，需要在避雷針的材料上尋找突破口，對直擊雷接閃器采用了特殊材料制作，由纏繞型玻璃纖維增強環氧樹脂管制作主管體，管體根據不同高度設計為上細下粗的塔型，下端管體壁厚達到15 cm，樹脂管內設一根截面50 mm2的多股銅線實現對雷電流的引下入地。一般每個雷達站設立三到四支避雷針，以環抱的形式實現對雷達天線的直擊雷防護。避雷針抗風強度設計為40 m/s。

避雷針布設的另一個重要參數是防反擊距離[4]。按空氣的擊穿電場強度大于3×104 V/cm的理論值測算[5]，雷電防護的防反擊的要求并不是很高，只要大于0.1 m就可以對300 kV雷電壓進行防護，但考慮到雷擊發生時空氣濕度、氣壓和溫度等一系列氣象因素對擊穿電場強度的影響[6]和常規做法，新一代天氣雷達防雷電反擊的距離按不小于3 m設計。由于環氧樹脂管本身具有絕緣效果，這一防反擊距離是完全可以達到雷達防護要求的。另外，和一座金屬鐵塔相比，纏繞型玻璃纖維增強環氧樹脂管避雷針在經濟上也是完全可以接受的。

為了有效防護雷達所在建筑物遭受雷擊，雷達塔樓按優于國際標準規范規定的二級防雷設施的要求設計[3]。如果雷達站建立在高山頂，雷達塔樓的防雷均壓環一般從一層開始布設。如果具體施工工作能與土建工程配套進行，將會使避雷針架設工程中的費用極大降低。

1.2 引下

避雷針接閃后的雷電流必須利用引下線迅速泄放入地，傳統避雷針的引下線有兩種形式:一種為獨立引下線，這種形式一般為每根避雷針設立一單獨的引下線，其優點是引下線的安裝位置可以根據防護對象的實際情況進行適當調整，但這種調整量十分有限，并且建筑物上的引下線很難與建筑物的金屬體進行嚴格的分離。另一種方法是避雷針引下線借用建筑物主體的主筋，其最大的優點是當雷擊發生后可以實現整個建筑體等電位[7]，但如果建筑體等電位處理不好時，強大的雷電流容易和借用主筋周圍的設備發生反擊。

為此，可以通過一個簡單計算對兩種引下線的防護效果進行分析[8]:

i=I/(N#8226;n)

式中:i為單根引下線在發生雷擊時所流過的雷電流(單位:kA);

I為接閃器接閃后的雷擊總電流(單位:kA);

N為雷達站雷達塔樓建筑立柱的個數;

n為每根雷達站雷達塔樓建筑立柱中防雷引下線的根數。

假如一雷達站發生瞬態電流為200 kA的雷擊，獨立引下線只有被動的將這一電流全部承擔下來，在其周圍產生的影響是顯而易見的。而如果借用建筑主筋，一般的雷電塔樓都有4個或更多的立柱，如果每柱借用兩根主筋做避雷針的引下線，則可以使每根引下線的雷電流減小為避雷針接閃總雷電流的1/8，即只有25 kA。從土建建筑的施工工藝看，這一計算方法是相當保守的。

通過分析可以看出，借用建筑主筋可以最大限度地分散雷電流能量。新一代天氣雷達站直擊雷防護的引下線全部借用建筑體的豎筋實現[2]。由于這些引下線不但要用以引下強大的雷電流，還要引下弱小的靜電和感應電流，在實際工藝中，對借用主筋全部做焊接處理。考慮到等電位及綜合防護效果，建筑體橫豎主筋在每層處全部采用焊接，很顯然，這樣處理的結果會使得可能發生的雷電流在引下過程中得以極大的分散，從而減小雷電流的破壞性作用[1]。

1.3 接地

直擊雷防護的接地體地網由兩部分組成:

一部分為建筑體的地下基礎主筋(也叫建筑地或自然地)。為了很好地對這些埋入地下的建筑金屬加以利用，在混凝土澆注前，在不破壞機械強度的情況下，對每根鋼筋進行了雙向焊接，地下立柱主筋每2 m加筋焊接一圈，箍筋增加焊點大于Φ12圓鋼橫截面的要求，以作為建筑接地體之用。

另一部分為環繞建筑體的專用地網(也叫人工地)，用2.5 m長Φ50熱鍍鋅管鋼和4×40 mm熱鍍鋅扁鐵組成(見圖1)，地網制作在地面700 mm以下，焊接處做防銹和防腐處理。兩個地網在地下立柱處做多點焊接連通，形成互補，以使雷電流和其他干擾電流迅速泄放入地。

圖1 專用地網施工方法

一般規范對各類設施的接地電阻都有要求，天氣雷達系統地網的總體接地電阻設計[9]為小于等于4 Ω，系統建成后經過實際測量，絕大多數地網的實際接地電阻都小于等于1 Ω。

1.4 側擊雷防護的特殊處理

根據不同雷達站的情況，對雷電的側擊和繞擊做了不同的處理。地處高山的臺站一般都利用金屬防護圍欄進行接地處理，與雷達站各類地網進行多點等電位連接。這樣以來，圍欄就成了很好的側擊雷接閃設施。

1.5 系統供電的雷電防護

為了防止雷電通過電源線路擊毀雷達設施，原則上要求配電室和變壓器應置于LZP0B區，其他配電設施等置于不低于LZP1的防雷區域，直擊雷防護等級不應低于二類防雷建筑設計[2]，所以，為配電室設立了常規避雷帶，圍繞配電室設立地網一組，兼做電力系統保護地網和配電室防雷地網。考慮到雷達站地理位置的特點，進入配電室的架空電力線路在前三根線桿都設立了避雷線。

2 設備儀器雷擊防護技術路線

2.1 分流

工程的雷電流等過電流的分流由兩部分組成:一部分為等電位的連接，通過對建筑、電器、管道、線路等的均壓處理，使過電流通過多條線路泄入大地;另一部分為浪涌電壓吸收設施，電源部分采用最少二級、重點部位采用三級電涌吸收措施[10](見圖2);程控電話線路、網絡線路、信號傳輸系統等都采取一級電涌防護措施;雷達天線安裝就位后，根據設備實際情況對雷達伺服系統的線路采取了電涌防護措施;無線數據傳輸系統、通信線纜亦根據情況采取相應的防護措施，這樣以來，疊加在線路上的過電壓以最短的線路和最快的速度，通過吸收設施分流入地。

圖2 電涌防護原理圖

2.2 引入接地

為避免雷電和電磁干擾，根據不同情況，對不同的場地和設備采用不同的接地形式。重點場地采用“M”(均壓環)，“S”(匯流排)型混合接地方式[11]，一般場地采用“M”接地形式，較分散設施和各類線路引入點等采用“S”接地形式。為提高弱電設施場所的安全系數，可根據情況適當增加其接地點。考慮到樓房的高度會使引下線加長，造成接地體的接地電阻難以達到國家有關規范要求的規定值，故主機房、控制室、樓內計算機房的系統地網主要借助建筑地網[12]，設計接地電阻都小于等于4.0 Ω。供電線路和部分電涌吸收設施的地線難于采用公用接地時，我們進行了獨立敷設。

2.3 屏蔽

新一代天氣雷達的電磁屏蔽措施以兩部分為主:一部分為雷達機房和計算機控制室的屏蔽，這一部分工程主要包含在土建工程之中，其屏蔽金屬體的網格不應大于20 cm×20 cm，機房門窗設計為金屬材料，窗戶亦加設了網孔不大于20 cm×20 cm的金屬網，金屬門窗和網與建筑物部分的主鋼筋做焊接連接，焊接點之間按不大于2 m設計，這一措施對米波長和很大頻段的厘米波長的雷電電磁波和其他干擾信號可以起到有效的防護作用;另一部分為各類線路的屏蔽，嚴格區分了高低壓、高低頻線路，各自分立穿管布設，穿線槽分段就近進行了接地，以將雷電和其他干擾電磁場降低到最低限度。

2.4 均壓處理

等電位處理是涵蓋土建、安裝、電器等項目的綜合工程。工程的等電位處理主要有以下內容:

建筑體主筋的等電位處理，主要對所有豎筋和橫筋進行焊接處理，使整個建筑體成為一個等電位體。

上下水、通風等所有進出建筑體的管道與建筑地網就近進行電氣連接，使整個進出建筑物的金屬物體與建筑體形成等電位體。

機房、供電部分的交直流和安全保護地線以及防雷地線都與建筑地網進行共地處理。

機房、各類線路、接線盒等部分的地線從建筑體就近引出，防雷地從樓頂主筋引出，部分必須單獨設立的地網(如電纜接地等)也與建筑地進行了等電位連接。

2.5 靜電防護

新一代天氣雷達系統的靜電防護主要是為了消除計算機和信息系統在運行過程中產生的靜電電荷，根據國內外靜電防護的經驗，除在操作中注意操作方式減少靜電之外，給靜電提供泄放通路和合理選擇機房有關材料，以破壞靜電形成的條件是靜電防護的關鍵。為了達到這一目的，對防靜電地板接地與其他接地系統進行了共地處理，防靜電系統設計接地電阻[12]小于等于4.0 Ω;有關機房防靜電地板瀉放電阻按1×105～1×108 Ω設計[12]。

2.6 配電及其線路防護

根據工作需要和現階段通行的做法，總配電室以后的供電采用了TN-S或TN-C-S接地系統[9]，其中零線線徑與相線線徑相同，地線線徑按不小于Φ6設計;變壓器側設立零線地網，配電主機房和自供電系統也設立了相應地網，分配電室地網與建筑地網共地處理，各地網接地電阻小于等于4.0 Ω。線路在進出建筑物前作穿管埋地處理，埋地長度不小于15 m。

3 結 語

隨著雷達操作和數據處理的自動化，雷達硬件設備的用電電壓越來越低，這使得雷達的雷電和靜電擊毀率急劇的增加。由于這類故障有時是由低電壓造成的，其故障比較隱蔽，往往不宜查找和根除。所以雷電和靜電的防護應該引起設備使用者的高度重視。設計的新一代天氣雷達防雷項目已有多項投入使用，有些雷達站甚至在常發雷擊的高山之巔運行了多時。通過實踐，該設計技術路線是可靠可行的。

盡管這些防雷系統被采用在天氣雷達的防護中，但其防護的技術路線對其他雷達設施、通信傳輸系統和弱電設施場所都有很好的借鑒作用。

參考文獻

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