機動型氣象雷達的防雷設計

薛宜童，陳 雷

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

機動型氣象雷達的防雷設計

薛宜童，陳 雷

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

針對機動型氣象雷達的工作特點和雷電傷害的不同種類，提出了一種防雷設計思路，并對具體的防雷裝置的選用和安裝作了較為詳細的闡述。

機動型氣象雷達；直擊雷防護；感應雷防護

0 引 言

機動型氣象雷達主要用于短時天氣精確預報、應急氣象保障和為人工影響天氣作業提供實時觀測。由于機動氣象雷達工作時常處于復雜的氣象環境條件，架設地點通常在地勢高、地形平坦的地方，其遭受雷擊的概率大大增加。目前，機動型氣象雷達在國內外氣象防災上剛剛興起，更無防雷規范和標準。因此，可靠的防雷設計對機動型氣象雷達的安全性十分重要。

1 雷電產生機理及分類

1.1 雷電產生機理

雷電在氣象學上稱為雷暴。雷電的產生是由于云塊中水氣與冰顆粒的物理運動，形成帶電的云層，稱為雷云，造成云塊中電子堆積形成的同極性的云塊之間或云塊與地之間的電勢差。當電子不斷地堆積，使電場達到一定的強度時，云塊之間或云塊與地之間產生放電。雷電釋放的能量非常巨大，可以達到幾百個千安，而且在雷電釋放過程中，釋放的強大電流在其周圍產生強烈的電磁場，使鄰近的物體、人員、金屬線路感應出強大的瞬間過電壓和過電流，進而可能造成傷害。

1.2 雷電分類

按雷電所造成傷害的不同形式，通常可分為以下兩類：

1.2.1 直擊雷

雷暴活動區內，雷云直接通過人體、建筑物或設備等對地所產生的放電現象，稱之為直接雷。此時雷電的主要破壞力在于電流特性而不在于放電產生的高電位。雷電擊中人體、建筑物或設備時，強大的電流轉變成熱能，瞬間可釋放強大能量。直接雷具有強大的破壞力。閃電擊中管道或導線時，雷電流可以沿線傳送到很遠的地方，其巨大的電熱效應不僅對設備的機械結構和電氣結構產生破壞作用，并可危及有關操作人員的安全[1]。

1.2.2 感應雷

感應雷主要有靜電感應和電磁感應兩種情況。

(1) 靜電感應 當雷云來臨時，在其所覆蓋的地表面和各種物體上尤其是導體上將感生出大量與雷云底部電荷符號相反的電荷，形成靜電場。當這種靜電場強度不足以擊穿空氣產生中和效應，而雷云對另一雷云或帶電體放電后，云中電荷消失。此時地面物體尤其是導體上聚集的電荷卻產生了很高的電勢，串入用電設施同樣會造成對電子器件的損壞。

(2) 電磁感應 閃電電流在閃電通道周圍的空間產生磁場。這種磁場將隨時間而變化，并在附近的各類金屬導體上激發出感應電動勢或感生電流。在閃電電流入地過程中，變化磁場在附近金屬導體上產生的感應電動勢或感生電流也會造成電氣設備的損壞[2-3]。

2 機動雷達探測系統防雷的特殊性

與傳統的建筑物防雷相比，機動雷達探測系統的防雷存在一定的難度及特殊性。

(1) 工作地點不固定 機動雷達探測系統具有隨機移動性，其工作地點不固定，不能像建筑物一樣建設固定的防雷站。

(2) 易遭受雷擊 由于雷電具有尋找阻抗最小路徑以泄放雷云電荷與地下異性電荷中和的趨勢, 而機動雷達探測系統多在野外工作, 其車頂通常裝有多種電臺天線、接力機天線和高架天線升降桿, 且處于局部區域最高點, 因此極易成為直擊雷目標。與此同時，機動雷達探測系統車內集成了各類通信、交換、信息處理和供電設備, 在車體壁上設有電源和信號對外接口,引接線纜較長,亦容易遭受感應雷擊。

(3) 接地效果難以保證 由于機動雷達探測系統使用地點的隨機性，且接地系統的效率受土壤電阻率影響較大，應在工作之前先了解工作地區的土壤電阻率，選擇接地效果較好的地點作為系統工作點。

(4) 沒有相關標準規范 目前并沒有針對車載系統的防雷技術規范，相關設計只能參照建筑物防雷標準，設計效果會有一定的誤差。

3 機動雷達探測系統的防雷設計

3.1 雷電防護基理及防雷系統設計[4-8]

雷電保護的基本途徑是提供一條使雷電(包括雷電電磁脈沖輻射)對地泄放的合理低阻抗路徑,而不使其隨機選擇放電通道。鑒于直擊雷和感應雷的侵害渠道不同,雷擊防護主要分為直擊雷防護和感應雷防護。其中,直擊雷防護較直接, 一般在被防護物體附近加裝主動式防雷裝置。感應雷所引起的雷擊電磁脈沖作用范圍廣、侵入方式復雜,需采用均壓、分流、浪涌保護、屏蔽和等電位連接等方法將其消除在設備外圍。

感應雷防護具體措施包括:

(1) 均壓 使系統各部分不產生足以致損的電位差,使系統所在環境及系統本身所有金屬導電體的電位在瞬態現象時保持基本相等；

(2) 分流 形成良好的雷電泄放通道,將瞬態的雷電強電流直接導入地下泄放；

(3) 浪涌保護 將瞬態強電磁脈沖限制在一定范圍內,以轉移有源導體上的多余能量；

(4) 屏蔽 采用接地良好的金屬屏蔽材料將被防護物體盡量封閉起來,從而實現防止或減弱外來電磁干擾的目的；

(5) 等電位連接 其目的防止和減小設備與設備間、系統與系統間電位差。

機動雷達探測系統防雷設計是系統性的課題，必須從系統集成的高度展開設計，并結合接地、電磁兼容性、綜合布線設計，相互配合、補充，才能構成一套完整的防雷系統，如圖1。

圖1 雷達綜合防雷系統

3.2 直擊雷防護

3.2.1 接閃器

由于機動雷達探測系統在野外空曠地帶無其他建筑保護時易遭受直擊雷襲擊,工程設計中采用接閃桿(避雷針)主動式防雷，避雷針的高度采用“滾球”法(如圖2)計算出:

圖2 單根接閃桿的保護范圍

式中，rx為避雷針在hx高度平面上的保護半徑(m)，r0為避雷針在地面上的保護半徑(m)，h為避雷針高度(必須是h≤hr)(m)，hx為被保護物的高度(m)，hr為滾球半徑(m)。

根據機動雷達探測系統的特點，采取45 m的滾球半徑，接閃桿可采用液壓或氣壓升降桿，隨車裝備。當接閃桿對雷達正常工作有影響時，可以采用玻璃鋼。

3.2.2 引下線

避雷針的引下線應不少于2條，應采用截面積50 mm2的帶絕緣銅芯導線，直接與避雷針底部相連接 (可拆卸的壓接方式，壓接螺栓不小于M12) ，并與車體高度絕緣。使用時，引下線應沿車體外側對稱敷設，與車體高度絕緣，并通過銅質接地樁與大地連接。

3.3 感應雷防護

3.3.1 接地

當作業現場附近已有滿足要求的接地裝置時，應優先利用已有接地裝置，采用50 mm2的帶絕緣銅芯導線與接地裝置連接；當作業現場附近無滿足要求的接地裝置時，應設置人工接地裝置，人工接地裝置可采用截面積不小于50 mm2的銅鏈，長度不小于40 m。接地體應布成環形，其包圍的等效面積不小于5 m2。對于土壤電阻率過高的地區，可在接地樁上澆淡鹽水以降低電阻率。

3.3.2 等電位連接

車體作為總等電位連接導體于屏蔽體，在載車平臺內部環艙閉敷設截面積不小于50 mm2的設備自帶的地線排，作為局部等電位連接端子板。局部等電位連接端子板與總等電位連接導體采用截面積不小于35 mm2的絕緣銅芯導線進行連接。車內電氣和電子設備的金屬外殼、機柜、機架、金屬管、電纜金屬屏蔽層、防靜電接地、安全保護接地、浪涌保護器接地等均應以最短距離通過等電位連接導線與等電位連接端子板連接，雷達的所有構件、安裝在車外的照明燈、攝像機、風桿等金屬物與車體進行等電位連接。

3.3.3 屏蔽

車體作為屏蔽體，雷達天線接到車廂機房的所有電纜宜敷設在金屬屏蔽槽(管)內，金屬屏蔽槽(管)和波導管在穿經車廂時應與車廂等電位聯結帶電氣連接。金屬屏蔽槽(管)首尾應電氣貫通。雷達天線至車廂機房的電纜線入口處應用金屬罩屏蔽并接地。

3.3.4 合理布線

合理布線可降低線間以及線地間因電磁感應產生的高電壓，減少電磁耦合的幾率, 改善電磁環境。車輛內部布線及走線應減小干擾源和敏感電路的環路面積。增大干擾源與敏感線路走線間的距離,提高空間隔離,使兩者間靜電耦合最小。盡可能使兩者間走線呈直角相交布線,從而減少線路間互感。信號和電源電纜應盡量遠離其他有可能接閃以及流過雷電流的金屬物,控制系統線路盡可能采用雙絞線。不同種類布線需分開捆扎,并保留一定敷設間距。

3.3.5 浪涌保護

在機動雷達探測系統發電機配電盤處應裝Ⅰ級試驗的電涌保護器，在配電箱進線處應裝Ⅱ級試驗的電涌保護器。當條件受限時可裝置兼具Ⅰ級試驗的電涌保護器和Ⅱ級試驗的電涌保護器功能的組合型電涌保護器。通信設備的輸入/輸出端口處和網絡設備接口處，應安裝適配的電子系統電涌保護器。天饋線路電涌保護器宜安裝在收/發通信設備的射頻處、入端口處。

4 結束語

機動雷達探測系統的防雷設計對于保護其在惡劣天氣環境工作時的安全十分重要。本文分析了不同的雷擊傷害類型，參考了相關資料，并結合車載的特點，提出了相應的保護措施，能夠有效地保護機動雷達探測系統遭受雷電傷害。

[1] GB 50057-2010 建筑物防雷設計規范[S].

[2] GB 50343-2012 建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].

[3] GJB 6784-2009 軍用地面電子設施防雷通用要求[S].

[4] QX+2-2000 新一代天氣雷達站防雷技術規范[S].

[5] QX+4-2000 氣象臺(站)防雷技術規范[S].

[6] 劉峰.通信車防雷設計[J].專用汽車,2011(10):72-75.

[7] 陳紅兵，徐文.移動氣象臺防雷技術[J].現代建筑電氣，2011(6)：43-48.

[8] 呂建榮.無線綜合通信車的防雷設計探討[J].科技傳播，2011(13):230-231.

Lightning protection design of mobile weather radar

XUE Yi-tong, CHEN Lei

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Based on the work characteristics of the mobile weather radar and the different types of lightning damage, an idea of the lightning protection is proposed, and the selection and installation of specific lightning protection devices are described in detail.

mobile weather radar; direct lightning protection; inductive lightning protection

2014-10-11;

2014-10-20

薛宜童(1979-),男,工程師,研究方向:大氣與海洋類雷成系統;陳雷(1971-),男,工程師,研究方向:雷達總體技術。

TN959.4

A

1009-0401(2014)04-0020-03