望謨縣X波段天氣雷達防雷要點*

李舟鑫，邱 婭，韋仕麗，李 婧，胡萬全

(貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

望謨縣X波段天氣雷達防雷要點*

李舟鑫，邱 婭，韋仕麗，李 婧，胡萬全

(貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

該文主要針對黔西南州望謨縣X波段全相參天氣雷達建設項目防雷設計不完善的狀態，經過大量實地勘察、測試、計算分析，對比原設計單位防雷系統設計與設備要求之間的差距，按相關規范要求并結合實際需求，提出解決思路和方法，補充和完善了防雷設計，可供在建或擬建雷達項目防雷系統設置作參考。

天氣雷達；防雷要點

1 前言

望謨縣地處貴州的南部邊緣黔西南州東部，望謨是氣象災害頻發的重災區，尤其是以中小尺度強對流天氣產生的暴雨、冰雹和大風，每年都會帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。僅2011年6月5日望謨因暴雨引發山洪，造成8萬人受災，多人死亡，直接經濟損失達16.4億元。望謨縣海拔相對較低，周邊的雷達位置海拔較高，雷達對災害性天氣的監測，存在掃描盲區，不能反應真實天氣狀況。建設X波段全相參天氣雷達，加強望謨積雨云、冰雹、暴雨、局地強對流等天氣現象探測，解決望謨縣氣象局對強對流天氣的監測、預報、預警的短板問題。為保障雷達的探測有效性，選址環境因素要求有較小的人為干擾和地物干擾，因此雷達總是處于空曠的環境及孤立狀態。按《新一代天氣雷達站防雷技術規劃》要求，必須從接閃、傳導、分流、接地、屏蔽、等電位連接等方面對雷電進行綜合防護，減少雷電對雷達的危害。因此，對雷達站的防雷系統進行補充設計是十分必要的。

2 X波段天氣雷達防雷系統設計分析

望謨X波段雷達塔樓高21.0 m，塔樓設計6層，每層3.5 m，塔樓總建筑面積216 m2，并在塔樓建設貴州山洪地質災害防治外場試驗基地平臺。望謨X波段天氣雷達項目的土建部分由黔西南州建筑設計院設計，設計中防直擊雷采用避雷針作為接閃器，但材質為鋼質材料，接地電阻只要求小于10 Ω。很顯然，原防雷設計不完善，存在較大的雷擊風險，需要補充設計。

3 X波段天氣雷達防雷補充設計要點

3.1 防直擊雷LPS的參數確定

根據X波段雷達天線罩及基座相關尺寸數據，對雷達的防直擊雷避雷針(LPS)的高度進行計算。雷達廠家提供數據體現，天線罩直徑4 m，基座高度暫定1 m，冗余量暫定1 m，防雷類別為二類，安全距離按規范要求不小于3 m(可按實際土壤電阻率計算后調整)，示意圖1：

圖1 雷達避雷針保護示意圖Fig.1 Schematic diagram of radar lightning rod protection

根據數據按雙支等高避雷針最低保護高度求避雷針的高度：

(1)

將廠商提供參數代入上式，解方程得：h=6.3 m。

經計算，當采用雙支等高避雷針對X波段雷達天線罩提供防直擊雷保護時，考慮冗余量保護高度，將避雷針高度放至7.5 m時，最小保護寬度為24.36 m，最低保護高度為7.17 m，按GB50057-2010建筑物防雷標準能對天線罩提供二類防直擊雷保護。

望謨雷達塔樓的體量參數為7.46 m×6.27 m×19.50 m，塔樓五層頂為外挑園盤，外挑1.9 m，園盤直徑為11 m。原計算避雷針基礎起點在六層屋面，由于安全距離不足，現將避雷針基礎設置于五層屋面，使安全距離≥3 m，避雷針高度調整為10.5 m，必須驗證計算此高度避雷針的最小保護寬度和最低保護高，根據計算結果來確定天線罩是否被保護。

當避雷針高度為10.5 m時，屋面每側的最小保護寬度：

(2)

當避雷針高度為10.5 m時，保護范圍上邊線的最低保護高度：

(3)

經計算，當采用雙支等高避雷針對X波段雷達天線罩提供防直擊雷保護時，考慮冗余量保護高度，避雷針高10.5 m，最小保護寬度為28.46 m，最低保護高度為10.2 m，最低保護高度大于五層屋面至雷達天線罩的總高度7.9 m，按GB50057-2010建筑物防雷標準能對天線罩提供二類防直擊雷保護。

3.2 雷擊電磁脈沖的防護

雷達機房面積大部分都不足50 m2，接閃雷電流時接地網的響應時間將嚴重不足，同時室內電磁場強度也大于800 A/m。因此做好雷擊電磁脈沖的防護是十分必要的。而現實情況是雷達機房的墻大多數為填充墻，對雷擊電磁脈沖是沒有屏蔽效能的，在沒有屏蔽的情況下，雷達機房的雷擊磁場強度由下式結定：

(4)

當首次雷按二類150 kA；雷擊點為LPS頂點時(按望謨X波段雷達避雷針高度10.5 m計算)：

此值相當于規范允許值的3倍，將雷達設備置于這樣的電磁環境中是不安全的。因為現代雷達所使用的大規模集成電路都是采用MOS工藝燒結而成，各結點耐磁場強度的能力非常低，IEC標準提出，當磁場強度大于800 A/m時，集成電路可能就出現假性損壞。因此當雷達機房采用剪力墻結構時，將剪力墻網筋與主體結構鋼筋作有效連接使之達到屏蔽能力，當雷達機房為填充墻時，應在墻上掛鋼網屏蔽并設置于墻的粉敷層內同時與結構主體作有效連接，使之達到屏蔽效果。其屏蔽效能由下式結定：

H=H0/10SF/20

(5)

式中SF=20×log(8.5/ω),ω為屏蔽網的格寬。

只要采取屏蔽措施，ω值不大于0.5 m時，SF/20≥1,按式(5)表達的結果，雷達機房內的磁場強度將小于300 A/m，使雷達設備置于安全的電磁環境中。

3.3 等電位連接

等電位連接的目的是減少雷達設備所在建筑物金屬構件與設備之間或設備與設備之間因雷擊而產生的電位差；等電位連接實現的方式是將交流地、工作地、保護地、防雷地、屏蔽接地等諸地用導體或浪涌保護器連接，從而減少因雷擊過電壓、過電流產生電位差對設備造成損壞。對于X波段雷達而言，等電位連接除按規范要求處，還須遵循共地網不共接地母線的原則。由于機房面積小，安全距離受限，在選擇接地基準點(ERP)時,應選擇建筑物中間位置的結構鋼筋作為接地引入點，按照集膚效應原理，當發生雷擊時，將整個雷達樓視為一個導體，建筑內部的電荷密度最小，因此選擇中間位置作為ERP接入點相對安全。

3.4 防雷電波侵入

雷達環境相對孤立，雷電波侵入的主要途徑就是傳輸和供電電源兩個方面。傳輸介質采用光纖，光纖本身不傳遞電涌電流，但光纜中的金屬加強芯會傳導電涌脈沖，解決方法簡單易實現，將光纜中的金屬加強芯在機房內就近接入ERP端子。供電電源的防雷電波侵入措施，用浪涌保護器來實現，浪涌保護器的能量配合按規范要求執行，在最末級值得關注的參數就是殘壓，應控制在800 V以下。因為防雷電波侵入措施其實屬于等電位連接范疇，只是當SPD接入后，等電位連接就變為準電位連接，電位基準點不在是理想值0 V，而變為SPD的殘壓值，這是工程實踐中必須注意和解決的問題。

4 小結

本文是對于黔西南州望謨縣X波段氣象雷達建設項目防雷系統補充設計的總結，由于原設計單位沒有根據設備廠家的要求設計防雷系統，在工程實施過程中由黔西南州氣象災害防御中心承擔防雷系統的補充設計，在設計過程中經過大量的勘察、測試和計算分析，確定避雷針的保護模式、SPD有選型、等電位連接的方式及屏蔽的實現等諸多方面的參數，現階段雷達項目已將結束，此文可供在建雷達項目參考。

[1] 建筑物防雷設計規范[S].GB50057—2010.

[2] 建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].GB50343—2012.

[3] 電子信息系統機房設計規范[S].GB50174—2008.

[4] 新一代天氣雷達站防雷技術規范[S].QX2—2000.

[5] 李衣長.新一代天氣雷達站雷災調查鑒定與防雷技術研究[J].貴州氣象,2016,40(1):56-59.

Wangmo County X band weather radar lightning prevention key points

LI Zhouxin,QIU Ya ,WEI Shili,LI Jing,HU Wanquan

(Qianxinan Prefecture Meteorological Bureau of Guizhou Province, Xingyi 562400, China)

Aiming tackling the imperfect state of lightening protection design of Wangmo County X band coherent radar construction project, Qianxinan of Guizhou Province, a comparative study was made between the original design and the relevant specifications and actual demand, after a large number of field investigation, testing and calculation, ideas and methods were proposed to improve the design of lightning protection, serving as reference for the lightning protection system under construction or to be constructed.

weather radar; lightning protection

2017-03-09

李舟鑫(1972-)，男，副高，主要從事雷電防護、雷擊災害鑒定工作，E-mail:376920863@qq.com。

1003-6598(2017)03-0075-03

P412.25

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