氣象雷達站雷電防護設計要點研究

劉正君，鄒其兵

（襄陽市氣象局，湖北襄陽441021）

1 閃電特征及入侵途徑

雷擊發生時，會產生強大的閃電沖擊電流，并伴隨產生巨大的電磁效應、熱效應和機械效應，對建（構）筑物造成直接損毀，并可通過雷電波的形式對用電設備等造成重大危害。

1.1 直擊雷

直擊雷是雷電擊穿空氣，直接對物體放電的雷電現象。雷電很高的沖擊電壓波會使設備絕緣受到破壞；沖擊電流的電動力作用，使被擊物體炸裂；沖擊電流物體溫度升高會引起熔斷炸裂和沖擊熔斷破壞。直擊雷防護通常都是采用接閃桿、接閃帶、接閃網或金屬物件作為接閃器，通過引雷原理，通過引下線及接地裝置的共同作用，將雷電流引入大地。

1.2 閃電感應

雷電在接近建（構）筑物附近發生并未直接擊中建（構）筑物，但建（構）筑物內的電氣、電子設備產生損壞的現象稱為閃電感應，閃電感應根據產生的原理不同，分為雷電靜電感應和雷電電磁感應。雷電靜電感應是在帶電積云接近地面時，雷電先導在附近的金屬導體上感應出與空中電荷極性同級性的電荷，從而在金屬導體與雷云之間以及金屬導體自身產生很高的靜電電壓（感應電壓），會造成建筑物內的導線、接地不良的外露可導電部分、外部可導電部分等金屬物和承壓水平低設備放電。另外，雷電電磁感應是由于雷電流迅速變化在其周圍空間產生瞬變的強電磁場，使附近導體上感應出很高的電動勢，從而容易引起電擊、火災、爆炸，造成重大危害。

2 實例設計分析

本文主要以襄陽天氣雷達站建設為例，對雷達站建設過程中雷電防護設計的重點及方向進行探討，以積累在大型裝備建設過程中雷電防護的設計和施工經驗。襄陽天氣雷達站選址在襄陽市北部朱莊，海拔標高約為120m。該雷達系統由雷達塔樓和附屬供電設施構成，雷達探測系統主要集中在建筑首3層。

3 雷達站雷電防護的具體設計要點

3.1 雷達塔樓外部直擊雷防護設計

3.1.1 襄陽市天氣雷達站年預計雷擊次數計算

根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》附錄一的規定，襄陽市天氣雷達站年預計雷擊次數應按式（1）確定：

式中，N為建筑物年預計雷擊次數，次/a；K為校正系數，一般情況下取1；Ng為建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a），Ng=0.1Td（Td為年平均雷暴日數，襄陽市為28.1d/a）Ng=0.1×28.1=2.81，次/（km2·a）；Ae為與建筑物截收相同的雷擊次數的等效面積，km2，由于雷達樓的相對高度小于100m，因此，Ae按式（2）計算：式中，L、W、H分別為建筑物的長32m，寬8m、高63.4m，代入數據，得Ae=0.0349km2。

襄陽市新一代天氣雷達站年預計雷擊次數為：

3.1.2 襄陽市新一代天氣雷達站防雷區的劃分

根據 GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》、GB 50343—2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》和QXT/2—2016《新一代天氣雷達站防雷技術規范》的規定，對襄陽市新一代天氣雷達站防雷區共分為直擊雷非防護區（LPZ0A）、直擊雷防護區（LPZ0B）和第一屏蔽防區（LPZ1）。

3.1.3 襄陽市天氣雷達站防雷等級確定

襄陽市年平均雷暴日數為28.1d，根據QXT/2—2016《新一代天氣雷達站防雷技術規范》的規定，襄陽市天氣雷達站為GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》規定的第二類防雷建筑物。雷達站所在地雷擊大地平均密度為3.04次/（km2·a），根據QXT/2—2016《新一代天氣雷達站防雷技術規范》的規定，襄陽市天氣雷達站防雷等級劃分為二等，雷達塔樓防直擊雷設施按二類防雷設計。直擊雷的防護：雷達樓主體結構設計時，首先應了解雷達樓的直擊雷防雷設計方案，以便滿足直擊雷防護設施安裝對主樓結構的設計要求。按照雷達樓的防雷等級和雷達天線的防雷需求，采用接閃桿、接閃帶和接閃網相結合的方式接閃，以達到對雷達樓主體和雷達天線進行直擊雷的保護。

1）對雷達樓天面的直擊雷防護要求

對雷達樓天面的直擊雷防護要求包括：（1）在雷達塔樓天面安裝接閃帶，使用材料要求：截面不能小于48mm2條形鋼；敷設網狀接閃網，網格尺寸5m×5m，鋼筋規格：φ10mm，截面不小于48mm2條形鋼；（2）接閃帶與接閃網作電氣導通；接閃帶和接閃網和設置作為引下線的主體柱筋作電氣導通；（3）依據分流系數，設置的主體柱筋引下線的根數在8根以上。

2）雷達天線的直擊雷防護

雷達的天線保護罩設計直徑為11.8m，天線支撐部分設備的小正方形鐵架，高2.2m，寬6.5m。如圖1和圖2所示。

圖1 天線罩直徑（單位：m）

圖2 基座架（單位：m）

3）接閃桿與雷達天線罩間位置的確定

由圖3得出結論，雷擊發生時，接閃桿與天線罩的相對位置，會對天線罩內部空間的磁場分布造成影響。按照GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》和QXT/2—2016《新一代天氣雷達站防雷技術規范》的相關條款要求，雷達樓塔樓的設計要為保護雷達天線安全的接閃桿預留足夠的空間距離，結合襄陽雷達建筑實際，保護雷達天線罩的接閃與天線罩邊緣的安全距離應不小于3m[1]。

圖3 雷電流I=10kA時，罩體邊緣和中心的磁感應強度

通過襄陽市雷達站主樓的保護設計，在雷達天線平臺上布設3根接閃桿保護雷達天線罩為合理的適宜方案，接閃桿基座設置在塔樓平臺的邊緣，基座鋼筋與建筑主體柱筋可靠連接，作為接閃桿引下，具體如圖4所示。

圖4 3支等高接閃桿俯視圖

4）三支等高接閃桿高度及保護范圍的計算

用作圖法確定桿高：半徑r=45m的球面讓3支接閃桿支撐起來，使滾球最低點比罩頂端高出1m余量，罩體即獲得了保護，如圖5所示。

其桿尖距正三角形中心點的距離O′A，即中心點距接閃桿安裝間距為9m，滾球的中心線OO′垂直正三角形ABC，且通過它的重心。這樣，正三角形外側自然受保護。

圖5 等高3支接閃桿正三角形排列的桿高計算（單位：m）

考慮加1m的余量，接閃桿高h為：h=r-OO′+1+18.3=20.21m，即接閃桿的高度取20.21m，實際安裝高度21m。以上可得，天線罩的直擊雷保護使用3支等高分布的接閃桿保護，接閃桿高度21.5m，與天線罩外緣距離為3m，接閃桿使用由高強度玻璃鋼支桿，雷達運行時，其不會對雷達探測參數構成影響，保證雷達信號發射和接收正常。

3.2 閃電感應的防護設計

依據 GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》、GB 50343—2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》和QXT/2—2016《新一代天氣雷達站防雷技術規范》的相關技術規定，襄陽市天氣雷達站雷擊防護為二類設計，因此，應采取相應防閃電感應措施。

3.2.1 對雷達樓建筑設計的要求

1）等電位連接網的設計

等電位連接網是將建（構）筑物內系統（帶電導體除外）的所有導電性物體相互連接組成的一個網。等電位連接網設計是做好雷電防護的關鍵，包含整個施工過程，因此，設計要全面，施工要嚴格。

2）接地端子設計

為有效設置共用等電位連接網，塔樓設置預留總等電位端子，總端子與主樓預埋接地網可靠連接。由總接地端子向設計各預留位置引出。接地端子設置在內墻側，采用暗敷，由大樓的接地主筋引出，作電氣導通處理。

3）屏蔽設計

屏蔽設計包括以下內容：（1）雷達機房外部屏蔽。在雷達機房層面建設時，其墻體面和頂面鋼筋網格的綁扎不大于1m×1m，附屬設施金屬件與墻體主鋼筋作電氣導通連接形成整體外層格柵屏蔽網，使之具有法拉第籠效應，確保對雷達主機房的大空間屏蔽。同時設定屏蔽空間內電氣、電子設備的安全距離。（2）線纜屏蔽。雷達站數據傳輸線纜敷設時，必須進行屏蔽處理，并與低壓配電線纜保持足夠凈間距。（3）配電系統線纜的屏蔽。配電系統采用TN-S供電制式，從總配電進入雷達樓的高低壓配電線纜，使用帶金屬鎧屏蔽層線纜，線纜穿金屬管且做重復接地，并保證埋深。（4）雷達天線至主控機房的信號線纜的屏蔽。從雷達天線至雷達主控機房的所有線纜和波導管實行金屬線槽進行屏蔽，線槽之間使用金屬軟帶跨接，保證有效的電氣導通，穿入主機房的金屬線管在預埋時與屏蔽格柵作電氣連接。

3.2.2 配電系統的閃電感應防護設計

配電系統的閃電感應防護設計包括以下內容：

1）根據雷擊大地平均密度修正值防雷等級劃分，襄陽雷達站為防雷二等；

2）總配電柜開關前端安裝第一級電涌保護器，雷電通流量60kA，電壓保護水平不大于2.5kV，響應時間小于25ns；

3）雷達機房樓層配電安裝第二級電涌保護器，雷電通流量40kA，電壓保護水平不大于2.0kV，響應時間小于25ns；

4）在雷達設備電源安裝第三級電涌保護器，雷電通流量20kA，電壓保護水平2.0kV，響應時間T≤25ns；

5）如2個SPD安裝距離小于10m，需在線路上安裝感抗型SPD。

3.2.3 接地裝置設計

接地裝置設計包括以下內容：（1）接地裝置利用下墊面土壤電阻率低的條件，將雷達樓基礎作為接地體，樁內主筋通過承臺筋連接在一起，形成接地網，在雷達樓周圍設置環形人工輔助地網，2個接地網中連接組成聯合地網；（2）塔樓地網接地電阻設計值，基礎土壤狀況為沙質黏土，土壤電阻率約為50Ω·m，依據QX/T2—2016《新一代天氣雷達站防雷技術規范》的規定，雷達站聯合地網接地電阻設計值確定為不大于4Ω；（3）將等電位連接網和接地裝置連成整體的接地系統。

4 結語

綜上所述，氣象雷達站的雷電防護是一個綜合性的保護系統。氣象雷達站由于運行的要求，建設選址位置及自身特點決定其較易受到雷電干擾和破壞，閃電感應防護是雷達站建設的重點關注方向，做好雷電防護的綜合設計，重點突出，才能為雷達設備在雷雨季正常運行提供必要的保障。