石河子墾區天氣雷達防雷設計分析

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 韓登武

1 引言

目前我國大力開展氣象災害防御，多普勒天氣雷達在我國大量裝備，實現全國雷達拼圖，有效提高了臨近氣象預報，為工農業生產和保護人民生命財產提供了強有力的保證。

新一代天氣雷達是一種新型的多普勒數字化雷達，其部件集成化程度高，數字電路使用電壓低，具有明顯的現代信息設備的特點，極易遭受雷電波和靜電損壞。在新一代天氣雷達開始布點的短短幾年時間內，國內就有數家最新建成的多普勒雷達遭受了不同程度的雷擊損壞現象。

因此，在符合有關現行國標規范、技術標準的前提下，根據新一代天氣雷達建設的重要性、特殊性、所在地區的地理環境和氣象條件，力求滿足安全可靠、技術先進、經濟合理、綜合防護的原則設計出最佳方案，防止或減輕因雷擊而造成的財產損失、人身傷亡、設備損壞。

2 塔樓及附屬用房防雷設計

2.1 防雷等級的確定

石河子年平均雷暴日數是15d，屬于少雷區。依據QX2-2000《新一代天氣雷達站防雷技術規范》石河子雷達站防雷等級為三等，雷達天線罩滾球半徑按照60m 計算，機房按照B 級機房設計?？紤]到人員活動因素，其他輔助用房按照三類防雷建筑設計，雷達站與圍墻的接閃器形成不等高接閃器布置，有效保護人員生命安全。

2.2 直擊雷防護設計

建筑物的雷電防護主要考慮接閃、引下、接地三個部分。

2.2.1 接閃：接閃是雷電防護的第一道防線。

利用針、帶、網、均壓環及其組合形式，有效地防止直擊雷的破壞和衰減一定量的雷電電磁脈沖，達到保護建筑物和設備的目的。石河子新一代天氣雷達站的直擊雷防護主要由雷達塔樓及附屬用房組成：第一部分為雷達塔樓及天線罩，按照二類防雷建筑設計，設立4支12.7m等高接閃桿，將雷達天線罩至于直擊雷防護范圍內，為了防止接閃桿對雷達信號的衰減，其主體由纏繞型玻璃纖維增強環氧樹脂管構成，設計抗風強度為40m/s，內設一根截面積不小于50mm2的多股銅線實現對雷電流的引下入地。第二部分主要為塔樓附屬用房，按照三類防雷建筑要求在屋面敷設20×20m 或16×24m 接閃網格。雷達塔樓頂部的4支接閃桿可對雷達站人員活動區域構成有效的防護區域。

圖1 4支等高接閃桿保護范圍圖

2.2.2 引下線

接閃桿以及接閃帶的引下全部借用立柱外側中間主筋，對借用的主筋采用卡夾器卡接處理?？紤]到等電位及綜合防護效果，建筑體的橫豎主筋在每層全部采用卡夾器卡接，這使得可能發生的雷電流在引下過程中得以極大得分散，從而達到減少雷電流破壞性的效果。

圖2 塔樓直擊雷防護裝置布置平面圖

圖3 附屬用房直擊雷防護平面圖

2.2.3 接地

雷達站根據巖土勘察報告，以及土壤電阻率測試，雷達站上層為粉質粘土，中等韌性稍濕、硬塑，厚度為0.80～1.50m，土壤電阻率介于20～100Ωm之間，下層為板巖：鉆透厚度為4.00～7.10m。場地平整后部分地段板巖厚度將大大低于4m，呈現土壤電阻率外圍小中間高的特點，土壤電阻率為955.47Ω·m。根據勘測情況雷達站設計接地電阻≤4Ω 即可，考慮溫度及季節因素對土壤電阻率的影響，實測接地電阻應≤2Ω。

石河子新一代天氣雷達站直擊雷防護的接地體地網由兩部分組成，一部分是建筑物承臺鋼筋作接地體之用。承臺的主筋與作為引下線的柱中鋼筋焊接，使整個建筑物地下形成均壓網，使地面電位分布均勻，利用雷達站建筑物基礎作為接地系統的自然接地體，并按照電氣設備的安裝位置，在最接近電氣設備的非外墻結構柱子預留電氣接地端子。

另一部分是環繞雷達塔樓和輔助用房四周，敷設人工接地裝置，在散水外大于1m用2.5m長∠5×50mm 熱鍍鋅角鋼做垂直接地體，間距≥5m，用-4×40mm 熱鍍鋅扁鋼做水平接地體，埋設深度大于1.3m，接地體焊接處做防銹防腐處理。在有引下線及接地預留處與自然接地裝置焊接連通，形成共地。

圖4 雷達站聯合接地平面圖

2.3 雷達電子信息系統防雷設計

新一代天氣雷達的設備儀器是弱電設備，對設備儀器的雷電防護采用現代防雷技術措施，全方位地堵截雷電的侵入。因此，從以下幾個方面考慮設備儀器的雷電靜電防護。

2.3.1 等電位連接

等電位處理是含蓋土建、安裝、電器等項目的綜合工程。本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，對有關的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。必須單獨設立的地網（如電纜接地等）要與建筑地進行等電位連接。

機房接地系統使用主材：1×30mm紫銅帶。網格規格：600×600mm。供電接地系統使用主材：4×40mm扁鋼，其它系統接地形式：“S”型。為減少或消除雷電電磁干擾，對不同的場地和設備采用不同的接地形式。重點場地和設備采用“M”和“S”型混合的接地形式，一般場地和設備采用“M”（均壓環）型接地形式，分散的設施采用“S”（匯流排）接地形式。由于雷達塔樓高度較高接地引下線會加長，這樣影響雷電流的泄放速度，因此主機房、控制室、塔樓內計算機系統的地網主要借用建筑地網。對于供電部分及其電涌吸收設施的地網，必要時可獨立敷設。

圖5 M型等電位鏈接網絡平面圖

2.3.2 屏蔽

石河子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，主要包含在土建工程之中，其屏蔽網格不應大于200×200mm，機房必須使用金屬門窗，窗戶應加設網孔不大于200×200mm 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，焊接點之間的距離不大于2m。另一部分為各類線路的屏蔽，嚴格區分高低壓、高低頻線路，各自分立穿管布設，穿線槽分段就近接地，以將雷電和其他干擾電磁場降低到最低限度。

2.3.3 配電及其線路防護

市電在進入建筑物前作穿管埋地處理，埋地長度不小于15m?？偱潆娛乙院蟮墓╇姴捎肨N-S 系統，接地采用黃綠相間的多股銅芯軟導線，截面積不小于6mm2；變壓器側設立零線地網，配電主機房和自供電系統也設立相應地網，分配電室地網與建筑地網共地處理。

雷達數據傳輸線纜采用屏蔽電纜或穿金屬管埋地引入，并做一級電涌防護，傳輸電纜屏蔽極在室內外各做一次接地。

進入機房的電話線應穿金屬管屏蔽埋地引入，并在接線和盒前端的電話組線箱內安裝電話線SPD。線路埋地的實際長度按規范要求，電源線不應小于15m、通信線不應小于50m。

浪涌保護器的選擇：

雷達站低壓供電應選用TN-S供電系統。浪涌保護器選擇安裝見圖6。

第一級安裝于市電變壓器輸出側，選用Ⅰ級分類試驗用沖擊電流Iimp≥40kA(10/350μs)，浪涌保護器主要元器件為開關型，浪涌保護器戶外型具有IP54防護等級。

第二級安裝于油機與市電切換箱內，選用標稱放電電流Iin≥40kA(8/20μs);

第三級安裝于一樓配電箱內，Iin≥20kA（8/20μs）;

第四級，安裝于雷達主機房和控制室的總配電箱內，選用標稱放電電流Iin≥10kA（8/20μs）。

圖6 浪涌保護器安裝拓撲圖

3 其它措施

3.1 供電線路的防護

考慮到雷達站地理位置的特點和氣象行標規范要求，架空電力線路也亦設立避雷線，石河子雷達站供電采用架空高壓線時，變壓器高壓側安裝高壓避雷器，并有良好的接地。變壓器前三基桿上架設避雷線，前三基桿每基桿沖擊接地電阻不大于10Ω。

在高壓線進入變壓器前端50m將架空線埋地，并用鎧裝電纜，架空線與鎧裝電纜連接處安裝避雷器，沖擊接地電阻不大于10Ω。

高壓線路架設應避開高凸的山梁，在人畜安全的情況下，宜沿山谷架設。

3.2 設備擺放

該雷達塔樓共設有引下線4根，按10kA雷電流由4 根引下線分流，根據信息設備最大承受的磁場強度2.4Gs 計算，其安全距離為1.0m。即雷達機房內的電子設備與外墻或防雷引下線距離應＞1.0m。

4 結束語

通過設計以及工程實施和后期雷雨季節驗證，天氣雷達防雷工程設計遵循從外到內，從直擊雷防護到感應雷防護的原則。（1）直擊雷防護中需要對建筑進行分類防護；（2）接地電阻雷達站多受土壤地質因素制約不一定非得要小于4Ω 或者1Ω 的要求，建筑體的等電位連接和設備的等電位連接網絡很重要；（3）浪涌保護器在合理配置的前提下，前端的供電線路選擇、供電變壓器前端的防雷措施非常重要；（4）建筑結構和線路共同構成的屏蔽措施在雷達站建設中尤為重要。（5）設計中達到國標規范要求時需要還需要達到行業規范的要求才能達到設計規范要求的預防為主、經濟合理、科學有效的原則。