銅仁雷達(dá)站防雷分析及改進(jìn)措施研究

宋 迪

（民航貴州空中交通管理分局，貴州 貴陽 550012）

0 引 言

銅仁雷達(dá)站INDRA雷達(dá)做為貴州管制區(qū)域西面的“千里眼”，對保障飛行安全起著至關(guān)重要的作用。該雷達(dá)站位于銅仁市內(nèi)大興工業(yè)園區(qū)內(nèi)，海拔757 m，是銅仁市內(nèi)海拔最高之處，特殊的地理位置導(dǎo)致其極易遭受雷擊，因此該雷達(dá)站的防雷工作成為了設(shè)備保障的重中之重。

1 銅仁雷達(dá)站雷災(zāi)情況

貴州銅仁雷達(dá)站海拔757 m，建于大興工業(yè)園區(qū)內(nèi)，2012年投入運(yùn)行。臺站總面積約860 m2，臺內(nèi)土層厚度約35 cm，土層下及院外為風(fēng)化多巖石土質(zhì)。地網(wǎng)建于雷達(dá)站內(nèi)土層之下，呈水平發(fā)散狀，垂直接地極因土層下有巖層原因，與外界導(dǎo)通能力極其有限。同時(shí)，銅仁雷達(dá)站處于銅仁雷區(qū)，自建臺以來每年雷雨季節(jié)都會遭受雷擊，導(dǎo)致臺站雷達(dá)系統(tǒng)、動環(huán)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)及低壓配電系統(tǒng)雷害事故頻發(fā)。2015年6月2日，INDRA雷達(dá)B編碼器、A通道MICA02板、UPS智能接口、直流屏智能接口被雷擊壞；2016年5月4日，威爾信油機(jī)控制器、UPS并機(jī)板被雷擊壞；2017年5月11日，安防監(jiān)控被雷擊壞；2018年8月1日，INDRA雷達(dá)A編碼器被雷擊壞；2019年7月23日17時(shí)11分，有一次強(qiáng)度為111.5 kA的直擊雷在銅仁雷達(dá)站位置閃擊。據(jù)當(dāng)天值班人員回憶，當(dāng)時(shí)落雷點(diǎn)就在雷達(dá)天線塔上，故障現(xiàn)象為雷達(dá)信號中斷、動環(huán)系統(tǒng)中斷、消防系統(tǒng)損壞、安防系統(tǒng)損壞。事后統(tǒng)計(jì)，受損部件有雷達(dá)編碼器2個(gè)、雷達(dá)MICA02板兩塊、消防主機(jī)1個(gè)、七氟丙烷機(jī)柜2個(gè)、玻璃鋼避雷針1根、高壓屏蔽電纜引下線1根、JS-18采集器1套、安防攝像頭10個(gè)。從地理位置上看，銅仁雷達(dá)站身處環(huán)境惡劣，從防雷效果上看，防雷措施較為薄弱，頻繁雷擊直接影響了臺站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，防雷問題亟待解決。

2 臺站現(xiàn)場調(diào)研情況

2.1 直擊雷防護(hù)

對于直擊雷[1]，銅仁雷達(dá)站的防護(hù)措施主要是通過雷達(dá)站雷達(dá)天線塔天線基座平臺上安裝的4根避雷針，同時(shí)建立了雷達(dá)塔直擊雷隔離系統(tǒng)、VHF鐵塔直擊雷隔離系統(tǒng)，低壓配電房與機(jī)房綜合樓的屋頂都鋪設(shè)了避雷網(wǎng)，并在屋頂?shù)乃闹芗茉O(shè)了短避雷針，臺站的圍墻上也安裝了短避雷針。

2.2 感應(yīng)雷防護(hù)

機(jī)房中鋪設(shè)等電位連接銅排，各種監(jiān)控、傳輸、甚高頻和雷達(dá)系統(tǒng)都是通過等電位銅排、一根扁鋼與主地網(wǎng)連接，用于連接等電位銅排和主地網(wǎng)的單根銅排和單根扁鋼交叉擺在一起。

2.3 雷達(dá)信號防雷情況

雷達(dá)塔與機(jī)房之間架設(shè)了屏蔽橋架，雷達(dá)天饋系統(tǒng)各種控制等信號線排列在一起，通過橋架進(jìn)入雷達(dá)機(jī)房。

2.4 接地實(shí)測

銅仁雷達(dá)站采用的是共用地網(wǎng)，避雷針與各機(jī)房之間的接地電阻理論上接近，但實(shí)測數(shù)據(jù)顯示圍墻邊的避雷針和VHF避雷針與各機(jī)房接地電阻差異較大。詳細(xì)數(shù)據(jù)為雷達(dá)天線塔1.6 Ω、工藝生活用房1.6 Ω、配電房1.7 Ω、兩座VHF鐵塔比避雷針3.8 Ω、雷達(dá)塔避雷針3.8 Ω。根據(jù)MH/T4020—2006《民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》12.1.1規(guī)定[2]采用共用接地系統(tǒng)時(shí)，接地裝置的接地電阻值應(yīng)按防雷接地、交流工作接地、安全保護(hù)接地、設(shè)備要求的工作接地等最小值確定。標(biāo)準(zhǔn)要求，接地電阻不應(yīng)大于4 Ω。從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，雖然測量值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但差距較大，存在一定疑問。

2.5 防雷改造情況

銅仁雷達(dá)站防雷改造工程于2018年7月開始施工，10月完工，歷時(shí)4個(gè)月，工程可分為4個(gè)部分：建立雷達(dá)塔直擊雷隔離系統(tǒng)，建立VHF鐵塔直擊雷隔離系統(tǒng)，改造升級雷達(dá)機(jī)房的防雷裝置，改造升級安防、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的防雷裝置。

3 雷擊情況分析

造成2019年7月23日雷擊事件的直接原因?yàn)橐淮螐?qiáng)度為111.5 kA的雷擊電流對地閃擊在銅仁雷達(dá)站雷達(dá)樓頂避雷針上，雷電流在避雷針接閃和泄放過程中對臺站設(shè)施設(shè)備造成了影響。圖1為雷電路徑圖。

圖1 雷電路徑圖

3.1 直擊雷影響分析

2019年7月23 日17時(shí)11分，雷達(dá)塔其中一根避雷針接閃，雷電流由避雷針引下線向地網(wǎng)傳導(dǎo)，避雷針使用的是2012年建臺時(shí)的舊針，2018年防雷改造時(shí)，將舊針的引下線從針桿底部斷開，復(fù)接一段高壓屏蔽電纜作為引下線（截面積50 mm2），現(xiàn)場勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)舊針針桿內(nèi)的引線下線徑為35 mm2，不符合MH/T 4020—2006《民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》所要求的50 mm2。避雷針接閃時(shí)，避雷針針尖會有明顯燒熔痕跡，雷擊瞬間針尖溫度應(yīng)在1 500 ℃左右，避雷針針尖焊點(diǎn)因高溫融化，導(dǎo)致避雷針針尖脫落，雷電流在避雷針引下線與銅套管壓接處因水汽氣化產(chǎn)生沖擊，使銅套管與避雷針引下線分離。

雷電流流經(jīng)均壓環(huán)時(shí)，由于均壓環(huán)內(nèi)部T型接頭絕緣被擊穿，導(dǎo)致雷電流從T型接頭處對接線箱內(nèi)壁放電，致使箱內(nèi)的水汽瞬間蒸發(fā)，箱內(nèi)氣壓驟然增大，導(dǎo)致箱體變形，部分雷電流經(jīng)由該放電通道順著屏蔽鋼管向大地泄放，其余大部分雷電流由高壓屏蔽電纜引下線泄放至雷達(dá)站花園專用泄流網(wǎng)內(nèi)。

此外，根據(jù)MH/T 4020—2006《民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施防雷技術(shù)規(guī)范》要求，在雷達(dá)塔設(shè)置避雷針不應(yīng)少于4根，而銅仁雷達(dá)塔避雷針只有兩根引下線，不符合民航的規(guī)范要求。由于引下線脫離和均壓環(huán)接線箱及屏蔽鋼管成為雷電通道，原2018年建立的雷達(dá)塔直擊雷隔離系統(tǒng)已經(jīng)失效，這是造成此次雷達(dá)設(shè)備受損的主要原因之一。

3.2 感應(yīng)雷影響分析

3.2.1 雷達(dá)編碼器受損分析

由直擊雷影響分析可知，直擊雷隔離系統(tǒng)失效后，雷電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可能就在雷達(dá)塔建筑鋼筋上產(chǎn)生高電位。產(chǎn)生高電位的原因有兩種可能：一種是地電位升高反向串入鋼筋，另一種是自身感應(yīng)出的浪涌。建筑鋼筋與雷達(dá)天線基座相連，雷達(dá)天線基座與雷達(dá)編碼器通過編碼器連接桿相連，如圖2所示。這就導(dǎo)致在雷達(dá)編碼器外殼上也產(chǎn)生了很高的電位，導(dǎo)致編碼器受損。

圖2 編碼器與雷達(dá)天線基座相連

3.2.2 雷達(dá)MICA02板雷擊分析

（1）由編碼器受損原因可知，編碼器內(nèi)部產(chǎn)生了過電流導(dǎo)致編碼器受損，而過電流經(jīng)由編碼器饋線進(jìn)入了雷達(dá)機(jī)房，并造成與其相連MICA02板的損壞。編碼器防雷箱避雷器未損壞的原因還存在疑問，避雷器是24 V壓敏電阻型避雷器，其接地點(diǎn)即是其動作參考電位點(diǎn)，避雷器未動作是因其接地會與“Shield”（編碼器外殼接地）同時(shí)抬升，所以不會動作。但經(jīng)現(xiàn)場勘查，避雷器的接地（接地線也是穿管屏蔽鋪設(shè)的）被引接至雷達(dá)機(jī)房內(nèi)，不會受到雷達(dá)塔接地電位抬升所帶來的影響。雷達(dá)控制柜內(nèi)所使用24 V放電管避雷器，作為一個(gè)初級的防護(hù)手段，其反應(yīng)慢，殘壓高，通流量較大，可能沒起作用設(shè)備就已經(jīng)損壞，也可能起了作用，但是殘壓高，設(shè)備沒有保護(hù)住。

（2）GPS天線饋線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷電導(dǎo)致MICA02板損壞。雷達(dá)GPS天線饋線與MICA02板饋線相距很近，在橋架上也是捆扎在一起的，由于雷達(dá)GPS天線饋線是從雷達(dá)機(jī)房頂部室外鋪設(shè)進(jìn)入機(jī)房，其穿管屏蔽不規(guī)范（穿管后未兩端接地），屏蔽效果較差，雷擊發(fā)生時(shí)可能會在GPS天線饋線上產(chǎn)生感應(yīng)電流進(jìn)入機(jī)房，因MICA02板饋線距離近且沒有屏蔽層也未在板口端裝避雷器，有可能會受其影響產(chǎn)生過電流損壞MICA02板。因GPS天線饋線帶屏蔽層且安裝有避雷器，所以GPS端口并未損壞。

4 改進(jìn)措施

4.1 直擊雷改進(jìn)

（1）更換雷達(dá)塔4根舊的避雷針，避雷針要求針尖采用熔接工藝，防止針尖斷裂，并增加引下線的線徑。

（2）將雷達(dá)塔至接地網(wǎng)的獨(dú)立引下線，由原來的2根增加至4根，并增設(shè)一道均壓環(huán)。

（3）改變直擊雷接閃系統(tǒng)的引雷順序，在合適位置架設(shè)2～3個(gè)避雷塔。引雷順序應(yīng)調(diào)整為避雷塔、甚高頻避雷針、雷達(dá)塔避雷針。這可以降低因直擊雷產(chǎn)生的電位抬升過電壓和雷電電磁脈沖對雷達(dá)系統(tǒng)的損壞度。

4.2 接地網(wǎng)改進(jìn)

在原有地網(wǎng)的基礎(chǔ)上沿著雷達(dá)塔院落增設(shè)兩環(huán)接地網(wǎng)，使雷達(dá)站內(nèi)整個(gè)院落處于一個(gè)大地網(wǎng)之上，更加有利于均壓；根據(jù)地質(zhì)情況打深井，將接地地網(wǎng)低阻降至1 Ω以下，使雷電流泄放更加通暢；將雷達(dá)整個(gè)接地系統(tǒng)與建筑鋼筋斷開，單獨(dú)做，使整個(gè)接地系統(tǒng)良好連接，降低接地系統(tǒng)電位差。

4.3 編碼器

對雷達(dá)天線罩內(nèi)編碼器從屏蔽和接地兩個(gè)方面做特殊處理，解決因?yàn)殡姶琶}沖和電位反擊造成的擊毀。

4.4 機(jī)房屏蔽改進(jìn)

將動環(huán)監(jiān)控、安防監(jiān)控和消防等非業(yè)務(wù)設(shè)備從雷達(dá)機(jī)房內(nèi)遷移出來，避免其影響雷達(dá)機(jī)房設(shè)備。分別為雷達(dá)機(jī)房室內(nèi)線纜和室外線纜單獨(dú)做橋架。特別是室外線纜，除單設(shè)橋架外，還需要在進(jìn)出機(jī)房處對其屏蔽層單獨(dú)接地[3]。

4.5 避雷器改進(jìn)

在雷達(dá)控制柜至雷達(dá)機(jī)柜編碼器饋線上安裝信號避雷器，安裝位置盡可能靠近MICA02板。對未加裝避雷器的消防線路等加裝對應(yīng)避雷器，并對整個(gè)消防系統(tǒng)重新梳理，做好接地。

5 結(jié) 論

本文通過實(shí)例從4個(gè)方面對銅仁雷達(dá)站雷擊事件進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了改進(jìn)措施，對民航空管系統(tǒng)雷達(dá)站設(shè)備防雷，特別是雷達(dá)系統(tǒng)的防雷提供了積極參考。當(dāng)前，民航雷達(dá)站的防雷工作是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的研究課題，涉及到建筑學(xué)、電氣工程、網(wǎng)絡(luò)通信及電子工程等眾多專業(yè)學(xué)科。隨著數(shù)據(jù)通信采集技術(shù)的發(fā)展，如閃電定位監(jiān)測網(wǎng)的逐步建立，會使得對雷電的及時(shí)監(jiān)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警的能力大大提高，更有可能做到對雷電閃擊路徑的控制，定會真正做到服務(wù)空管，造福空管。