李衣長，張泉鋒，李日豪，童凌青

(福建省三明市氣象局，福建　三明　365000)

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新一代天氣雷達站雷災調查鑒定與防雷技術研究

李衣長，張泉鋒，李日豪，童凌青

(福建省三明市氣象局，福建三明365000)

雷達站防雷工作是一項非常重要而又技術難度高的工作，該文通過一次雷達站雷擊過程的雷災調查鑒定和整改工作實例，對雷達站這類精密電子設備密集、耐受沖擊電壓低的特殊電子設備場所，從多角度為大家剖析天氣雷達站可能遭受雷擊的入侵途徑、方式和危害性，通過調查鑒定提出有針對性的雷電防護要求，從而達到減少和避免雷達站發(fā)生雷擊災害損失。

天氣雷達站，雷災鑒定，防護技術

1　雷達站雷災調查

天氣雷達站大多處于局部地方制高點，容易被雷擊，造成雷達站設備損毀，不能正常運行，影響氣象預報服務工作，因此，天氣雷達站防雷工作至關重要。盡管出臺了氣象行業(yè)標準《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》(QX 2-2000)，各級氣象部門也高度重視天氣雷達站防雷安全問題，但是，天氣雷達站被雷擊的事故仍時有發(fā)生。本文通過對某雷達站的一次雷災調查鑒定和整改實例，探討有效解決天氣雷達站的防雷技術難題。

1.1雷電災害概述

某地新一代天氣雷達站位于高山山頂，海拔高度接近1 700 m。2014年7月某日，一聲驚雷掠過，造成雷達站數(shù)天不能運行，影響到當?shù)貧庀蟛块T的氣象業(yè)務服務工作。筆者隨即對雷達站開展了雷電災害調查鑒定工作，經(jīng)查：雷達站天線罩內的溫度傳感器、天線座內的上光端機主板損壞。

1.2現(xiàn)場勘察情況

1.2.1該雷達站8層塔樓高35 m，雷達天線罩高10.6 m，總高度約為45.6 m。

1.2.2雷達站塔樓按第二類防雷建筑物進行防雷主設計、施工。頂層敷設暗裝不大于10 m×10 m或12 m×8 m接閃網(wǎng)，頂層距外沿100 mm處明敷設一圈接閃帶，屋面所有金屬構件或外露金屬管道均與接閃網(wǎng)(帶)等電位連接。利用塔樓柱內兩根直徑≥φ16主筋通長通焊作為引下線，均勻布設了4根引下線，間距滿足不大于18 m要求。雷達站處土壤電阻率特別高，所以，采用了多項降低接地電阻措施，包括：利用雷達站建筑物基礎鋼筋網(wǎng)作為自然接地體，在雷達站塔樓基礎外引人工接地體，結合采用換土、敷設降阻劑和深井技術。采用三支等高避雷針對天線罩防護，每針間隔120°，分別設為西南、東偏南、北偏西，避雷針布置在8層，相對地面高度27.61 m的剪力墻上，距離天線罩外邊緣1.8 m，針長22.39 m。雷達站低壓供電系統(tǒng)采用TN-S制式，安裝了3級能量配合的SPD防護。雷達塔樓8層機房敷設50 mm×50 mm屏蔽網(wǎng)格，每隔1 m焊接到大樓鋼筋上，機房內所有電氣、電子設備均采取等電位連接措施。

1.2.3該雷達站塔樓位于較高海拔山頂處，東南方向有一微波站鐵塔，兩者相距約40 m，高度較雷達站接閃桿低，原先雷電截閃位置因微波站鐵塔處于山頂最高點，成為雷電主要閃擊點，雷達站建成后，其外側接閃桿處于局部制高點，成為雷擊新目標。

1.2.4雷達站天線罩內的溫度傳感器位于雷達站塔樓屋頂LPZ0區(qū)(非直擊雷防護區(qū))，通過現(xiàn)場勘察，初步判定區(qū)內電氣、電子設備因直接雷擊或雷擊電磁脈沖而損壞。雷達站塔樓屋頂天線座內的上光端機主板位于LPZ1區(qū)，當塔樓屋頂天線座遭直擊雷時，容易造成損壞。

2　雷電入侵途徑分析

通過現(xiàn)場勘察和調查分析，認定此次事故雷電入侵途徑主要有：雷電繞擊、雷電反擊、雷電感應和閃電電涌侵入。

2.1雷電繞擊

該雷達站按第二類防雷建筑物安裝了防直擊雷裝置。根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB50057-2010)中表6.3.2-2“與最大雷電對應的滾球半徑”及附錄F可知：第二類防雷建筑物首次正極性雷擊的雷電流參量(I)為150 kA，雷擊距(hr)為260 m；首次負極性雷擊雷電流參量為75 kA，雷擊距為165 m；后續(xù)負極性雷擊雷電流參量為37.5 kA，雷擊距為105 m時。雷電流參量(I)是與雷擊距(hr)相對應得到保護的最小雷電流幅值，比該電流小的雷電流可能擊到需保護的雷達站內部空間。通過對2014年三明市閃電監(jiān)測資料分析表明，三明市負閃雷電強度主要集中在2～12.5 kA之間，且以7 kA的負閃雷電次數(shù)最高(見圖1)；正閃雷電強度主要集中在2-40 kA，占總正閃雷電次數(shù)的70%以上(見圖2)。

圖1　2014年三明市負閃雷電強度分布(次/KA)Fig.1　Sanming City Negative Lightning Intensity Distribution in 2014 (times/KA)

圖2　2014年三明市正閃雷電強度分布(次/KA)Fig.2　Sanming City Positive Lightning Intensity Distribution in 2014 (times/KA)

通過閃電監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，三明市雷電強度普遍較小，容易引發(fā)雷電繞擊現(xiàn)象。通過分析認為：此次雷達站雷擊事件極有可能是雷電繞過雷達站頂部外側接閃桿，擊在天線罩內的溫度傳感器、天線座內的上光端機上，從而引起設備的損壞。(見圖3)

圖3　雷電繞擊示意圖Fig.3　Diagram of Shielding Failure

2.2雷電反擊

當雷達站塔樓接閃桿截收雷擊后，存在兩種引發(fā)雷電反擊(雷電閃絡)途徑，可能導致溫度傳感器損壞：一是接閃桿反擊到天線罩，天線罩再反擊到溫度傳感器；二是天線罩樓板地電位瞬間抬高，天線罩與溫度傳感器之間引發(fā)雷電反擊。

2.3雷電感應(靜電感應和電磁感應)

2.3.1雷電靜電感應雷達站上空有雷云時，雷達塔樓會感應大量與雷云相反的電荷。若雷電先導與雷達塔樓附近微波站鐵塔發(fā)生閃擊，先導放電、回擊過程開始，先導通道中攜帶的負電荷將被微波站鐵塔或地面上的正電荷自下而上迅速中和，伴隨著雷云底部負電荷的急劇減少，雷達塔樓屋頂正電荷失去束縛，變?yōu)樽杂呻姾?，金屬體、電氣、電子設備上感應的正電荷將通過建筑結構中的路徑向地流散，由于電荷流散路徑上存在著數(shù)值可觀的電阻，因此在電氣、電子設備上會有較高電壓降，從而損壞天線罩內的電氣、電子設備。

2.3.2雷電電磁感應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現(xiàn)象就是雷電電磁感應。通過對該天氣雷達站分析，可以判定引發(fā)雷電電磁感應的原因有以下3個方面：①雷達塔樓附近發(fā)生雷擊引起雷擊電磁感應。②雷達塔樓外側接閃桿截收雷擊引起雷擊電磁感應。③雷達塔樓屋頂天線座截收雷擊引起雷擊電磁感應。

2.4閃電電涌

閃電擊于防雷裝置或線路上以及由閃電靜電感應或雷擊電磁脈沖引發(fā)表現(xiàn)為過電壓、過電流的瞬態(tài)波。在該雷達站塔樓內，閃電電涌可能從電源線、信號線輸入端侵入；也可能從塔樓頂部電源線、信號線反向侵入。

①閃電電涌可能從電源線、信號線輸入端入侵。電源線或信號線在進入塔樓前遭受雷擊，造成閃電電涌從電源線或信號線輸入端入侵。

②閃電電涌從塔樓屋頂電源線、信號線反向入侵。塔樓頂部航標燈電源線遭雷擊或雷電感應等原因產生閃電電涌反向入侵電源供電系統(tǒng)。

3　雷擊防護難點分析

①雷電繞擊防護難點：雷電繞開接閃桿，直接擊在天線罩內的電氣、電子設備上，這類小于雷擊距的閃擊是防不勝防的。

②雷電反擊防護難點：因雷達塔樓屋頂面積小，塔樓外側接閃桿與天線座之間，以及天線座與電子設備之間距離都較近，無法達到3 m以上范圍的安全距離，因無法加大安全距離，所以對于雷電反擊的防護也是防不勝防。

③雷電感應防護難點：雷電靜電感應是造成電子設備損壞的“元兇”。雷達塔樓附近發(fā)生雷擊，雷電電磁場不需借助任何裝置、設備，能夠通過空間傳播到雷達塔，一旦雷電電磁場強度達到1.7 GS時，就會使雷達站電子設備發(fā)生誤操作，達到2.4 HS時，可以造成無屏蔽的雷達站電子設備損壞。

④閃電電涌侵入防護難點：因電源線、信號線均是埋地引入該雷達塔樓的，且在電源線入戶端已安裝了電源SPD，所以，從電源線或信號線輸入端入侵的閃電電涌概率較小，相對較為好防范。但是，閃電電涌從電源系統(tǒng)的反向入侵影響容易被防雷設計、施工人員忽略，但其危害頻率高，具有隱蔽性特點，且有時危害非常嚴重。

4　調查鑒定結論

①雷達站所在地段土壤為黃色、棕色巖石，平均土壤電阻率為6 258 Ω·m，屬于高土壤電阻地段，降低接地裝置電阻值難度較大，但通過采取增加人工接地裝置，應用換土、敷設降阻劑和挖深井等多項措施，該雷達塔樓接地電阻值不大于4 Ω，符合規(guī)范要求。

②雷達站塔樓屋頂天線罩內的溫度傳感器暴露于無屏蔽環(huán)境中，導致因雷達站接閃桿接閃時，無法防護因雷擊電磁脈沖和雷電反擊可能對其造成的危害。

③雷達站塔樓天線罩基座附近電源線路未穿金屬管屏蔽接地，不能防范雷擊電磁脈沖造成的危害。

④雷達站屋頂航警燈至機房穩(wěn)壓電源處未采取屏蔽接地措施，無法防護雷電電涌反向入侵給雷達站電子設備帶來的危害。

⑤機房采用s型等電位不符合要求。

⑥機房地板未采取防靜電措施。

5　雷電防護要求

①將雷達站塔樓屋頂天線罩內的溫度傳感器放置到其附近的轉接板箱內，使其處于LPZ1區(qū)內，并將溫度傳感器與上光端機之間的連接導線穿金屬屏蔽接地。

②將雷達站塔樓屋頂天線座外側的電源線穿金屬管屏蔽并兩端接地。

③將雷達站塔樓屋頂天線罩內的航景燈電源線穿金屬管屏蔽并兩端接地。航景燈電源線與穩(wěn)壓電源處應加裝限壓型SPD，以防護閃電電涌的反向入侵。

④塔樓機房采用屏蔽金屬網(wǎng)形成“法拉弟”籠屏蔽，且金屬網(wǎng)之間連接成電氣通路。

⑤雷達站電子系統(tǒng)為兆赫茲級數(shù)字線路時，應采用M型等電位連接，且等電位連接應牢固、可靠。

⑥雷達站塔樓電線路安裝能量配合的多級SPD。

⑦塔樓機房地面采取防靜電措施。

6　雷災調查鑒定應用效果分析

該雷達站在建成后經(jīng)常遭到雷擊影響，此次嚴重雷擊事件后，本文作者組織開展了雷擊災害調查鑒定，并提出整改要求，雷達站經(jīng)防雷專業(yè)設計、施工資質單位按雷災調查鑒定要求進行了整改，整改后的一年內未發(fā)生類似雷擊事件，效果明顯，較好解決了雷達站的防雷安全工作。

7　完善防雷措施建議

當然，從目前的防雷理論和實踐看，防雷成功率尚不能達到百分百，所以，建議新一代天氣雷達站使用單位應建立完善的雷電應急預案，在雷擊時可自動關閉雷達站電源，在雷暴系統(tǒng)過后，自動恢復雷達站電源，實現(xiàn)雷達站防御雷電災害能力的提高。

[1] 李志江，王偉，王華.吳松.沈陽新一代天氣雷達站防雷工程設計與實踐[J].建筑電氣， 2009(1).

[2] 中國氣象局. QX 2-2000新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2001年2月1日第1版

[3] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會. GB50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010：63.

[4] 吳松.上饒市新一代天氣雷達站防雷設計[J].氣象研究與應用,2010(4) .

New-generation Weather Radar Station Lightning Disaster Investigation and Appraisal and Research of Lighting Protection Technology

LI Yichang, ZHANG Quanfeng, LI Rihao, TONG Lingqing

(Sanming Municipal Meteorological Bureau of Fujian Province, Sanming 365000, China)

The lighting protection of radar station is a very important work which involves a lot of technical difficulties. The disaster of one lighting stroke process at one radar station was investigated and appraised and the rectification work was carried out. The possible lightning paths, means and its hazards occurring at weather radar station, the special electronic equipment location of high-density sophisticated electronics with low impulse voltage, were analyzed from multiple perspectives. After the investigation and appraisal, the countermeasure lightning prevention requirements were proposed in order to minimize or avoid the losses caused by lighting stroke disaster at radar station.

weather radar station; lightning disaster appraisal; protection technology

1003-6598(2016)01-0056-04

2015-06-17

李衣長(1973—)，男，工程師，主要從事防雷減災工作，E-mail:jllyc010@sina.com。

TM86

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