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(dá)防雷要點(diǎn)*

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(duì)黔西南州望謨縣X波段全相參天氣雷達(dá)建設(shè)項(xiàng)目防雷設(shè)計(jì)不完善的狀態(tài)，經(jīng)過大量實(shí)地勘察、測(cè)試、計(jì)算分析，對(duì)比原設(shè)計(jì)單位防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備要求之間的差距，按相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合實(shí)際需求，提出解決思路和方法，補(bǔ)充和完善了防雷設(shè)計(jì)，可供在建或擬建雷達(dá)項(xiàng)目防雷系統(tǒng)設(shè)置作參考。

天氣雷達(dá)；防雷要點(diǎn)

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(zāi)害頻發(fā)的重災(zāi)區(qū)，尤其是以中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的暴雨、冰雹和大風(fēng)，每年都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。僅2011年6月5日望謨因暴雨引發(fā)山洪，造成8萬人受災(zāi)，多人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)16.4億元。望謨縣海拔相對(duì)較低，周邊的雷達(dá)位置海拔較高，雷達(dá)對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)，存在掃描盲區(qū)，不能反應(yīng)真實(shí)天氣狀況。建設(shè)X波段全相參天氣雷達(dá)，加強(qiáng)望謨積雨云、冰雹、暴雨、局地強(qiáng)對(duì)流等天氣現(xiàn)象探測(cè)，解決望謨縣氣象局對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警的短板問題。為保障雷達(dá)的探測(cè)有效性，選址環(huán)境因素要求有較小的人為干擾和地物干擾，因此雷達(dá)總是處于空曠的環(huán)境及孤立狀態(tài)。按《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)劃》要求，必須從接閃、傳導(dǎo)、分流、接地、屏蔽、等電位連接等方面對(duì)雷電進(jìn)行綜合防護(hù)，減少雷電對(duì)雷達(dá)的危害。因此，對(duì)雷達(dá)站的防雷系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)是十分必要的。

2 X波段天氣雷達(dá)防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

望謨X波段雷達(dá)塔樓高21.0 m，塔樓設(shè)計(jì)6層，每層3.5 m，塔樓總建筑面積216 m2，并在塔樓建設(shè)貴州山洪地質(zhì)災(zāi)害防治外場(chǎng)試驗(yàn)基地平臺(tái)。望謨X波段天氣雷達(dá)項(xiàng)目的土建部分由黔西南州建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中防直擊雷采用避雷針作為接閃器，但材質(zhì)為鋼質(zhì)材料，接地電阻只要求小于10 Ω。很顯然，原防雷設(shè)計(jì)不完善，存在較大的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，需要補(bǔ)充設(shè)計(jì)。

3 X波段天氣雷達(dá)防雷補(bǔ)充設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 防直擊雷LPS的參數(shù)確定

根據(jù)X波段雷達(dá)天線罩及基座相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)的防直擊雷避雷針(LPS)的高度進(jìn)行計(jì)算。雷達(dá)廠家提供數(shù)據(jù)體現(xiàn)，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(guī)范要求不小于3 m(可按實(shí)際土壤電阻率計(jì)算后調(diào)整)，示意圖1：

圖1 雷達(dá)避雷針保護(hù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of radar lightning rod protection

根據(jù)數(shù)據(jù)按雙支等高避雷針最低保護(hù)高度求避雷針的高度：

(1)

將廠商提供參數(shù)代入上式，解方程得：h=6.3 m。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)采用雙支等高避雷針對(duì)X波段雷達(dá)天線罩提供防直擊雷保護(hù)時(shí)，考慮冗余量保護(hù)高度，將避雷針高度放至7.5 m時(shí)，最小保護(hù)寬度為24.36 m，最低保護(hù)高度為7.17 m，按GB50057-2010建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)能對(duì)天線罩提供二類防直擊雷保護(hù)。

望謨雷達(dá)塔樓的體量參數(shù)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(jì)算避雷針基礎(chǔ)起點(diǎn)在六層屋面，由于安全距離不足，現(xiàn)將避雷針基礎(chǔ)設(shè)置于五層屋面，使安全距離≥3 m，避雷針高度調(diào)整為10.5 m，必須驗(yàn)證計(jì)算此高度避雷針的最小保護(hù)寬度和最低保護(hù)高，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來確定天線罩是否被保護(hù)。

當(dāng)避雷針高度為10.5 m時(shí)，屋面每側(cè)的最小保護(hù)寬度：

(2)

當(dāng)避雷針高度為10.5 m時(shí)，保護(hù)范圍上邊線的最低保護(hù)高度：

(3)

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)采用雙支等高避雷針對(duì)X波段雷達(dá)天線罩提供防直擊雷保護(hù)時(shí)，考慮冗余量保護(hù)高度，避雷針高10.5 m，最小保護(hù)寬度為28.46 m，最低保護(hù)高度為10.2 m，最低保護(hù)高度大于五層屋面至雷達(dá)天線罩的總高度7.9 m，按GB50057-2010建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)能對(duì)天線罩提供二類防直擊雷保護(hù)。

3.2 雷擊電磁脈沖的防護(hù)

雷達(dá)機(jī)房面積大部分都不足50 m2，接閃雷電流時(shí)接地網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間將嚴(yán)重不足，同時(shí)室內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度也大于800 A/m。因此做好雷擊電磁脈沖的防護(hù)是十分必要的。而現(xiàn)實(shí)情況是雷達(dá)機(jī)房的墻大多數(shù)為填充墻，對(duì)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(dá)機(jī)房的雷擊磁場(chǎng)強(qiáng)度由下式結(jié)定：

(4)

當(dāng)首次雷按二類150 kA；雷擊點(diǎn)為L(zhǎng)PS頂點(diǎn)時(shí)(按望謨X波段雷達(dá)避雷針高度10.5 m計(jì)算)：

此值相當(dāng)于規(guī)范允許值的3倍，將雷達(dá)設(shè)備置于這樣的電磁環(huán)境中是不安全的。因?yàn)楝F(xiàn)代雷達(dá)所使用的大規(guī)模集成電路都是采用MOS工藝燒結(jié)而成，各結(jié)點(diǎn)耐磁場(chǎng)強(qiáng)度的能力非常低，IEC標(biāo)準(zhǔn)提出，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于800 A/m時(shí)，集成電路可能就出現(xiàn)假性損壞。因此當(dāng)雷達(dá)機(jī)房采用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，將剪力墻網(wǎng)筋與主體結(jié)構(gòu)鋼筋作有效連接使之達(dá)到屏蔽能力，當(dāng)雷達(dá)機(jī)房為填充墻時(shí)，應(yīng)在墻上掛鋼網(wǎng)屏蔽并設(shè)置于墻的粉敷層內(nèi)同時(shí)與結(jié)構(gòu)主體作有效連接，使之達(dá)到屏蔽效果。其屏蔽效能由下式結(jié)定：

H=H0/10SF/20

(5)

式中SF=20×log(8.5/ω),ω為屏蔽網(wǎng)的格寬。

只要采取屏蔽措施，ω值不大于0.5 m時(shí)，SF/20≥1,按式(5)表達(dá)的結(jié)果，雷達(dá)機(jī)房?jī)?nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度將小于300 A/m，使雷達(dá)設(shè)備置于安全的電磁環(huán)境中。

3.3 等電位連接

等電位連接的目的是減少雷達(dá)設(shè)備所在建筑物金屬構(gòu)件與設(shè)備之間或設(shè)備與設(shè)備之間因雷擊而產(chǎn)生的電位差；等電位連接實(shí)現(xiàn)的方式是將交流地、工作地、保護(hù)地、防雷地、屏蔽接地等諸地用導(dǎo)體或浪涌保護(hù)器連接，從而減少因雷擊過電壓、過電流產(chǎn)生電位差對(duì)設(shè)備造成損壞。對(duì)于X波段雷達(dá)而言，等電位連接除按規(guī)范要求處，還須遵循共地網(wǎng)不共接地母線的原則。由于機(jī)房面積小，安全距離受限，在選擇接地基準(zhǔn)點(diǎn)(ERP)時(shí),應(yīng)選擇建筑物中間位置的結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地引入點(diǎn)，按照集膚效應(yīng)原理，當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，將整個(gè)雷達(dá)樓視為一個(gè)導(dǎo)體，建筑內(nèi)部的電荷密度最小，因此選擇中間位置作為ERP接入點(diǎn)相對(duì)安全。

3.4 防雷電波侵入

雷達(dá)環(huán)境相對(duì)孤立，雷電波侵入的主要途徑就是傳輸和供電電源兩個(gè)方面。傳輸介質(zhì)采用光纖，光纖本身不傳遞電涌電流，但光纜中的金屬加強(qiáng)芯會(huì)傳導(dǎo)電涌脈沖，解決方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，將光纜中的金屬加強(qiáng)芯在機(jī)房?jī)?nèi)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(hù)器來實(shí)現(xiàn)，浪涌保護(hù)器的能量配合按規(guī)范要求執(zhí)行，在最末級(jí)值得關(guān)注的參數(shù)就是殘壓，應(yīng)控制在800 V以下。因?yàn)榉览纂姴ㄇ秩氪胧┢鋵?shí)屬于等電位連接范疇，只是當(dāng)SPD接入后，等電位連接就變?yōu)闇?zhǔn)電位連接，電位基準(zhǔn)點(diǎn)不在是理想值0 V，而變?yōu)镾PD的殘壓值，這是工程實(shí)踐中必須注意和解決的問題。

4 小結(jié)

本文是對(duì)于黔西南州望謨縣X波段氣象雷達(dá)建設(shè)項(xiàng)目防雷系統(tǒng)補(bǔ)充設(shè)計(jì)的總結(jié)，由于原設(shè)計(jì)單位沒有根據(jù)設(shè)備廠家的要求設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)，在工程實(shí)施過程中由黔西南州氣象災(zāi)害防御中心承擔(dān)防雷系統(tǒng)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過大量的勘察、測(cè)試和計(jì)算分析，確定避雷針的保護(hù)模式、SPD有選型、等電位連接的方式及屏蔽的實(shí)現(xiàn)等諸多方面的參數(shù)，現(xiàn)階段雷達(dá)項(xiàng)目已將結(jié)束，此文可供在建雷達(dá)項(xiàng)目參考。

[1] 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50057—2010.

[2] 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].GB50343—2012.

[3] 電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50174—2008.

[4] 新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范[S].QX2—2000.

[5] 李衣長(zhǎng).新一代天氣雷達(dá)站雷災(zāi)調(diào)查鑒定與防雷技術(shù)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(hù)、雷擊災(zāi)害鑒定工作，E-mail:376920863@qq.com。

1003-6598(2017)03-0075-03

P412.25

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