孫自勝 岳國海 吳立波

摘要 大別山新一代天氣雷達將建于天堂寨烽火臺處，其海拔高、地勢空曠，在雷雨季節(jié)極易遭受雷電襲擊。結(jié)合安徽省氣象局提供的2006—2020年ADTD閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其周圍的雷電環(huán)境進行統(tǒng)計和分析，計算出雷達樓屬于第二類防雷建筑。最后，針對雷達站的接閃桿高度、供電系統(tǒng)以及信息機房的防雷設施進行設計，為后續(xù)雷達樓的施工建設提供一定的參考依據(jù)。

關鍵詞 天氣雷達;雷電環(huán)境;閃電特征;綜合方案

中圖分類號：S761.5 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）12–0079–03

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人們對公共氣象服務的要求也越來越高。六安大別山氣象雷達站將建于大別山區(qū)六安天堂寨烽火臺（圖1），覆蓋鄂豫皖三省臨近區(qū)域，被列入國家發(fā)改委和中國氣象局氣象雷達發(fā)展專項規(guī)劃（2017—2020年）新增站點項目，項目預算投資4 000余萬元。

大別山地處北亞熱帶北緣，屬濕潤季風氣候。雷達系統(tǒng)在夏季使用最頻繁，當下正處于雷電高發(fā)時節(jié)，一套完善的防雷系統(tǒng)對雷達系統(tǒng)的正常運行至關重要。目前，國內(nèi)不少學者對此進行了相關研究。何桂霞等[1]根據(jù)雷達站所在地的氣象環(huán)境和地理因素設計了宣城新一代S波段多普勒雷達的防雷綜合措施。歐林忠等[2]通過對靈璧縣X波段雷達周邊環(huán)境的分析，提出了雷達防雷方法及應對策略，重點討論雷電對鄰近建筑物及電力設施的影響。季少衛(wèi)等[3]針對數(shù)字電路和模擬電路采用的電源電壓越來越低、系統(tǒng)的抗干擾和防護等級越來越高的問題，進行了較全面的分析，并從工程實際出發(fā)進行了系統(tǒng)設計。中國氣象局雖然發(fā)布了《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》（QX/T 2—2016），設計圖紙根據(jù)規(guī)范進行了相應的防雷設計，但是，由于雷達站所處的氣候環(huán)和地理位置存在較大差異，直接影響了防雷綜合方案的設計[4]?；诶走_站所處大別山地區(qū)氣候多變、夏季雷電頻發(fā)等特點，利用安徽省氣象局提供的閃電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計和分析了雷達站周圍的雷電參數(shù)特征，為后續(xù)的雷電防護等級、綜合設計提供參考依據(jù)。

2 雷達站周圍雷電環(huán)境分析

通過查找六安閃電分析數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析了地閃密度、閃電監(jiān)測、雷電流特征及雷電主次導方向4個閃電參數(shù)。圖2為以雷達站為中心，5 km為半徑內(nèi)的地閃密度分布，分析地閃密度為1.27次/（km2·a），可以改變僅依賴傳統(tǒng)雷暴日作為閃電密度的唯一指標[5]。

從圖3可以看出：標的物所在地半徑5 km范圍內(nèi)以負地閃為主，正地閃為輔。數(shù)據(jù)顯示，在半徑5 km范圍內(nèi)，平均年總閃電次數(shù)為2 287次，負地閃次數(shù)占總閃數(shù)的90%，正地閃只有10%左右，這與觀測的結(jié)果相一致[6]。

由圖4可以看出：該區(qū)運雷電流幅值分布呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的趨勢，兩頭區(qū)間分別為：0～10 kA占比6.60%、大于100 kA占比5.82%;位于中間部分的雷電流幅值區(qū)間為：10.1～15.8 kA、15.8～50.8 kA占比分別為32.49%、42.15%。從雷電流幅值占比分布得知，幅值區(qū)間10.1～50.8 kA累計占比74.64%，對后續(xù)安裝浪涌有一定的指導性作用[7-9]。從圖5可以看出：該雷達站周圍有來自各個方向的閃電，其中東北和北方雷電較多，南、東南以及西南方向較少。根據(jù)QX/2—2016（6.4節(jié)）要求：至少有1根接閃桿設置在雷暴過程的主要來向方向，因此，該雷達站需要在東北方向設置接閃桿。

3 雷達站的防雷系統(tǒng)綜合方案

3.1 雷達站防雷等級的確定

由于雷達站預建于著名5A風景區(qū)天堂寨烽火臺處，由于受到生態(tài)紅線、林地環(huán)境保護等因素的限制，將雷達機房和雷達樓集成一體化。根據(jù)GB 50057—2010規(guī)范[10]要求，計算雷達樓的年預計雷擊次數(shù)Ng。

N=kNgAe

Ae=[LW+2（L+W）×D+πD2]

（1）

式（1）中：k-校正系數(shù)，雷達樓位于孤立曠野，取2.0;

Ng-雷達樓所在地雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）]，由六安閃電分析軟件得出Ng=1.27 次/（km2·a）;

Ae-建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）;

L、W、H-建筑物的長、寬、高（m）。

將數(shù)據(jù)L、=20 m、W=20 m、H=90 m

帶入公式（1），計算可知N=0.06次/（km2·a）。根據(jù)GB 50057—2010第3.0.3條規(guī)定，預計雷擊次數(shù)大于0.05次/a的省、部級辦公建筑和其他重要人員密集地的公共建筑，應劃分為第二類防雷建筑物。計算結(jié)果大于0.05次/a，因此，該雷達樓應按照第二類防雷建筑設計。

3.2 雷達平臺的直擊雷保護

位于高山頂部的雷達站，宜根據(jù)當?shù)厣襟w情況及雷電活動規(guī)律，沿雷達站周邊設置接閃桿或接閃線。依據(jù)QX/T 2—2016、GB 50057—2010規(guī)范要求設計雷達樓外部的防雷裝置。做到安全可靠與經(jīng)濟合理相統(tǒng)一的原則，宜在雷達天線平臺上安裝3支等高接閃桿，接閃桿的保護范圍應采用滾球法確定，保護范圍的邊界至雷達天線罩邊沿及天線平臺上其他設備的距離應不小于0.5 m，接閃桿頂部金屬體的長度宜不大于1 m，金屬體為圓銅或圓鋼時，直徑應不小于16 mm。雷達天線安裝在雷達樓頂部的圓形平臺上，平臺直徑為18 m，天線罩直徑為13 m，計算得出等邊三角形對角線間距為17.3 m，將h0=13 m，hr=45 m，D=17.3 m代入計算公式（2），得出地面處h=14.73 m，取15 m進行設計。

（2）

式（2）中：h0-保護范圍的最低點;

hr-滾球半徑;

D-三角形對角線間距;

h-接閃桿高度。

此外，處于雷達天線仰角0°以下部位的接閃桿應采用鋼管，以上部位的支撐桿應使用高強度的玻璃鋼管，鋼管及玻璃鋼管的壁厚及強度應能滿足當?shù)刈畲箫L速、最大覆冰厚度等氣象條件的要求。

3.3 雷達站供電系統(tǒng)的雷電保護

本雷達站采用架空10 kV配電線路，在變壓器前三基桿的10 kV架空線上方裝設避雷線，架空線與電纜的轉(zhuǎn)換處及變壓器的高壓側(cè)應裝設避雷器，進入雷達站變壓器前的10 kV架空線轉(zhuǎn)換為護套電纜穿金屬管埋地引入，埋地長度宜不小于50 m，金屬管應接地。

由于本雷達站的變配電室與機房共處同一建筑物時，應采用TN-S系統(tǒng)。根據(jù)本雷達站的使用特征和重要性，按照一等雷達站進行配電系統(tǒng)SPD的設置：在總配電柜內(nèi)的相線、中性線分別對PE排安裝I級試驗的SPD。結(jié)合上述雷電參數(shù)分析得知，其平均雷電流幅值在50 kA左右，故In取100 kA、Up不大于2.5 kV;應分別在機房內(nèi)的雷達設備配電盤、空調(diào)及照明配電盤安裝Ⅱ級試驗的SPD，其In取40 kA，Up不大于2.0 kV[11-13]。

3.4 雷達信息機房的雷電保護

本雷達機房設置在底部一樓，雷達設備距外墻、結(jié)構柱及梁的距離應大于1 m。其雷達站機房宜設置在建筑物的LPZ2區(qū)，機房使用金屬板門和框，金屬板門通過2條6 mm2軟金屬線與門框連接，機房外窗設置網(wǎng)孔200 mm×200 mm的金屬網(wǎng)，金屬門框、外窗的金屬網(wǎng)就近與預留端子連接。在機房設置M型機構的等電位連接網(wǎng)絡，沿機房地面周邊設置等電位連接帶，在地設置等電位連接網(wǎng)格，連接帶與預留的等電位連接端子可靠連接，網(wǎng)格與等電位連接帶可靠連接。雷達設備、電氣設備的金屬外殼、低壓配電系統(tǒng)的保護地（PE）線、SPD的接地端、信號SPD的接地端、線纜金屬屏蔽層、金屬線槽以及防靜電地板支架等均以最短的距離與等電位連接網(wǎng)絡連接;波導管、伺服系統(tǒng)的線纜吊架就近與預留端子連接[14]。

4 結(jié)束語

一套科學、合理的雷達站防雷設計對于其防雷安全性至關重要，既能保障雷達數(shù)據(jù)的正常傳輸，又可以避免雷擊損失。該項目建成后，將成為該區(qū)域唯一大功率雷達臺站，可覆蓋服務周邊多個省（市），對預警大別山區(qū)災害天氣，開展氣象防災、減災，助力革命老區(qū)、山區(qū)、庫區(qū)脫貧及持續(xù)開展美麗鄉(xiāng)村建設等具有重要支撐作用，同時也能夠?qū)Υ髣e山區(qū)調(diào)節(jié)水資源、保持水土、森林防火、防汛安全、航空氣象保障、人工增雨、重點工程建設、城市發(fā)展和交通保障等提供及時有效的專項服務;后續(xù)還可依托該項目持續(xù)建設大別山區(qū)氣象災害預警中心、氣象旅游中心、氣象科普中心和人工影響天氣基地。

參考文獻

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[14] 肖穩(wěn)安，張小青.雷電與防護技術基礎[M]北京：氣象出版社，2011.

責任編輯：黃艷飛

Research and Application of New Generation Weather Radar about Lightning Environment in Dabie Mountain

SUN Zi-sheng et al（Lu’an Meteorological Bureau， Lu’an， Anhui 237000）

Abstract The new generation weather radar of Dabie Mountain will be built at the beacon tower of Tiantangzhai. With its high altitude and terrain， it is very vulnerable to lightning strike in thunderstorm season. Combining with the ADTD lightning monitoring data from 2006 to 2020 provided by Anhui meteorological bureau， this paper made statistics and analysis on the lightning environment. The radar building belonged to the second type of lightning protection building. Finally， the height of lightning rod of the radar station， the power supply system and the lightning protection facilities of the information room were designed to provide a certain reference for the subsequent construction of the radar building.

Key words Weather radar; Lightning env-ironment; Lightning characteristics; Integrated program