吳從權

（江門市氣象局，廣東江門 529000）

雷電是發(fā)生在雷雨云中、云際或云地間的電學現(xiàn)象，具有電壓高、電流強、變化劇烈的特點，雷電對人們的生命和財產安全構成了巨大威脅［1］。雷電流產生的巨大破壞力和很強的電磁干擾作用，對電子設備危害大，美國通用研究公司R.D希爾仿真實驗研究結果顯示，當雷擊電磁磁場強度達到5.57 A/m時，會導致計算機誤動作；超過191 A/m時，計算機將永久損壞［2］。信息系統(tǒng)建筑物防雷工程是一個系統(tǒng)工程，雷達信息處理中心大樓擔負著雷達氣象探測數(shù)據(jù)處理，氣候資源信息利用等功能，樓內有大量的電子設備和計算機系統(tǒng)，雷電防護要求較高，因此大樓需采取綜合雷電防護措施，從直擊雷防護到雷電電磁脈沖防護，從外部防雷到內部局部防雷綜合考慮［3］。

1 資料與方法

雷達信息處理中心大樓位于江門市蓬江區(qū)棋子山山腳，樓高5層20 m，長40 m，寬20 m，其中信息處理機房位于大樓3層。閃電數(shù)據(jù)來源于廣東省閃電定位系統(tǒng)［4］，該系統(tǒng)是由中國科學研究院空間科學與應用研究中心研究，主要用于監(jiān)測地閃回擊的發(fā)生時間、方位、強度、極性和上升時間等，探測半徑≥300 km，探測效率≥80%，時間精度≤10-7s［5］。

本研究所選取雷達信息處理中心大樓所在地江門市2009—2018年雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料及廣東省閃電定位系統(tǒng)2009—2018年江門地區(qū)的云地閃數(shù)據(jù)，運用統(tǒng)計分析方法，分析研究雷達信息處理中心大樓的雷電活動特征，根據(jù)雷電活動特征探討雷達信息處理中心大樓的雷電防護措施。

2 雷達信息處理中心大樓區(qū)域雷電活動特征

據(jù)江門市2009—2018年雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料顯示，雷達信息處理中心大樓所在區(qū)域年平均雷暴日87 d/年，屬雷暴高發(fā)區(qū)。另外，根據(jù)廣東省閃電定位系統(tǒng)資料統(tǒng)計可知，雷達信息處理中心大樓所在區(qū)域10年平均地閃密度Ng=20.85次/（km2·年）［6］。

2.1 區(qū)域范圍內10年雷電流幅值概率分布

以雷達信息處理中心大樓為中心3 km為半徑作圓，統(tǒng)計得出3 km范圍雷電流累計概率分布曲線（圖1），其中最大雷電流124.2 kA，平均為25.4 kA，區(qū)域范圍內近10年雷電流幅值［5］：1%→118 kA，即雷電流幅值＞118 kA的地閃概率為1%；2%→95 kA，即雷電流幅值＞95 kA的地閃概率為2%；5%→69 kA，即雷電流幅值＞69 kA的地閃概率為5%；10%→55 kA，即雷電流幅值＞55 kA的地閃概率為10%；50%→22 kA，即雷電流幅值＞22 kA的地閃概率為50%。

圖1 雷電流累積概率分布曲線

從統(tǒng)計結果可以看出，99%的雷電流幅值＜118 kA，大雷電流概率較低，50%的雷電流幅值在22～55 kA之間。

2.2 雷電地閃月均分布規(guī)律

統(tǒng)計雷達信息處理中心大樓所在區(qū)域3 km半徑范圍內10年雷電地閃月均分布（圖略）可知，該區(qū)域3月份開始進入雷暴期，4月份雷電活動最為強烈，5—8月份次之，10月份至次年2月份幾乎沒有地閃發(fā)生。

2.3 雷電地閃時段分布

由雷達信息處理中心大樓所在區(qū)域3 km半徑范圍內雷電地閃日均分布（圖2）可見地閃日均活動的規(guī)律：該地域幾乎全天都有地閃活動，10：00—20：00（北京時，下同）為地閃高發(fā)時段，75%以上的地閃發(fā)生在這個時段，其中17：00雷電活動最為強烈［6］。

圖2 雷電日均分布

3 大樓雷電防護技術

根據(jù)該區(qū)域3 km范圍內雷電活動特征，考慮到雷達信息處理中心大樓擔負著氣象探測數(shù)據(jù)處理等功能，以及室內電子設備和計算機系統(tǒng)的重要性，大樓雷電防護須采取整體綜合防護措施，即從直擊雷防護到雷電電磁脈沖防護，從外部防雷到內部局部防雷綜合考慮［7］。

3.1 接地裝置

防雷接地系統(tǒng)是防雷裝置的重要組成部分，接地系統(tǒng)主要是向大地泄放雷電流，限制防雷裝置與其連接的金屬物體對地電壓不致過高［5］；接地電阻值越小，散流就越快，被雷擊時高電位保持時間就越短，危險性也就越小。

經測量雷達信息處理中心大樓的土壤電阻率達500Ω·m，相對土壤環(huán)境較差，防雷與電氣設備共用接地裝置，大樓利用建筑物自然接地體與人工接地體相結合，其中人工接地體敷設在建筑物四周1.5 m處，深埋0.6 m以上，并添充40 cm長效降阻劑，水平接地體用40 mm×4 mm扁鋼，垂直接地體用∠50×50×5×2000鍍鋅角鋼，每間隔4 m設一支。

3.2 接閃器

沿天面女兒墻明敷Φ12不銹鋼圓鋼作接閃帶，同層及層間的接閃帶采用Φ12不銹鋼圓鋼焊接連通。陽角裝設50 cm高Φ16不銹鋼圓鋼短桿。

為防止側面直接雷擊，從首層起利用建筑物四周圈梁內兩條結構主筋通長焊接構成均壓環(huán)，外墻金屬門窗、玻璃幕墻與均壓環(huán)等電位連接，玻璃幕墻每隔12 m與均壓環(huán)連接一次，每個金屬門窗的接地點應不少于兩處。

3.3 等電位連接

等電位連接是防護雷電壓反擊的重要措施之一，減少雷電壓在設備間產生的電位差損失設備。機房等電位連接采用S型結構，用25 mm2的銅材料將各局部等電位聯(lián)接端子、各PE線、金屬管道等金屬部件連接到總等電位連接端子上。機房內設備的金屬外殼、機柜、機架、金屬屏蔽管（槽）及大型金屬物就近與等電位連接［9］。

3.4 屏蔽措施

屏蔽也是減少和防止雷電電磁脈沖干擾的基本措施之一，所有進入雷達信息處理中心大樓的電源線、信號線等線路均應采用屏蔽線纜，或采取金屬屏蔽槽埋地敷設進入。

機房采用Φ8圓鋼設置成法拉第籠屏蔽網(wǎng)進行屏蔽，屏蔽后機房內的安全距離ds/1和電磁強度H1如表1所示。

表1 I0=150 kA、dw=3 m、dr=6 m，wm 頂3層ds/1、H1的值

表1表明，機房宜采用Φ8設置1.5 m×1.5 m的法拉第籠網(wǎng)屏蔽，設備可放置離外墻2.0 m的屏蔽機房內，當建筑物屋頂上的任意點受到150 kA的雷擊時，機房內的電磁強度為33.68 A/m，設備能承受雷電電磁干擾而正常工作。

3.5 雷電電磁脈沖電源系統(tǒng)防護

1）雷擊電磁脈沖防護級別劃分。

（1）建筑物預計雷擊次數(shù)N=kNgAe［10］，N=N1+N2=42.17次/年。

（3）本信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護等數(shù)判斷，攔截效率E的確定：E=1-Nc/N=1-7.7×10-4/42.17=0.99＞0.98，為A級，本信息系統(tǒng)的低壓電源應采用3級的SPD進行保護。

3.6 電源SPD選型及安裝

依據(jù)雷擊電磁脈沖防護級別判斷結果，電源系統(tǒng)防雷電電磁脈沖侵入，采取3級電源SPD進行分級保護，進行逐級泄流保護，以降低雷電電磁脈沖侵入損壞計算機等電子設備風險。電涌保護器的安裝位置、級數(shù)及其參數(shù)選型詳見表2［11］。

表2 電源系統(tǒng)SPD參數(shù)選型

在選擇SPD的性能參數(shù)時，要充分考慮SPD之間以及SPD與被保護設備之間的能量配合問題。必須充分考慮振蕩現(xiàn)象對SPD保護距離的影響。振蕩現(xiàn)象會引起被保護設備失效，當SPD和被保護設備之間的距離太長，設備端產生的振蕩電壓值普遍高至兩倍的Up，在某些情況下，甚至超過這個水平。因此，當SPD被用來保護特定設備或當SPD裝在主配電盤上而不能為某些設備提供足夠的保護時，SPD應盡可能地靠近被保護設備。

3.7 信號線路防護

信號傳輸全程采用光纖，光端設備均置于金屬箱內，將光端設備進行可靠接地，光纖金屬加強芯、金屬擋潮層等兩端做好電位連接［12］。

4 結論

1）雷達信息處理中心大樓所在區(qū)域年平均雷暴日87 d/年；3 km 范圍內地閃密度Ng=20.85次/（km2·年），最大雷電流124.2 kA，雷電流幅值位于22～55 kA的地閃概率為50%，平均為25.4 kA；5月份雷電地閃活動最為強烈；日地閃活動10：00—20：00是地閃高發(fā)時段，其中17：00雷電活動最為強烈。

2）防雷接地裝置采用自然接地體和人工接地，設備與防雷共用接地體，接地電阻不大于1Ω。

3）大樓天面防雷接閃器采取明敷Φ12不銹鋼，側擊雷防護從首層起利用建筑物四周圈梁內兩條結構主筋通長焊接構成均壓環(huán)，外墻金屬門窗、玻璃幕墻與均壓環(huán)等電位連接。

4）大樓內信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護級別為A級，采用Φ8圓鋼1.5 m×1.5 m法拉第籠網(wǎng)屏蔽、S型等電位連接、安裝3級電源SPD等防雷措施后，可有效防御雷擊電磁感應、地電位反擊、雷電電磁脈沖電涌侵入，保障機房設備和系統(tǒng)安全。