黃 勇，李進毅，陳 倩，唐 蜜，胡曉東，張 棚，曹 毅

1.雅安市氣象局，四川雅安 625000；2.石棉縣氣象局，四川石棉 625400；3.涼山州氣象局，四川西昌 615000

1 雷暴的定義與危害

雷暴的定義：由于強積雨云引起的伴有雷電活動和陣性降水的局地風暴；在地面觀測中僅指伴有雷鳴和閃電的天氣現(xiàn)象。雷電強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應，一方面，可以造成洪澇災害，引起滑坡、崩塌（危巖體）、泥石流、巖溶塌陷、地面塌陷、地裂縫及房屋裂縫等地質災害；另一方面，以強電流、強電場造成人類生命財產(chǎn)的損失。其發(fā)生發(fā)展與季節(jié)、地形、地質和氣候等因素有關，它的發(fā)生存在不確定性[1]。

雷電災害是一種有著巨大危害性的氣象災害，被“聯(lián)合國國際減災十年委員會”列為“最嚴重的十種自然災害之一”，被中國國防電工委員會稱為“電子時代的一大公害”。隨著當前電子信息技術的發(fā)展和微集成電子元器件的廣泛應用，雷災事件日趨嚴重[2]。

石棉縣屬中緯度亞熱帶季風氣候為基帶的山地氣候。受地形影響，氣候垂直分布明顯，大渡河谷對水汽來源與風速、風向的影響較大，氣候復雜多樣，年平均雷暴日數(shù)39 d，屬中雷暴區(qū)[3]。目前，雷電天氣監(jiān)測預警主要基于地面電場、三維閃電定位等站網(wǎng)進行實時監(jiān)測，通過四川省雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)采集閃電數(shù)據(jù)的時空變化特征，為石棉縣X波段雙偏振多普勒氣象雷達站建設項目提出綜合系統(tǒng)、科學合理的防雷技術措施，以增強氣象雷達的綜合預警防御能力，為地方防災減災工作提供技術支撐。

2 雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)來源

利用四川省雷電監(jiān)測網(wǎng)（1個中心站和42個子站閃電定位儀）（2010—2019年）監(jiān)測的雷電數(shù)據(jù)資料進行匯總統(tǒng)計，分析石棉縣X波段氣象雷達站（29°13′36″N、102°23′ 43″E）5 km范圍內的雷電活動特征。

3 雷達站雷電活動特征分析

3.1 雷達站雷電活動年際變化月分布特征

依據(jù)石棉縣X波段氣象雷達站（29°13′36″N、102°23′43″E）5 km范圍2010—2019年監(jiān)測的雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出共發(fā)生閃電數(shù)2 084次，其中正閃數(shù)63次，占閃電總數(shù)3.02%；負閃數(shù)2 021次，占閃電總數(shù)96.98%；平均正閃強度為43.76 kA，平均負閃強度為-22.97 A，最大正閃強度為139.062 kA，最大負閃強度為-280.181 kA。負閃雷電相對更集中，負閃主要分布范圍為5~50 kA。

雷達站5 km范圍的雷電年際變化月分布活動期為3—10月，其中6—8月份為雷電高發(fā)期，85%以上的雷電都發(fā)生在這3個月份，7月為雷電最高峰值；1、2、11、12 月份基本沒有雷閃發(fā)生（圖1）。

圖1 雷達站雷電活動年際變化月分布

3.2 雷達站雷電活動時分布特征

依據(jù)石棉縣X波段氣象雷達站（北緯：29°13′36″、東 經(jīng)：102°23′43″）5 km范圍近10年（2010—2019年）雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出雷電活動時分布圖（圖2）。雷達站所在地5 km范圍一天當中雷電閃擊基本都出現(xiàn)過，其中，17:00~22:00（100次為標準）受局地地理環(huán)境地形氣候特征影響，在午后到上半夜時段內對流發(fā)展旺盛，從而發(fā)生強對流天氣，為雷電閃擊發(fā)生最頻繁時段；06:00~15:00為雷電少發(fā)時段。

圖2 雷達站雷電活動時分布

3.3 雷達站雷電活動雷電流幅值特征分析

依據(jù)石棉縣X波段氣象雷達站（29°13′36″N、102°23′ 43″E）5 km半徑范圍內，2010—2019年雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出雷電流累積強度概率分布曲線（圖3），其雷電流累積概率分別為90%、97%、98%、99%時對應的雷電流幅值見表1。

圖3 雷達站負閃、正閃雷電流強度累積概率曲線圖

表1 雷電流強度概率分布數(shù)據(jù)表

4 雷達站綜合防雷技術措施

4.1 雷達站的雷電防護等級確定

依據(jù)《建筑物電線信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB 50343—2012第4條之規(guī)定，結合石棉縣X波段氣象雷達站雷電活動特征（平均雷暴日39 d等）和建（構）筑物特性進行計算，雷達站所在地雷擊大地年平均密度Nr=7.8次/（km2·a）。另依據(jù)《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》QX/T 2—2016第5條表1雷達站防雷等級的劃分之規(guī)定，該雷達站防雷等級為二等,因而本次設計低壓供電系統(tǒng)設置3級浪涌保護，電子信息系統(tǒng)設計1級浪涌保護。

4.2 綜合防雷措施

4.2.1 直擊雷防護石棉縣X波段氣象雷達站雷達機房建筑物高度為11 m，雷達天線位于建筑物頂面，天線罩直徑為4 m。結合雷達站建筑物和雷達天線的特性和布局，依據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB 50057—2010），結合滾球法（取滾球半徑R=45 m）進行計算，在天線四周3 m半徑以外均勻設計實施3根高度為8 m的防直擊雷接閃針有效保護雷達天線。為了解決常規(guī)接閃針對雷達發(fā)射和接收電磁波所產(chǎn)生的干擾，防直擊雷接閃針支桿采用玻璃鋼，接閃針尖采用Φ20棒，引下線采用BVR 50 mm2多芯銅導線等電位連接接閃針，并內篏玻璃鋼內引至綜合接地網(wǎng)上[4]。

4.2.2 機房屏蔽和等電位連接為有效減輕雷電電磁感應對雷達機房設備的影響，將整個機房采用法拉第籠進行屏蔽。法拉第籠上下兩面采用建筑物結構板筋制作，形成不大于200 mm×200 mm的網(wǎng)格，板筋間在每1 m×1 m的網(wǎng)格處進行1次點焊連接。結構板筋四周采用-30×3扁鋼壓接，扁鋼與結構梁內貫通鋼筋每不大于2 m至少連通1次[5]。法拉第籠側面（機房四周墻面）采用后加金屬屏蔽網(wǎng)（網(wǎng)格不大于200 mm×200 mm）的方式制作，所有金屬屏蔽網(wǎng)安裝上下四周采取就近多點與建筑物基礎柱筋等電位電氣焊接連接。

為有效消除雷達機房內設備間的電位差，在整個機房內采用Mm型等電位連接方式進行等電位處理。等電位接地銅排規(guī)格為-3×30扁銅，在機房內靜電地板下用絕緣子做支架，按1 m×1 m敷設成網(wǎng)狀，并采用BVR 50 mm2多芯銅導線外引至綜合接地網(wǎng)上等電位電氣連接接地。機房內的靜電地板支架、金屬屏蔽管及其他金屬均需采用BVR 16 mm2銅芯線與等電位銅排相連，所有設備和機柜采用2根BVR 16 mm2連接，2根連接線間長度相差大于20%。

4.2.3 雷電電磁脈沖防護（1）電源系統(tǒng)防護措施。根據(jù)石棉縣X波段氣象雷達站供電方式及其分布狀況，以及《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》QX/T 2—2016標準要求，在雷達站的變壓器低壓側母排上安裝I類浪涌試驗，通流量不小于12.5 kA，保護水平應不大于2.5 kV的第一級浪涌保護器；在雷達站總配電箱內安裝II類浪涌試驗，通流量大于40kA，保護水平小于1.5 kV的第二級浪涌保護器。當有電源線路穿越LPZOB與LPZ1區(qū)時，宜在LPZ0B區(qū)內用電設備處加裝1套同級浪涌保護器；在雷達機房UPS配電箱、設備前端、弱電設備取電處安裝Ⅱ類或Ⅲ類浪涌試驗，通流量大于3 kA，保護水平＜1.0 kV的第三級浪涌保護器。以有效抑制或減輕外部輸電線路上感生的雷電電磁脈沖過電壓、過電流。

（2）電子信息系統(tǒng)過電壓防護措施。由電信部門引入光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)在線路進入LPZ1區(qū)處屏蔽管進行接地處理一次，在線路進入光端機時光纖加強筋及光端盒再進行接地處理一次。

其他系統(tǒng)：視頻監(jiān)控系統(tǒng)在穿越LPZ0B與LPZ1區(qū)的線路時，線路兩端設備需分別加裝適配的浪涌保護器；在LPZ1區(qū)內垂直敷設長度大于30 m時，應在線路兩端設備前加裝適配的浪涌保護器。當建筑物內有其他直流弱電設備時，其線路有上述情況時同樣處理[6]。

4.2.4 綜合接地網(wǎng)石棉縣X波段氣象雷達站的綜合接地網(wǎng)宜優(yōu)先利用自然接地體，同時，在避開接地體間相互屏蔽的情況下，沿建筑物基礎接地敷設環(huán)型網(wǎng)狀人工接地體，其綜合接地網(wǎng)接地電阻應≤4 Ω。

（1）雷達站項目中人工接地體設計采用-40×4紫銅帶[銅腐蝕率為1.01 g/（dm2·a）]作為水平接地體；垂直接地體采用銅包鋼[銅腐蝕率為1.05 g/（dm2·a）]接地極和FF-10B電解離子接地極作為等新型接地裝置技術。利用銅的良好導電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性，確保綜合接地網(wǎng)導電能力強、耐腐蝕、使用年限長（30年以上）、接地效能穩(wěn)定。各接地極和接地線之間的連接方式選用先進的放熱焊接技術，并輔以瀝青防腐措施，有效保障連接點電氣連接的持久耐用性。所有防雷裝置均按照“共網(wǎng)不共線，分類接地法”的原則，就近等電位電氣焊（連）接至綜合接地網(wǎng)上。

（2）接地電阻計算：根據(jù)現(xiàn)場土壤電阻率測試結果，取當?shù)赝寥离娮杪首罡咧?92.6 Ω·m為參考值。

①水平接地體接地電阻計算：RS=6.24 Ω

ρ— 原地層的土壤電阻率592.6 Ω·m；

L— 水平接地體長度240 m；

d— -4×4 mm的扁銅帶等效直徑0.04/2=0.02 m；

h— 接地體埋深1.0 m；

A— 水平接地體形狀系數(shù)，口型地網(wǎng)取1；

②單根銅接地棒（Φ25 mm）接地電阻RC=214.59 Ω

ρ—原地層的電阻率592.6 Ω·m；

lc—垂直接地體長度2.5 m；

d—等效直徑0.025 m。

③32根銅接地極的接地電阻Rl=8.94 Ω

n—接地體的根數(shù)取32；

η—多根接地體共用時的利用系數(shù)取0.75。

④整個接地地網(wǎng)的沖擊接地電阻RZ=3.68 Ω

經(jīng)上述理論計算，結合石棉縣X波段氣象雷達站所處的地理環(huán)境、土壤地質結構（土壤電阻率592.6 Ω·m）等特征，人工接地體設計采用長度為240 m的-40×4紫銅帶[銅腐蝕率為1.01 g/（dm2·a）]作為水平接地體；垂直接地體采用22根φ25銅包鋼[銅腐蝕率為1.05 g/（dm2·a）]接地體和10套FF-10B電解離子接地極在雷達站場區(qū)設計制作一環(huán)形綜合接地網(wǎng)，綜合接地網(wǎng)接地電阻值RZ=3.68 Ω＜4 Ω，能夠滿足雷達站綜合防雷接地設計要求。

5 綜合結論

（1）雷達站雷電時空分布特征。根據(jù)石棉縣X波段氣象雷達站所在地5 km范圍10年（2010—2019年）雷電數(shù)據(jù)分析得出雷電活動特征：雷達所在5 km范圍地雷電活動期為3—10月，其中6—8月為雷電高發(fā)期（占比85%以上），7月為雷電最高峰值。一天當中雷電閃擊基本都出現(xiàn)過,其中17:00~22:00（100次為標準）為雷電閃擊發(fā)生最頻繁時段，06:00~15:00為雷電少發(fā)時段。

（2）雷達站綜合防雷技術應包括防直擊雷接閃裝置、雷電電磁脈沖防護、均壓、等電位、電磁屏蔽和綜合接地等措施，并依據(jù)國家相關技術標準實現(xiàn)各系統(tǒng)間的綜合、科學性。

（3）雷達站施工中的關鍵技術把握：應加強對各防雷措施間的安裝工藝質量和能量配合，以及接地隱蔽工程的監(jiān)督檢查；所有等電位連接處（或端子）的焊（連）接的工藝質量和電氣連接導通性能的檢查（測）。

6 結束語

雷達系統(tǒng)的防雷是一個綜合系統(tǒng)工程，應在科學分析雷達站所處雷電氣候特征的基礎上，結合國家相關防雷標準，按照“綜合治理，整體防御，多重保護，層層設防和科學經(jīng)濟”的基本原則，主要采取防直擊雷接閃裝置、雷電電磁脈沖防護、均壓、等電位、電磁屏蔽和綜合接地等措施進行綜合防護，從而保障雷達系統(tǒng)的安全、高效地運行，充分發(fā)揮氣象防災減災第一道防線作用。