劉 穎 張 俊 李何全

（1.怒江州氣象局，云南 怒江 673199；2.瀘水市氣象局，云南 怒江 673199）

0 引言

天氣雷達站的防雷減災不僅與雷達站本身的安全有關，還與是否能夠精確地向外界提供突發(fā)性氣象災害信息有關，還與政府部門抗災救援決策是否能夠快速傳達有關，與人們的生命和財產(chǎn)安全有關[1]。因此，必須全面做好雷達站的雷電防護。該文根據(jù)國家相關防雷規(guī)范以及雷達站周邊環(huán)境，結合其環(huán)境惡劣和土壤電阻率高的特點，對貢山縣X 波段雷達站的防雷工程設計方案進行探討。

1 氣候、地理、土質等自然環(huán)境

1.1 氣候狀況

貢山氣候屬于亞熱帶季風氣候，由于地處峽谷，海拔高差懸殊，且受印度洋季風、太平洋季風影響，加上青藏高原北部南下冷空氣和復雜的地理地形因素，氣候垂直變化明顯，因此形成亞熱帶、暖溫帶、寒帶和寒溫帶等氣候帶。貢山縣立體氣候和小區(qū)域氣候特征明顯，年平均氣溫16 ℃，年降雨量在2700 mm~4700 mm，年雷暴日25 天。

1.2 地形及地貌概況

貢山縣X 波段雷達站位于高黎貢山國家級自然保護區(qū)核心區(qū)獨龍江隧道口上方，地形起伏大，地勢崎嶇。雷達塔樓建設在其中一座山頭，周圍環(huán)境比較開闊，海拔高度4054 m，自然環(huán)境惡劣。

1.3 地質及土壤概況

根據(jù)實地勘察，雷達站所在山頭多石少土，整個山體結構以巖石為主，表層主要為堅硬土，土壤含水量較低。分別在雷達站地基處、地基東8 m、地基西8 m、地基南8 m、地基北8 m 進行測量，測量結果見表1。貢山縣X 波段雷達站所在地的土壤電阻率高且分布不均勻，平均值為1437 Ω·m，屬于高土壤電阻率地區(qū)。

表1 貢山縣X 波段雷達站測試點土壤電阻率測量值

2 雷達站防雷等級確定

2.1 雷達站防雷等級劃分

根據(jù)《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》QX/T2—2016（附錄A）的規(guī)定，對貢山縣X 波段雷達站防雷等級進行確認。

雷達站所在地雷擊大地年平均密度修正值如下。

式中：貢山Td=25（d/a），k=2（雷達站位于孤立曠野）。

《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》規(guī)定，應按照《建筑物防雷設計規(guī)范》第二類防雷建筑物的要求對雷達站進行外部雷電防護裝置的設計，并根據(jù)表A.1，確定貢山縣X 波段雷達站防雷等級劃分為二等。

2.2 雷達站信息系統(tǒng)防雷等級劃分

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB 50343—2010（附錄A）給出的雷擊風險評估方法對貢山縣X 波段雷達站信息系統(tǒng)進行評估。

2.2.1 年預計雷擊次數(shù)N1因為雷達樓高度小于100 m，所以：

式中：L、W、H分別為塔樓頂部建筑物的長7.55 m、寬7.5 m、高11.5 m。

則Ae=0.0083km2；N1=k·Ng·Ae≈0.0415（次/a）。

2.2.2 入戶設施年預計雷擊次數(shù)N1

雷達站的信號線和低壓電源均以埋地方式進入雷達站。線路從建筑物至網(wǎng)絡的第一個分支點或相鄰建筑物的長度L未知，ds等于土壤電阻率值，最大取500。則L=1000m，ds=500m。

則N2=Ng·A`

e=（0.1×Td）×（A`e1+A`

e2）=7.98+2=9.98（次/年）

2.2.3 建筑物及入戶設施年預計雷擊次數(shù)

2.2.4 可接受的最大年平均雷擊次數(shù)Nc

式中：C1=1.0（鋼筋混凝土材料）、C2=2.5（B 類電子信息系統(tǒng)）、C3=3.0（集成化程度很高的計算機、通信或控制設備等）、C4=1.0（LPZ1）、C5=1.0（信息系統(tǒng)原則上不允許中斷，但中斷后無嚴重后果）、C6=0.8（年平均雷暴日25 天，屬少雷區(qū)）。

2.2.5 雷達系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護分級E

E=0.99>0.98，所以貢山縣X 波段雷達站的電子信息系統(tǒng)雷電防護等級為A 級，低壓系統(tǒng)應安裝4 級SPD。

3 雷達站防雷設計方案

貢山縣X 波段雷達站的防雷措施分為外部防雷和內部防雷2 個部分，一套完善的雷電防護設施，應采取接閃、分流、屏蔽以及接地等技術措施。在防雷設計過程中，既要考慮雷電防護裝置的保護需求，又要考慮降低經(jīng)濟成本，避免因采取過度的防護措施而導致經(jīng)濟費用增加。

3.1 接閃器設計

雷達塔樓為2 層的框架結構，高度為7 m，天面架設一個高4.5m 的天線罩，平臺邊緣距雷達天線罩最遠距離為3.07m。根據(jù)《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》QX/T2—2016 規(guī)定在雷達天線平臺安裝時接閃桿不少于3 支以及接閃桿與天線罩邊緣的水平距離不宜小于3m?？紤]防反擊距離和經(jīng)濟效益，在雷達天線平臺距天線罩外緣3m 處安裝四支等高避雷針。為增加安全系數(shù)，被保護高度應在雷達天線罩上方1 m 處，這樣須保護高度hx=5.5m。按滾球法（滾球半徑45m）計算如下。

如圖1 所示，在正方形ABCD的4 個頂點處分別安裝四支等高避雷針。這樣不僅AB、BC、CD、DA4 個邊長組成了等高雙支避雷針結構，而且對角線AC、DB也組成了等高雙支避雷針結構。當四支等高接閃桿支撐起的球體（半徑45m）底部高于須保護高度hx時，雷達天線罩就可以得到保護。所以應由正方形ABCD的對角線AC、DB的2 組等高雙支避雷針結構對雷達天線罩的保護來計算避雷針的高度[2]。

按圖2 所示計算：MH=5.5+45=50.5m

圖2 四支等高避雷針以正方形布置的針長計算圖

避雷針的長度：

此外，在塔樓屋頂四周敷設Φ16mm 熱鍍鋅圓鋼作為接閃帶，每隔1m 間距做1 只支撐卡子，接閃帶高出女兒墻0.15m，頂層用Φ16mm 的圓鋼做成不大于10m×10m 的避雷網(wǎng)格（屏蔽網(wǎng)）。

3.2 引下線設計

雷達站塔樓引下線利用四周構造柱內2 根以上主鋼筋自下而上電焊連通，上部與塔樓屋面水平圈梁主鋼筋及避雷帶焊接連通，下部與基礎圈梁主鋼筋電焊連接。為了充分利用柱內鋼筋，使其具有更低的高頻阻抗和電阻，塔樓柱內鋼筋作為引下線的主鋼筋通長焊接之外，另外的鋼筋采用綁扎方法，并將箍筋與每根鋼筋焊接，或每層加1 個短路環(huán)。

3.3 均壓環(huán)設計

雷達站塔樓每層都設均壓環(huán)。以建筑物圈梁內至少2 條鋼筋全長閉合焊接連通作為均壓環(huán)，并就近與引下線做可靠焊接。在每層塔樓外墻上的所有孔洞預留2 個接地端子，以便窗框就近與均壓環(huán)做可靠連接。

3.4 接地網(wǎng)設計

雷達站所在地測量的土壤電阻率高且分布不均勻，土壤電阻率為1000 Ω·m~1600 Ω·m ，屬于高土壤電阻率地區(qū)。為防止雷擊時地電位反擊，采用基礎鋼筋網(wǎng)與人工輔助接地網(wǎng)連接的共用接地系統(tǒng)。根據(jù)相關規(guī)定，在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻值不大于4Ω。因貢山縣X 波段雷達站所處位置自然環(huán)境惡劣，施工難度大，該文選取了較容易實施和經(jīng)濟的方法。

3.4.1 降阻措施

如圖3 所示，充分利用雷達站塔樓的基礎鋼筋網(wǎng)作為自然接地體，在雷達塔樓外圍做一圈人工水平接地帶，每間隔6m打1 根∠50×50×5×1500mm 熱鍍鋅角鋼做為垂直接地極，采用60×6mm 的扁鋼做為水平接地極，將降阻劑敷于接地溝槽內的垂直接地極及水平接地極周圍，水平接地極和垂直接地極采用焊接的方式，水平、垂直接地體頂部的埋設深度距離地面不小于0.5m；在雷達站基礎地網(wǎng)4 個方向采用4 根60×6mm 鍍鋅扁鋼與人工補充接地網(wǎng)焊接連通，在扁鋼間隔2m 以上位置安裝接地模塊。

圖3 接地網(wǎng)布置示意圖

3.4.2 接地電阻計算

接地電阻計算如下[3]。

3.4.2.1 單根垂直接地體接地電阻

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；Lc為單根垂直接地體長度，m；Dc為灌降阻劑后等效垂直接地體直徑，取0.2 m；K為降阻系數(shù)，取K=20。

3.4.2.2 幾根并聯(lián)的相同垂直接地體的工頻接地電阻

式中：nc為垂直接地體的數(shù)量；ηc為垂直接地體的利用系數(shù)。

3.4.2.3 水平接地體接地電阻

式中：Lp為水平接地體總長度，m；K為降阻系數(shù)，取K=100；Dp為灌降阻劑后的等效水平接地體橫截面直徑，取0.2 m；A為水平接地體形狀系數(shù)，由于整個地網(wǎng)形狀不規(guī)則且邊緣閉合，因此A取1.69。

3.4.2.4 垂直、水平綜合接地體的工頻接地電阻

式中：ηp為水平接地體的利用系數(shù)。

3.4.2.5 降阻劑用量

根據(jù)設計接地體長和直徑的幾何尺寸計算降阻劑用量，如公式（6）所示。

式中：W為降阻劑用量，t；L為接地體長度，m；D為接地體等效直徑，m；d為降阻劑當量密度，取1.35 t/m3。ρ土壤電阻率（取平均值為1437Ω·m），查《工業(yè)企業(yè)通信接地設計規(guī)范》GBJ 79—85（附錄二）得ηc=0.70、ηp=0.68，Lc=1.5m，nc=20，Lp=280m 代入公式，得Rx=3.86Ω，W=13t。

3.5 機房屏蔽和等電位連接設計

雷擊時，即使雷電經(jīng)避雷針分流，電磁場也幾乎不會衰減，設備很容易遭受損害，危險性高，另外機房內的雷達發(fā)射、接收等設備所產(chǎn)生的電磁輻射對工作人員的危害也很大。所以采取屏蔽措施是很有必要的，可以保障雷達設備和人員的安全。

為減弱磁場強度，在雷達機房的頂部、地面、外墻用Φ8mm 鋼筋鋪設尺寸不大于200mm×200mm 的鋼筋網(wǎng)，充分利用雷達塔樓內的鋼筋結構，使其構成1 個六面體的網(wǎng)籠。同時在外墻窗戶位置加裝不大于200mm×200mm 的金屬網(wǎng)格并可靠接地；機房的金屬板門、隔斷與雷達站的主鋼筋也做可靠接地連接；為防止雷電流沿外墻柱內的鋼筋分流時對機房內的設備造成磁場干擾，盡量靠近機房中心位置安裝設備，機房內設備離外墻的安全距離≥1m；機房內的通信電纜和電力電纜采用屏蔽電纜；機房地面上鋪設防靜電地板，進入機房的線纜敷設于金屬屏蔽槽（管）內；防靜電地板支架及所有金屬構件、機柜等用6mm2銅線就近做等電位連接，以減少雷電流在雷達塔樓內部產(chǎn)生的雷電反擊、電磁脈沖效應等破壞作用。

3.6 供電系統(tǒng)的防護設計

貢山縣X 波段雷達站低壓供電采用TN-S 系統(tǒng)，當鎧裝電纜金屬外皮、金屬管道等接入雷達樓時應與預留的等電位匯集排做等電位連接接地處理。在總配電柜、分配電柜和雷達機房內或其他重要設備配電箱（柜）內安裝四級電涌保護器。在雷達站的總配箱內安裝通流量不小于40 kA（10/350μs）的SPD 作為第一級保護。在雷達樓分配電柜內分別安裝通流量不小于20 kA（10/350μs）的SPD 做電源線的第二、三級保護。在雷達機房終端設備、雷達專用設備等電源控制柜內安裝通流量不小于5 kA（8/20μs）的SPD 做第四級保護。

4 結語

防雷工程是一個綜合系統(tǒng)工程，雷達站的防雷設計直接關系到雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準確性。該文主要根據(jù)國家有關防雷規(guī)范，結合其環(huán)境惡劣和土壤電阻率高的特點，確定了貢山縣X 波段雷達站的防雷類別、電子信息系統(tǒng)防護等級以及設計了雷電防護裝置經(jīng)濟方案。在滿足設計意圖的前提下提高施工質量，提高雷電保護工作的成效，保障雷達站安全運行，進一步為防災減災、經(jīng)濟社會發(fā)展提供優(yōu)質的氣象服務。