机动型气象雷达的防雷设计

薛宜童，陈 雷

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

机动型气象雷达的防雷设计

薛宜童，陈 雷

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

针对机动型气象雷达的工作特点和雷电伤害的不同种类，提出了一种防雷设计思路，并对具体的防雷装置的选用和安装作了较为详细的阐述。

机动型气象雷达；直击雷防护；感应雷防护

0 引 言

机动型气象雷达主要用于短时天气精确预报、应急气象保障和为人工影响天气作业提供实时观测。由于机动气象雷达工作时常处于复杂的气象环境条件，架设地点通常在地势高、地形平坦的地方，其遭受雷击的概率大大增加。目前，机动型气象雷达在国内外气象防灾上刚刚兴起，更无防雷规范和标准。因此，可靠的防雷设计对机动型气象雷达的安全性十分重要。

1 雷电产生机理及分类

1.1 雷电产生机理

雷电在气象学上称为雷暴。雷电的产生是由于云块中水气与冰颗粒的物理运动，形成带电的云层，称为雷云，造成云块中电子堆积形成的同极性的云块之间或云块与地之间的电势差。当电子不断地堆积，使电场达到一定的强度时，云块之间或云块与地之间产生放电。雷电释放的能量非常巨大，可以达到几百个千安，而且在雷电释放过程中，释放的强大电流在其周围产生强烈的电磁场，使邻近的物体、人员、金属线路感应出强大的瞬间过电压和过电流，进而可能造成伤害。

1.2 雷电分类

按雷电所造成伤害的不同形式，通常可分为以下两类：

1.2.1 直击雷

雷暴活动区内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地所产生的放电现象，称之为直接雷。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的电流转变成热能，瞬间可释放强大能量。直接雷具有强大的破坏力。闪电击中管道或导线时，雷电流可以沿线传送到很远的地方，其巨大的电热效应不仅对设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并可危及有关操作人员的安全[1]。

1.2.2 感应雷

感应雷主要有静电感应和电磁感应两种情况。

(1) 静电感应 当雷云来临时，在其所覆盖的地表面和各种物体上尤其是导体上将感生出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，形成静电场。当这种静电场强度不足以击穿空气产生中和效应，而雷云对另一雷云或带电体放电后，云中电荷消失。此时地面物体尤其是导体上聚集的电荷却产生了很高的电势，串入用电设施同样会造成对电子器件的损坏。

(2) 电磁感应 闪电电流在闪电通道周围的空间产生磁场。这种磁场将随时间而变化，并在附近的各类金属导体上激发出感应电动势或感生电流。在闪电电流入地过程中，变化磁场在附近金属导体上产生的感应电动势或感生电流也会造成电气设备的损坏[2-3]。

2 机动雷达探测系统防雷的特殊性

与传统的建筑物防雷相比，机动雷达探测系统的防雷存在一定的难度及特殊性。

(1) 工作地点不固定 机动雷达探测系统具有随机移动性，其工作地点不固定，不能像建筑物一样建设固定的防雷站。

(2) 易遭受雷击 由于雷电具有寻找阻抗最小路径以泄放雷云电荷与地下异性电荷中和的趋势, 而机动雷达探测系统多在野外工作, 其车顶通常装有多种电台天线、接力机天线和高架天线升降杆, 且处于局部区域最高点, 因此极易成为直击雷目标。与此同时，机动雷达探测系统车内集成了各类通信、交换、信息处理和供电设备, 在车体壁上设有电源和信号对外接口,引接线缆较长,亦容易遭受感应雷击。

(3) 接地效果难以保证 由于机动雷达探测系统使用地点的随机性，且接地系统的效率受土壤电阻率影响较大，应在工作之前先了解工作地区的土壤电阻率，选择接地效果较好的地点作为系统工作点。

(4) 没有相关标准规范 目前并没有针对车载系统的防雷技术规范，相关设计只能参照建筑物防雷标准，设计效果会有一定的误差。

3 机动雷达探测系统的防雷设计

3.1 雷电防护基理及防雷系统设计[4-8]

雷电保护的基本途径是提供一条使雷电(包括雷电电磁脉冲辐射)对地泄放的合理低阻抗路径,而不使其随机选择放电通道。鉴于直击雷和感应雷的侵害渠道不同,雷击防护主要分为直击雷防护和感应雷防护。其中,直击雷防护较直接, 一般在被防护物体附近加装主动式防雷装置。感应雷所引起的雷击电磁脉冲作用范围广、侵入方式复杂,需采用均压、分流、浪涌保护、屏蔽和等电位连接等方法将其消除在设备外围。

感应雷防护具体措施包括:

(1) 均压 使系统各部分不产生足以致损的电位差,使系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相等；

(2) 分流 形成良好的雷电泄放通道,将瞬态的雷电强电流直接导入地下泄放；

(3) 浪涌保护 将瞬态强电磁脉冲限制在一定范围内,以转移有源导体上的多余能量；

(4) 屏蔽 采用接地良好的金属屏蔽材料将被防护物体尽量封闭起来,从而实现防止或减弱外来电磁干扰的目的；

(5) 等电位连接 其目的防止和减小设备与设备间、系统与系统间电位差。

机动雷达探测系统防雷设计是系统性的课题，必须从系统集成的高度展开设计，并结合接地、电磁兼容性、综合布线设计，相互配合、补充，才能构成一套完整的防雷系统，如图1。

图1 雷达综合防雷系统

3.2 直击雷防护

3.2.1 接闪器

由于机动雷达探测系统在野外空旷地带无其他建筑保护时易遭受直击雷袭击,工程设计中采用接闪杆(避雷针)主动式防雷，避雷针的高度采用“滚球”法(如图2)计算出:

图2 单根接闪杆的保护范围

式中，rx为避雷针在hx高度平面上的保护半径(m)，r0为避雷针在地面上的保护半径(m)，h为避雷针高度(必须是h≤hr)(m)，hx为被保护物的高度(m)，hr为滚球半径(m)。

根据机动雷达探测系统的特点，采取45 m的滚球半径，接闪杆可采用液压或气压升降杆，随车装备。当接闪杆对雷达正常工作有影响时，可以采用玻璃钢。

3.2.2 引下线

避雷针的引下线应不少于2条，应采用截面积50 mm2的带绝缘铜芯导线，直接与避雷针底部相连接 (可拆卸的压接方式，压接螺栓不小于M12) ，并与车体高度绝缘。使用时，引下线应沿车体外侧对称敷设，与车体高度绝缘，并通过铜质接地桩与大地连接。

3.3 感应雷防护

3.3.1 接地

当作业现场附近已有满足要求的接地装置时，应优先利用已有接地装置，采用50 mm2的带绝缘铜芯导线与接地装置连接；当作业现场附近无满足要求的接地装置时，应设置人工接地装置，人工接地装置可采用截面积不小于50 mm2的铜链，长度不小于40 m。接地体应布成环形，其包围的等效面积不小于5 m2。对于土壤电阻率过高的地区，可在接地桩上浇淡盐水以降低电阻率。

3.3.2 等电位连接

车体作为总等电位连接导体于屏蔽体，在载车平台内部环舱闭敷设截面积不小于50 mm2的设备自带的地线排，作为局部等电位连接端子板。局部等电位连接端子板与总等电位连接导体采用截面积不小于35 mm2的绝缘铜芯导线进行连接。车内电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、电缆金属屏蔽层、防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器接地等均应以最短距离通过等电位连接导线与等电位连接端子板连接，雷达的所有构件、安装在车外的照明灯、摄像机、风杆等金属物与车体进行等电位连接。

3.3.3 屏蔽

车体作为屏蔽体，雷达天线接到车厢机房的所有电缆宜敷设在金属屏蔽槽(管)内，金属屏蔽槽(管)和波导管在穿经车厢时应与车厢等电位联结带电气连接。金属屏蔽槽(管)首尾应电气贯通。雷达天线至车厢机房的电缆线入口处应用金属罩屏蔽并接地。

3.3.4 合理布线

合理布线可降低线间以及线地间因电磁感应产生的高电压，减少电磁耦合的几率, 改善电磁环境。车辆内部布线及走线应减小干扰源和敏感电路的环路面积。增大干扰源与敏感线路走线间的距离,提高空间隔离,使两者间静电耦合最小。尽可能使两者间走线呈直角相交布线,从而减少线路间互感。信号和电源电缆应尽量远离其他有可能接闪以及流过雷电流的金属物,控制系统线路尽可能采用双绞线。不同种类布线需分开捆扎,并保留一定敷设间距。

3.3.5 浪涌保护

在机动雷达探测系统发电机配电盘处应装Ⅰ级试验的电涌保护器，在配电箱进线处应装Ⅱ级试验的电涌保护器。当条件受限时可装置兼具Ⅰ级试验的电涌保护器和Ⅱ级试验的电涌保护器功能的组合型电涌保护器。通信设备的输入/输出端口处和网络设备接口处，应安装适配的电子系统电涌保护器。天馈线路电涌保护器宜安装在收/发通信设备的射频处、入端口处。

4 结束语

机动雷达探测系统的防雷设计对于保护其在恶劣天气环境工作时的安全十分重要。本文分析了不同的雷击伤害类型，参考了相关资料，并结合车载的特点，提出了相应的保护措施，能够有效地保护机动雷达探测系统遭受雷电伤害。

[1] GB 50057-2010 建筑物防雷设计规范[S].

[2] GB 50343-2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[3] GJB 6784-2009 军用地面电子设施防雷通用要求[S].

[4] QX+2-2000 新一代天气雷达站防雷技术规范[S].

[5] QX+4-2000 气象台(站)防雷技术规范[S].

[6] 刘峰.通信车防雷设计[J].专用汽车,2011(10):72-75.

[7] 陈红兵，徐文.移动气象台防雷技术[J].现代建筑电气，2011(6)：43-48.

[8] 吕建荣.无线综合通信车的防雷设计探讨[J].科技传播，2011(13):230-231.

Lightning protection design of mobile weather radar

XUE Yi-tong, CHEN Lei

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Based on the work characteristics of the mobile weather radar and the different types of lightning damage, an idea of the lightning protection is proposed, and the selection and installation of specific lightning protection devices are described in detail.

mobile weather radar; direct lightning protection; inductive lightning protection

2014-10-11;

2014-10-20

薛宜童(1979-),男,工程师,研究方向:大气与海洋类雷成系统;陈雷(1971-),男,工程师,研究方向:雷达总体技术。

TN959.4

A

1009-0401(2014)04-0020-03