新一代天气雷达站雷灾调查鉴定与防雷技术研究

李衣长，张泉锋，李日豪，童凌青

(福建省三明市气象局，福建　三明　365000)



新一代天气雷达站雷灾调查鉴定与防雷技术研究

李衣长，张泉锋，李日豪，童凌青

(福建省三明市气象局，福建三明365000)

雷达站防雷工作是一项非常重要而又技术难度高的工作，该文通过一次雷达站雷击过程的雷灾调查鉴定和整改工作实例，对雷达站这类精密电子设备密集、耐受冲击电压低的特殊电子设备场所，从多角度为大家剖析天气雷达站可能遭受雷击的入侵途径、方式和危害性，通过调查鉴定提出有针对性的雷电防护要求，从而达到减少和避免雷达站发生雷击灾害损失。

天气雷达站，雷灾鉴定，防护技术

1　雷达站雷灾调查

天气雷达站大多处于局部地方制高点，容易被雷击，造成雷达站设备损毁，不能正常运行，影响气象预报服务工作，因此，天气雷达站防雷工作至关重要。尽管出台了气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》(QX 2-2000)，各级气象部门也高度重视天气雷达站防雷安全问题，但是，天气雷达站被雷击的事故仍时有发生。本文通过对某雷达站的一次雷灾调查鉴定和整改实例，探讨有效解决天气雷达站的防雷技术难题。

1.1雷电灾害概述

某地新一代天气雷达站位于高山山顶，海拔高度接近1 700 m。2014年7月某日，一声惊雷掠过，造成雷达站数天不能运行，影响到当地气象部门的气象业务服务工作。笔者随即对雷达站开展了雷电灾害调查鉴定工作，经查：雷达站天线罩内的温度传感器、天线座内的上光端机主板损坏。

1.2现场勘察情况

1.2.1该雷达站8层塔楼高35 m，雷达天线罩高10.6 m，总高度约为45.6 m。

1.2.2雷达站塔楼按第二类防雷建筑物进行防雷主设计、施工。顶层敷设暗装不大于10 m×10 m或12 m×8 m接闪网，顶层距外沿100 mm处明敷设一圈接闪带，屋面所有金属构件或外露金属管道均与接闪网(带)等电位连接。利用塔楼柱内两根直径≥φ16主筋通长通焊作为引下线，均匀布设了4根引下线，间距满足不大于18 m要求。雷达站处土壤电阻率特别高，所以，采用了多项降低接地电阻措施，包括：利用雷达站建筑物基础钢筋网作为自然接地体，在雷达站塔楼基础外引人工接地体，结合采用换土、敷设降阻剂和深井技术。采用三支等高避雷针对天线罩防护，每针间隔120°，分别设为西南、东偏南、北偏西，避雷针布置在8层，相对地面高度27.61 m的剪力墙上，距离天线罩外边缘1.8 m，针长22.39 m。雷达站低压供电系统采用TN-S制式，安装了3级能量配合的SPD防护。雷达塔楼8层机房敷设50 mm×50 mm屏蔽网格，每隔1 m焊接到大楼钢筋上，机房内所有电气、电子设备均采取等电位连接措施。

1.2.3该雷达站塔楼位于较高海拔山顶处，东南方向有一微波站铁塔，两者相距约40 m，高度较雷达站接闪杆低，原先雷电截闪位置因微波站铁塔处于山顶最高点，成为雷电主要闪击点，雷达站建成后，其外侧接闪杆处于局部制高点，成为雷击新目标。

1.2.4雷达站天线罩内的温度传感器位于雷达站塔楼屋顶LPZ0区(非直击雷防护区)，通过现场勘察，初步判定区内电气、电子设备因直接雷击或雷击电磁脉冲而损坏。雷达站塔楼屋顶天线座内的上光端机主板位于LPZ1区，当塔楼屋顶天线座遭直击雷时，容易造成损坏。

2　雷电入侵途径分析

通过现场勘察和调查分析，认定此次事故雷电入侵途径主要有：雷电绕击、雷电反击、雷电感应和闪电电涌侵入。

2.1雷电绕击

该雷达站按第二类防雷建筑物安装了防直击雷装置。根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)中表6.3.2-2“与最大雷电对应的滚球半径”及附录F可知：第二类防雷建筑物首次正极性雷击的雷电流参量(I)为150 kA，雷击距(hr)为260 m；首次负极性雷击雷电流参量为75 kA，雷击距为165 m；后续负极性雷击雷电流参量为37.5 kA，雷击距为105 m时。雷电流参量(I)是与雷击距(hr)相对应得到保护的最小雷电流幅值，比该电流小的雷电流可能击到需保护的雷达站内部空间。通过对2014年三明市闪电监测资料分析表明，三明市负闪雷电强度主要集中在2～12.5 kA之间，且以7 kA的负闪雷电次数最高(见图1)；正闪雷电强度主要集中在2-40 kA，占总正闪雷电次数的70%以上(见图2)。

图1　2014年三明市负闪雷电强度分布(次/KA)Fig.1　Sanming City Negative Lightning Intensity Distribution in 2014 (times/KA)

图2　2014年三明市正闪雷电强度分布(次/KA)Fig.2　Sanming City Positive Lightning Intensity Distribution in 2014 (times/KA)

通过闪电监测资料分析发现，三明市雷电强度普遍较小，容易引发雷电绕击现象。通过分析认为：此次雷达站雷击事件极有可能是雷电绕过雷达站顶部外侧接闪杆，击在天线罩内的温度传感器、天线座内的上光端机上，从而引起设备的损坏。(见图3)

图3　雷电绕击示意图Fig.3　Diagram of Shielding Failure

2.2雷电反击

当雷达站塔楼接闪杆截收雷击后，存在两种引发雷电反击(雷电闪络)途径，可能导致温度传感器损坏：一是接闪杆反击到天线罩，天线罩再反击到温度传感器；二是天线罩楼板地电位瞬间抬高，天线罩与温度传感器之间引发雷电反击。

2.3雷电感应(静电感应和电磁感应)

2.3.1雷电静电感应雷达站上空有雷云时，雷达塔楼会感应大量与雷云相反的电荷。若雷电先导与雷达塔楼附近微波站铁塔发生闪击，先导放电、回击过程开始，先导通道中携带的负电荷将被微波站铁塔或地面上的正电荷自下而上迅速中和，伴随着雷云底部负电荷的急剧减少，雷达塔楼屋顶正电荷失去束缚，变为自由电荷，金属体、电气、电子设备上感应的正电荷将通过建筑结构中的路径向地流散，由于电荷流散路径上存在着数值可观的电阻，因此在电气、电子设备上会有较高电压降，从而损坏天线罩内的电气、电子设备。

2.3.2雷电电磁感应由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势现象就是雷电电磁感应。通过对该天气雷达站分析，可以判定引发雷电电磁感应的原因有以下3个方面：①雷达塔楼附近发生雷击引起雷击电磁感应。②雷达塔楼外侧接闪杆截收雷击引起雷击电磁感应。③雷达塔楼屋顶天线座截收雷击引起雷击电磁感应。

2.4闪电电涌

闪电击于防雷装置或线路上以及由闪电静电感应或雷击电磁脉冲引发表现为过电压、过电流的瞬态波。在该雷达站塔楼内，闪电电涌可能从电源线、信号线输入端侵入；也可能从塔楼顶部电源线、信号线反向侵入。

①闪电电涌可能从电源线、信号线输入端入侵。电源线或信号线在进入塔楼前遭受雷击，造成闪电电涌从电源线或信号线输入端入侵。

②闪电电涌从塔楼屋顶电源线、信号线反向入侵。塔楼顶部航标灯电源线遭雷击或雷电感应等原因产生闪电电涌反向入侵电源供电系统。

3　雷击防护难点分析

①雷电绕击防护难点：雷电绕开接闪杆，直接击在天线罩内的电气、电子设备上，这类小于雷击距的闪击是防不胜防的。

②雷电反击防护难点：因雷达塔楼屋顶面积小，塔楼外侧接闪杆与天线座之间，以及天线座与电子设备之间距离都较近，无法达到3 m以上范围的安全距离，因无法加大安全距离，所以对于雷电反击的防护也是防不胜防。

③雷电感应防护难点：雷电静电感应是造成电子设备损坏的“元凶”。雷达塔楼附近发生雷击，雷电电磁场不需借助任何装置、设备，能够通过空间传播到雷达塔，一旦雷电电磁场强度达到1.7 GS时，就会使雷达站电子设备发生误操作，达到2.4 HS时，可以造成无屏蔽的雷达站电子设备损坏。

④闪电电涌侵入防护难点：因电源线、信号线均是埋地引入该雷达塔楼的，且在电源线入户端已安装了电源SPD，所以，从电源线或信号线输入端入侵的闪电电涌概率较小，相对较为好防范。但是，闪电电涌从电源系统的反向入侵影响容易被防雷设计、施工人员忽略，但其危害频率高，具有隐蔽性特点，且有时危害非常严重。

4　调查鉴定结论

①雷达站所在地段土壤为黄色、棕色岩石，平均土壤电阻率为6 258 Ω·m，属于高土壤电阻地段，降低接地装置电阻值难度较大，但通过采取增加人工接地装置，应用换土、敷设降阻剂和挖深井等多项措施，该雷达塔楼接地电阻值不大于4 Ω，符合规范要求。

②雷达站塔楼屋顶天线罩内的温度传感器暴露于无屏蔽环境中，导致因雷达站接闪杆接闪时，无法防护因雷击电磁脉冲和雷电反击可能对其造成的危害。

③雷达站塔楼天线罩基座附近电源线路未穿金属管屏蔽接地，不能防范雷击电磁脉冲造成的危害。

④雷达站屋顶航警灯至机房稳压电源处未采取屏蔽接地措施，无法防护雷电电涌反向入侵给雷达站电子设备带来的危害。

⑤机房采用s型等电位不符合要求。

⑥机房地板未采取防静电措施。

5　雷电防护要求

①将雷达站塔楼屋顶天线罩内的温度传感器放置到其附近的转接板箱内，使其处于LPZ1区内，并将温度传感器与上光端机之间的连接导线穿金属屏蔽接地。

②将雷达站塔楼屋顶天线座外侧的电源线穿金属管屏蔽并两端接地。

③将雷达站塔楼屋顶天线罩内的航景灯电源线穿金属管屏蔽并两端接地。航景灯电源线与稳压电源处应加装限压型SPD，以防护闪电电涌的反向入侵。

④塔楼机房采用屏蔽金属网形成“法拉弟”笼屏蔽，且金属网之间连接成电气通路。

⑤雷达站电子系统为兆赫兹级数字线路时，应采用M型等电位连接，且等电位连接应牢固、可靠。

⑥雷达站塔楼电线路安装能量配合的多级SPD。

⑦塔楼机房地面采取防静电措施。

6　雷灾调查鉴定应用效果分析

该雷达站在建成后经常遭到雷击影响，此次严重雷击事件后，本文作者组织开展了雷击灾害调查鉴定，并提出整改要求，雷达站经防雷专业设计、施工资质单位按雷灾调查鉴定要求进行了整改，整改后的一年内未发生类似雷击事件，效果明显，较好解决了雷达站的防雷安全工作。

7　完善防雷措施建议

当然，从目前的防雷理论和实践看，防雷成功率尚不能达到百分百，所以，建议新一代天气雷达站使用单位应建立完善的雷电应急预案，在雷击时可自动关闭雷达站电源，在雷暴系统过后，自动恢复雷达站电源，实现雷达站防御雷电灾害能力的提高。

[1] 李志江，王伟，王华.吴松.沈阳新一代天气雷达站防雷工程设计与实践[J].建筑电气， 2009(1).

[2] 中国气象局. QX 2-2000新一代天气雷达站防雷技术规范[S].北京：中国标准出版社，2001年2月1日第1版

[3] 中国机械工业联合会. GB50057-2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010：63.

[4] 吴松.上饶市新一代天气雷达站防雷设计[J].气象研究与应用,2010(4) .

New-generation Weather Radar Station Lightning Disaster Investigation and Appraisal and Research of Lighting Protection Technology

LI Yichang, ZHANG Quanfeng, LI Rihao, TONG Lingqing

(Sanming Municipal Meteorological Bureau of Fujian Province, Sanming 365000, China)

The lighting protection of radar station is a very important work which involves a lot of technical difficulties. The disaster of one lighting stroke process at one radar station was investigated and appraised and the rectification work was carried out. The possible lightning paths, means and its hazards occurring at weather radar station, the special electronic equipment location of high-density sophisticated electronics with low impulse voltage, were analyzed from multiple perspectives. After the investigation and appraisal, the countermeasure lightning prevention requirements were proposed in order to minimize or avoid the losses caused by lighting stroke disaster at radar station.

weather radar station; lightning disaster appraisal; protection technology

1003-6598(2016)01-0056-04

2015-06-17

李衣长(1973—)，男，工程师，主要从事防雷减灾工作，E-mail:jllyc010@sina.com。

TM86

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