山地机场雷电灾害风险分析与防护——以贵阳龙洞堡机场为例

李连伟，刘 波

(1.中国民用航空西南地区空中交通管理局贵州分局，贵州 贵阳 550002;2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550081)

1 引言

机场航站楼是整个机场人流量最大，人员最密集的场所，且航站楼内的各种弱电系统(包括通信和信号设备、供电系统、其它控制系统)密集分布，智能化程度非常高。雷电会造成建筑物损坏，其中包括航站楼群，指挥塔台、油库等引发的重大人员伤亡和经济损失，同时，雷电还会造成电器设备的损坏，其中包括供电线路、导航仪器、监控设备、通讯设施等电路系统的中断及瘫痪，严重影响航空安全。因此，基于航空安全的雷电防护与防御非常重要。

贵州省地处云贵高原东段，由于特殊的地形地貌及气候特点，造成雷电活动频繁、雷电灾害严重。贵阳龙洞堡国际机场所处位置属群山环抱的丘陵地区，属典型高原山地机场，地势比较开阔，地形相对平缓，机场标高1 138.89 m。在机场建设中，大面积采用开山大石块填料，填筑厚度达到50 m，在国内外实属罕见。土壤电阻率测试仪现场测量其平均土壤电阻率高达3 000 Ω·m。

近年来，贵阳市龙洞堡机场时常遭受雷击灾害，其管制系统、多普勒雷达系统、导航台、供配电设备等常遭受损毁。据不完全统计统计，近5 a来龙洞堡机场遭受的各种大小雷击事故达7起，造成了极大的航空安全隐患。

机场雷击事故易发频发，做好机场的雷电防护工作，保障航空安全责任重大，意义重大。目前国内外对于机场雷电防护方面的研究，主要集中于降低接地电阻等工程性措施，其它方向的研究较少。本文采用目前先进的接地与电磁分析软件(CDEGS软件)，分析了贵阳龙洞堡机场的雷电环境、土壤泄流性能以及雷电灾害风险，并基于此提出机场的雷电灾害防护的重点，为减少或避免机场的雷电灾害风险，科学指导机场的防雷设计具有一定的指导意义。

2 机场雷电环境及其土壤泄流性能分析

本文对贵阳龙洞堡机场所处位置的土壤结构、雷电资料进行分析，基于此得到机场的雷电环境以及土壤的泄流性能，为机场雷电灾害风险分析提供了科学依据。

2.1 雷电环境

据贵州省闪电监测网数据统计，贵阳市地闪密度为4.1次/(km2·a)(图1)，平均地闪强度38.09 kA，最大地闪强度244.47 kA，其中地闪强度0～20 kA发生概率为40.24%，占比4成以上；地闪主要发生在4—9月，发生概率为92.50%；91.90%的地闪发生在14—03时， 04—13时地闪相对较少。

贵阳龙洞堡机场中心位置(以5 km、3 km、1 km为半径范围内)地闪密度分别为5.2次/(km2·a)、5.1次/(km2·a)、5.1次/(km2·a)。综合考虑各方因素，本文最后采用5 km半径范围内的地闪密度，即5.2次/(km2·a)进行机场雷电灾害风险的分析。

2.2 土壤泄流性能

影响接地电阻大小的因素很多，但土壤电阻率是最直接和最重要的因素。土壤电阻率的大小直接影响到到雷击时雷电流的泄流性能。利用土壤电阻率测试仪器(SYSCAL Junior)。加密测量了贵阳龙洞堡机场所处位置的土壤电阻率，并进行了加权平均，测量方法为国际通用的文纳四极法，测量时电极间距的最大值为29 m，测量数据见表1。最后利用接地与电磁环境分析软件(CDEGS软件)的REASP模块，反演数据模型，得到图1所示的两层水平土壤结构。

表1 文纳四极法测得的土壤电阻率Tab.1 Soil Resistivity measured by the Wenner four

如图1所示，贵阳龙洞堡机场所处位置的土壤拟合模型，最佳为两层水平结构，第1层(0.00～3.34 m)，平均土壤电阻率值132.85 Ω·m；第2层(3.34～29.00 m)，平均土壤电阻率值1 958.36 Ω·m。分层拟合结果：土壤反射系数0.005，均方根误差7.22%。

根据图1土壤分层结构模型显示，该航站楼所处位置属高土壤电阻率区域，不利于雷电流泄放。将分层模型与地勘资料进行比较，发现吻合度较好。

地勘资料：场地位于龙洞堡向斜西翼，地表多为第四系填土层，局部基岩裸露，填土回填时间长短不一，局部回填边坡部位有小规模松动块石零星分布，基岩为三叠系下统安顺组(T1a)白云岩，倾角12°。

图1 机场航站楼所处区域土壤结构分层模型Fig.1 The stratification model of the soil structure in the airport terminal

场地地层由碎石土、素填土、红粘土及下伏基岩组成，细分如下：

碎石土(Qml)：灰黄色，由碎石夹可塑红粘土组成，呈棱角形，粒径为 30×20～200×120 mm，场地内均有分布。

素填土( Qml)：褐黄色，由粘土夹少量碎石、块石等组成，土厚 0.60～18.50 m。这部分土层分布较少。

红粘土(Qel)：褐黄色，稍湿。厚 0.80～6.00 m。红粘土分布较少，厚度不均，其土壤电阻率在300 Ω·m左右。

基岩( T1a)：场地基岩岩性为三叠系安顺组中厚层白云岩，零星出露地面，较硬岩,岩体较破碎，这一土层土壤电阻率很高。

3 雷电灾害风险计算与分析

3.1 雷电灾害风险计算

本论文对机场航站楼和其相关的配套设施的雷电灾害风险进行了计算，主要参数包括机场所属区域的土壤电阻率、雷电活动主要特征、屏蔽网格尺寸、航站楼内部电磁场强度、航站楼接地电阻、电子信息系统、SPD标称放电电流、雷电防护等级等等。主要依据的技术规范包括《贵州省雷电灾害风险评估技术》(DB52/T 805-2013)、《雷电灾害风险评估技术规范》(QX/T 85-2007)等。由于文章篇幅有限，仅列出该机场航站楼进行雷电灾害风险计算的相关参数(表2)。

表2 航站楼参数取值表Tab.2 Parameter value table of terminal building

经过计算，航站楼及相关配套设施的雷电灾害风险见表3。

表3 各区域人员雷电灾害风险值Tab.3 Risk values of lightning disasters in each region

结果表明，航站楼及配套设施的人身伤亡风险超过规定的可容许风险，达不到雷电防护的技术要求，必需采取一定的防雷措施以降低其雷电灾害风险。根据表3分析，风险主要来源于各种线路(含电源和信号线路)，需加强雷电波侵入、雷电电磁感应方面的防护，通过采取下面的措施降低雷电灾害风险。

3.2 雷电对机场的影响

根据贵阳龙洞堡机场的雷电灾害风险分析，结合多次机场发生雷灾的案例分析，雷电对机场的影响主要包括以下几个方面。

①机场跑道受雷击易形成雷击坑，影响航班安全起降。

②雷击电火花造成油库起火，甚至引发爆炸，造成巨大人员伤亡和财产损失。

③当雷击航站楼及导航塔时，由于雷电流泄流入地造成的电位梯度过大，可造成处于其中或附近的人员因跨步电压伤亡。

④雷电直击机场供电线路上，雷电流经供电线路进入供电设备，造成供电设备损坏，从而引发停电。

⑤雷电流散流泄放时因电阻和电感的电位降，可造成高电位在水平布设的电源线路和信号线路上产生过电压，进而损坏设备端口，还可能因反击造成伤亡事故。

3.3 降低风险的措施

根据前文分析，贵阳龙洞堡机场防雷措施应在施工图设计阶段作进一步完善，并满足以下要求：

①航站楼、航空油库、地面加油站、变电站均应按第二类防雷建筑物设计。其中，航空油库、地面加油站应做好防静电措施。消防综合楼、办公及信息中心、货运区建筑物、车库等建构筑物可按第三类防雷建筑物设计。同时，第二类、第三类防雷建筑物首次雷击电流参数应分别按不低于200 kA、150 kA的参数进行设计。

②在总变配电室变压配电器低压侧安装电涌保护器，通流量不低于60 kA(波形8/20 μs)。对于第二类防雷建筑物，在入户处分配电柜(箱)安装一级电涌保护器，低压配电系统安装多级SPD保护，第一级安装通流容量不小于15 kA(10/350 )或60 kA(8/20 )，第二级安装通流容量不小于30 kA(8/20 )，第三级安装通流容量不小于15kA(8/20 )，第四级安装通流容量不小于10 kA(8/20 )。对于第三类防雷建筑物，在入户处分配电柜(箱)安装一级电涌保护器，低压配电系统安装多级SPD保护，第一级：安装通流容量不应小于15 kA(10/350 )或60 kA(8/20 )，第二级：安装通流容量不应小于40 kA(8/20 )，第三级：安装通流容量不应小于20 kA(8/20 )，第四级：安装通流容量不应小于10 kA(8/20 )。

③机场调度通信、信息管理集成的雷电防护等级按A级设计，安防监控、泊位引导的雷电防护等级按B级设计，航班信息及值机引导、安检系统的雷电防护等级按C级设计，楼宇控制、广播及内部通信的雷电防护等级按D级设计。

④航站楼、信息中心等，应在放置灵敏设备的机房、控制室、电气室采取屏蔽措施，若屏蔽网格尺寸为0.1 m×0.1 m，设备摆放距墙壁不小于0.5 m；若屏蔽网格尺寸为0.2 m×0.2 m时，设备摆放距墙壁不小于1.0 m，以达到电子信息设备可承受的磁场强度范围。

⑤机场航站楼的导航和通信以及计算机网络系统等，应采用联合接地方式，接地电阻值应不超过4.0 Ω。此外，总配电接地，还需满足《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)电力行业标准规定。

此外，还可以采取其它非直接性措施来采取防护，如：安装雷电预警系统，此系统可以探测大气电场强度的变化，并能探测到雷暴来临的方向。在雷暴来临时，能自动控制场内的供电系统，把市电供电转换为UPS供电(交流电转为直流电)，能有效避免雷电波从供电线路侵入。在大气电场发生改变，雷暴逐渐消散之后，该系统能自动把UPS供电转换为市电供电。雷电预警系统不仅能有效的保护到跑道内的气象设备，还可以保护到油库等易燃易爆场所。对机场附近的设备也能起到有效的预警作用。

通过采用上文所述的方法和措施，再对表2中各区域的雷电灾害风险值进行计算，结果表明，各区域的雷电灾害风险均在可容许范围之内。

3.4 雷电防护重点

机场是一个复杂的空中及地面交通运输综合体，场内设施功能复杂，雷电防护尤为重要，特别是机场的航管(通信、导航)工程、航站楼及电子信息系统、供油工程、变电站等是雷电防护的重点。需做好整个机场附近建筑、设施、线路、金属护栏的雷电防护措施。站前外广场也应当考虑工程型或非工程性雷电防护措施。

4 小结

本文采用气象历史雷电观测资料、现场勘测的机场航站楼土壤电阻率数据、项目相关建设资料等，分析该机场所处区域的雷电环境，并模拟土壤分层结构和分析了其泄流性能，以此为依据，结合机场的场址情况、地形地貌、航站楼的相关性能参数等，计算了贵阳龙洞堡机场的雷电灾害风险，并分析机场雷电灾害风险高的具体原因，提出了降低其风险的具体措施。针对采取的措施验证风险是否满足标准的要求，指出了机场雷电灾害防护的重点。本文为减少或避免高原山地机场雷电灾害风险，科学指导机场的防雷设计具有一定指导意义。

参考文献

[1] 陈渭民.雷电学原理[M]．北京：气象出版社，2007：233-245.

[2] 李舟鑫.兴义防雷机场防雷接地的设计与施工[J].贵州气象,2004,28(6)：42-44.

[3] 贾彦龙.高土壤电阻率变电站接地降阻实现[J].电力建设,2009，30(7)：43-46.

[4] 徐崇浩，余旭东，代勇，等.恶劣环境接地技术探讨[J].电力设计,2007,3：56-59.

[5] 罗晓军，康强，丁立兵.防雷接地系统在复杂地质环境下施工技术的探讨[J].气象研究与应用,2009，30(增刊1)：147-148.

[6] 防雷与接地安装[M].北京：中国建筑标准设计研究院出版社，2003.

[7] 蓝信军.接地降阻材料的应用及降阻效果评价[J].长沙电力学院学报(自然科学版),2005，20(4)：26-29.

[8] 李景禄.接地降阻剂应用及存在问题分析[J].高电压技术,2004,3(30):65-66.

[9] 杨丹，王洪泽.电解地极降低变电站地网接地电阻实例[J].电力建设,2004,25(10)：25-27.

[10]李景禄.关于接地工程中相关参数取值的探讨[J].高压电器,2004,4(40)：264-266.

[11]梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京：气象出版社，2004.