气象雷达站雷电防护设计要点研究

2019-04-10刘正君邹其兵

工程建设与设计 2019年6期

关键词：天线罩雷达站襄阳

刘正君，邹其兵

（襄阳市气象局，湖北襄阳441021）

1 闪电特征及入侵途径

雷击发生时，会产生强大的闪电冲击电流，并伴随产生巨大的电磁效应、热效应和机械效应，对建（构）筑物造成直接损毁，并可通过雷电波的形式对用电设备等造成重大危害。

1.1 直击雷

直击雷是雷电击穿空气，直接对物体放电的雷电现象。雷电很高的冲击电压波会使设备绝缘受到破坏；冲击电流的电动力作用，使被击物体炸裂；冲击电流物体温度升高会引起熔断炸裂和冲击熔断破坏。直击雷防护通常都是采用接闪杆、接闪带、接闪网或金属物件作为接闪器，通过引雷原理，通过引下线及接地装置的共同作用，将雷电流引入大地。

1.2 闪电感应

雷电在接近建（构）筑物附近发生并未直接击中建（构）筑物，但建（构）筑物内的电气、电子设备产生损坏的现象称为闪电感应，闪电感应根据产生的原理不同，分为雷电静电感应和雷电电磁感应。雷电静电感应是在带电积云接近地面时，雷电先导在附近的金属导体上感应出与空中电荷极性同级性的电荷，从而在金属导体与雷云之间以及金属导体自身产生很高的静电电压（感应电压），会造成建筑物内的导线、接地不良的外露可导电部分、外部可导电部分等金属物和承压水平低设备放电。另外，雷电电磁感应是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，从而容易引起电击、火灾、爆炸，造成重大危害。

2 实例设计分析

本文主要以襄阳天气雷达站建设为例，对雷达站建设过程中雷电防护设计的重点及方向进行探讨，以积累在大型装备建设过程中雷电防护的设计和施工经验。襄阳天气雷达站选址在襄阳市北部朱庄，海拔标高约为120m。该雷达系统由雷达塔楼和附属供电设施构成，雷达探测系统主要集中在建筑首3层。

3 雷达站雷电防护的具体设计要点

3.1 雷达塔楼外部直击雷防护设计

3.1.1 襄阳市天气雷达站年预计雷击次数计算

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》附录一的规定，襄阳市天气雷达站年预计雷击次数应按式（1）确定：

式中，N为建筑物年预计雷击次数，次/a；K为校正系数，一般情况下取1；Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/（km2·a），Ng=0.1Td（Td为年平均雷暴日数，襄阳市为28.1d/a）Ng=0.1×28.1=2.81，次/（km2·a）；Ae为与建筑物截收相同的雷击次数的等效面积，km2，由于雷达楼的相对高度小于100m，因此，Ae按式（2）计算：式中，L、W、H分别为建筑物的长32m，宽8m、高63.4m，代入数据，得Ae=0.0349km2。

襄阳市新一代天气雷达站年预计雷击次数为：

3.1.2 襄阳市新一代天气雷达站防雷区的划分

根据 GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50343—2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》和QXT/2—2016《新一代天气雷达站防雷技术规范》的规定，对襄阳市新一代天气雷达站防雷区共分为直击雷非防护区（LPZ0A）、直击雷防护区（LPZ0B）和第一屏蔽防区（LPZ1）。

3.1.3 襄阳市天气雷达站防雷等级确定

襄阳市年平均雷暴日数为28.1d，根据QXT/2—2016《新一代天气雷达站防雷技术规范》的规定，襄阳市天气雷达站为GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》规定的第二类防雷建筑物。雷达站所在地雷击大地平均密度为3.04次/（km2·a），根据QXT/2—2016《新一代天气雷达站防雷技术规范》的规定，襄阳市天气雷达站防雷等级划分为二等，雷达塔楼防直击雷设施按二类防雷设计。直击雷的防护：雷达楼主体结构设计时，首先应了解雷达楼的直击雷防雷设计方案，以便满足直击雷防护设施安装对主楼结构的设计要求。按照雷达楼的防雷等级和雷达天线的防雷需求，采用接闪杆、接闪带和接闪网相结合的方式接闪，以达到对雷达楼主体和雷达天线进行直击雷的保护。

1）对雷达楼天面的直击雷防护要求

对雷达楼天面的直击雷防护要求包括：（1）在雷达塔楼天面安装接闪带，使用材料要求：截面不能小于48mm2条形钢；敷设网状接闪网，网格尺寸5m×5m，钢筋规格：φ10mm，截面不小于48mm2条形钢；（2）接闪带与接闪网作电气导通；接闪带和接闪网和设置作为引下线的主体柱筋作电气导通；（3）依据分流系数，设置的主体柱筋引下线的根数在8根以上。

2）雷达天线的直击雷防护

雷达的天线保护罩设计直径为11.8m，天线支撑部分设备的小正方形铁架，高2.2m，宽6.5m。如图1和图2所示。

图1 天线罩直径（单位：m）

图2 基座架（单位：m）

3）接闪杆与雷达天线罩间位置的确定

由图3得出结论，雷击发生时，接闪杆与天线罩的相对位置，会对天线罩内部空间的磁场分布造成影响。按照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》和QXT/2—2016《新一代天气雷达站防雷技术规范》的相关条款要求，雷达楼塔楼的设计要为保护雷达天线安全的接闪杆预留足够的空间距离，结合襄阳雷达建筑实际，保护雷达天线罩的接闪与天线罩边缘的安全距离应不小于3m[1]。

图3 雷电流I=10kA时，罩体边缘和中心的磁感应强度

通过襄阳市雷达站主楼的保护设计，在雷达天线平台上布设3根接闪杆保护雷达天线罩为合理的适宜方案，接闪杆基座设置在塔楼平台的边缘，基座钢筋与建筑主体柱筋可靠连接，作为接闪杆引下，具体如图4所示。

图4 3支等高接闪杆俯视图

4）三支等高接闪杆高度及保护范围的计算

用作图法确定杆高：半径r=45m的球面让3支接闪杆支撑起来，使滚球最低点比罩顶端高出1m余量，罩体即获得了保护，如图5所示。

其杆尖距正三角形中心点的距离O′A，即中心点距接闪杆安装间距为9m，滚球的中心线OO′垂直正三角形ABC，且通过它的重心。这样，正三角形外侧自然受保护。

图5 等高3支接闪杆正三角形排列的杆高计算（单位：m）

考虑加1m的余量，接闪杆高h为：h=r-OO′+1+18.3=20.21m，即接闪杆的高度取20.21m，实际安装高度21m。以上可得，天线罩的直击雷保护使用3支等高分布的接闪杆保护，接闪杆高度21.5m，与天线罩外缘距离为3m，接闪杆使用由高强度玻璃钢支杆，雷达运行时，其不会对雷达探测参数构成影响，保证雷达信号发射和接收正常。

3.2 闪电感应的防护设计

依据 GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50343—2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》和QXT/2—2016《新一代天气雷达站防雷技术规范》的相关技术规定，襄阳市天气雷达站雷击防护为二类设计，因此，应采取相应防闪电感应措施。

3.2.1 对雷达楼建筑设计的要求

1）等电位连接网的设计

等电位连接网是将建（构）筑物内系统（带电导体除外）的所有导电性物体相互连接组成的一个网。等电位连接网设计是做好雷电防护的关键，包含整个施工过程，因此，设计要全面，施工要严格。

2）接地端子设计

为有效设置共用等电位连接网，塔楼设置预留总等电位端子，总端子与主楼预埋接地网可靠连接。由总接地端子向设计各预留位置引出。接地端子设置在内墙侧，采用暗敷，由大楼的接地主筋引出，作电气导通处理。

3）屏蔽设计

屏蔽设计包括以下内容：（1）雷达机房外部屏蔽。在雷达机房层面建设时，其墙体面和顶面钢筋网格的绑扎不大于1m×1m，附属设施金属件与墙体主钢筋作电气导通连接形成整体外层格栅屏蔽网，使之具有法拉第笼效应，确保对雷达主机房的大空间屏蔽。同时设定屏蔽空间内电气、电子设备的安全距离。（2）线缆屏蔽。雷达站数据传输线缆敷设时，必须进行屏蔽处理，并与低压配电线缆保持足够净间距。（3）配电系统线缆的屏蔽。配电系统采用TN-S供电制式，从总配电进入雷达楼的高低压配电线缆，使用带金属铠屏蔽层线缆，线缆穿金属管且做重复接地，并保证埋深。（4）雷达天线至主控机房的信号线缆的屏蔽。从雷达天线至雷达主控机房的所有线缆和波导管实行金属线槽进行屏蔽，线槽之间使用金属软带跨接，保证有效的电气导通，穿入主机房的金属线管在预埋时与屏蔽格栅作电气连接。

3.2.2 配电系统的闪电感应防护设计

配电系统的闪电感应防护设计包括以下内容：

1）根据雷击大地平均密度修正值防雷等级划分，襄阳雷达站为防雷二等；

2）总配电柜开关前端安装第一级电涌保护器，雷电通流量60kA，电压保护水平不大于2.5kV，响应时间小于25ns；

3）雷达机房楼层配电安装第二级电涌保护器，雷电通流量40kA，电压保护水平不大于2.0kV，响应时间小于25ns；

4）在雷达设备电源安装第三级电涌保护器，雷电通流量20kA，电压保护水平2.0kV，响应时间T≤25ns；

5）如2个SPD安装距离小于10m，需在线路上安装感抗型SPD。

3.2.3 接地装置设计

接地装置设计包括以下内容：（1）接地装置利用下垫面土壤电阻率低的条件，将雷达楼基础作为接地体，桩内主筋通过承台筋连接在一起，形成接地网，在雷达楼周围设置环形人工辅助地网，2个接地网中连接组成联合地网；（2）塔楼地网接地电阻设计值，基础土壤状况为沙质黏土，土壤电阻率约为50Ω·m，依据QX/T2—2016《新一代天气雷达站防雷技术规范》的规定，雷达站联合地网接地电阻设计值确定为不大于4Ω；（3）将等电位连接网和接地装置连成整体的接地系统。