石河子垦区天气雷达防雷设计分析

（新疆石河子气象局，石河子市，832000） 韩登武

1 引言

目前我国大力开展气象灾害防御，多普勒天气雷达在我国大量装备，实现全国雷达拼图，有效提高了临近气象预报，为工农业生产和保护人民生命财产提供了强有力的保证。

新一代天气雷达是一种新型的多普勒数字化雷达，其部件集成化程度高，数字电路使用电压低，具有明显的现代信息设备的特点，极易遭受雷电波和静电损坏。在新一代天气雷达开始布点的短短几年时间内，国内就有数家最新建成的多普勒雷达遭受了不同程度的雷击损坏现象。

因此，在符合有关现行国标规范、技术标准的前提下，根据新一代天气雷达建设的重要性、特殊性、所在地区的地理环境和气象条件，力求满足安全可靠、技术先进、经济合理、综合防护的原则设计出最佳方案，防止或减轻因雷击而造成的财产损失、人身伤亡、设备损坏。

2 塔楼及附属用房防雷设计

2.1 防雷等级的确定

石河子年平均雷暴日数是15d，属于少雷区。依据QX2-2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》石河子雷达站防雷等级为三等，雷达天线罩滚球半径按照60m 计算，机房按照B 级机房设计。考虑到人员活动因素，其他辅助用房按照三类防雷建筑设计，雷达站与围墙的接闪器形成不等高接闪器布置，有效保护人员生命安全。

2.2 直击雷防护设计

建筑物的雷电防护主要考虑接闪、引下、接地三个部分。

2.2.1 接闪：接闪是雷电防护的第一道防线。

利用针、带、网、均压环及其组合形式，有效地防止直击雷的破坏和衰减一定量的雷电电磁脉冲，达到保护建筑物和设备的目的。石河子新一代天气雷达站的直击雷防护主要由雷达塔楼及附属用房组成：第一部分为雷达塔楼及天线罩，按照二类防雷建筑设计，设立4支12.7m等高接闪杆，将雷达天线罩至于直击雷防护范围内，为了防止接闪杆对雷达信号的衰减，其主体由缠绕型玻璃纤维增强环氧树脂管构成，设计抗风强度为40m/s，内设一根截面积不小于50mm2的多股铜线实现对雷电流的引下入地。第二部分主要为塔楼附属用房，按照三类防雷建筑要求在屋面敷设20×20m 或16×24m 接闪网格。雷达塔楼顶部的4支接闪杆可对雷达站人员活动区域构成有效的防护区域。

图1 4支等高接闪杆保护范围图

2.2.2 引下线

接闪杆以及接闪带的引下全部借用立柱外侧中间主筋，对借用的主筋采用卡夹器卡接处理。考虑到等电位及综合防护效果，建筑体的横竖主筋在每层全部采用卡夹器卡接，这使得可能发生的雷电流在引下过程中得以极大得分散，从而达到减少雷电流破坏性的效果。

图2 塔楼直击雷防护装置布置平面图

图3 附属用房直击雷防护平面图

2.2.3 接地

雷达站根据岩土勘察报告，以及土壤电阻率测试，雷达站上层为粉质粘土，中等韧性稍湿、硬塑，厚度为0.80～1.50m，土壤电阻率介于20～100Ωm之间，下层为板岩：钻透厚度为4.00～7.10m。场地平整后部分地段板岩厚度将大大低于4m，呈现土壤电阻率外围小中间高的特点，土壤电阻率为955.47Ω·m。根据勘测情况雷达站设计接地电阻≤4Ω 即可，考虑温度及季节因素对土壤电阻率的影响，实测接地电阻应≤2Ω。

石河子新一代天气雷达站直击雷防护的接地体地网由两部分组成，一部分是建筑物承台钢筋作接地体之用。承台的主筋与作为引下线的柱中钢筋焊接，使整个建筑物地下形成均压网，使地面电位分布均匀，利用雷达站建筑物基础作为接地系统的自然接地体，并按照电气设备的安装位置，在最接近电气设备的非外墙结构柱子预留电气接地端子。

另一部分是环绕雷达塔楼和辅助用房四周，敷设人工接地装置，在散水外大于1m用2.5m长∠5×50mm 热镀锌角钢做垂直接地体，间距≥5m，用-4×40mm 热镀锌扁钢做水平接地体，埋设深度大于1.3m，接地体焊接处做防锈防腐处理。在有引下线及接地预留处与自然接地装置焊接连通，形成共地。

图4 雷达站联合接地平面图

2.3 雷达电子信息系统防雷设计

新一代天气雷达的设备仪器是弱电设备，对设备仪器的雷电防护采用现代防雷技术措施，全方位地堵截雷电的侵入。因此，从以下几个方面考虑设备仪器的雷电静电防护。

2.3.1 等电位连接

等电位处理是含盖土建、安装、电器等项目的综合工程。本工程的等电位处理主要有以下内容：建筑体主筋的等电位处理，对有关的竖筋和横筋进行焊接处理，使整个建筑体成为一个等电位体；上下水、通风等所有进出建筑体的管道与建筑地网就近连接，使整个进出建筑物的金属物体与建筑体形成等电位体；机房、供电部分的交直流和安全保护地线以及防雷地线都与建筑地网共地处理，机房、各类线路、接线盒等部分的地线从建筑体就近引出，防雷地从楼顶主筋引出。必须单独设立的地网（如电缆接地等）要与建筑地进行等电位连接。

机房接地系统使用主材：1×30mm紫铜带。网格规格：600×600mm。供电接地系统使用主材：4×40mm扁钢，其它系统接地形式：“S”型。为减少或消除雷电电磁干扰，对不同的场地和设备采用不同的接地形式。重点场地和设备采用“M”和“S”型混合的接地形式，一般场地和设备采用“M”（均压环）型接地形式，分散的设施采用“S”（汇流排）接地形式。由于雷达塔楼高度较高接地引下线会加长，这样影响雷电流的泄放速度，因此主机房、控制室、塔楼内计算机系统的地网主要借用建筑地网。对于供电部分及其电涌吸收设施的地网，必要时可独立敷设。

图5 M型等电位链接网络平面图

2.3.2 屏蔽

石河子新一代天气雷达的电磁屏蔽措施以两部分为主，一部分为雷达机房和计算机控制室的屏蔽，主要包含在土建工程之中，其屏蔽网格不应大于200×200mm，机房必须使用金属门窗，窗户应加设网孔不大于200×200mm 的金属网，金属门窗和网与建筑物部分的主钢筋做焊接连接，焊接点之间的距离不大于2m。另一部分为各类线路的屏蔽，严格区分高低压、高低频线路，各自分立穿管布设，穿线槽分段就近接地，以将雷电和其他干扰电磁场降低到最低限度。

2.3.3 配电及其线路防护

市电在进入建筑物前作穿管埋地处理，埋地长度不小于15m。总配电室以后的供电采用TN-S 系统，接地采用黄绿相间的多股铜芯软导线，截面积不小于6mm2；变压器侧设立零线地网，配电主机房和自供电系统也设立相应地网，分配电室地网与建筑地网共地处理。

雷达数据传输线缆采用屏蔽电缆或穿金属管埋地引入，并做一级电涌防护，传输电缆屏蔽极在室内外各做一次接地。

进入机房的电话线应穿金属管屏蔽埋地引入，并在接线和盒前端的电话组线箱内安装电话线SPD。线路埋地的实际长度按规范要求，电源线不应小于15m、通信线不应小于50m。

浪涌保护器的选择：

雷达站低压供电应选用TN-S供电系统。浪涌保护器选择安装见图6。

第一级安装于市电变压器输出侧，选用Ⅰ级分类试验用冲击电流Iimp≥40kA(10/350μs)，浪涌保护器主要元器件为开关型，浪涌保护器户外型具有IP54防护等级。

第二级安装于油机与市电切换箱内，选用标称放电电流Iin≥40kA(8/20μs);

第三级安装于一楼配电箱内，Iin≥20kA（8/20μs）;

第四级，安装于雷达主机房和控制室的总配电箱内，选用标称放电电流Iin≥10kA（8/20μs）。

图6 浪涌保护器安装拓扑图

3 其它措施

3.1 供电线路的防护

考虑到雷达站地理位置的特点和气象行标规范要求，架空电力线路也亦设立避雷线，石河子雷达站供电采用架空高压线时，变压器高压侧安装高压避雷器，并有良好的接地。变压器前三基杆上架设避雷线，前三基杆每基杆冲击接地电阻不大于10Ω。

在高压线进入变压器前端50m将架空线埋地，并用铠装电缆，架空线与铠装电缆连接处安装避雷器，冲击接地电阻不大于10Ω。

高压线路架设应避开高凸的山梁，在人畜安全的情况下，宜沿山谷架设。

3.2 设备摆放

该雷达塔楼共设有引下线4根，按10kA雷电流由4 根引下线分流，根据信息设备最大承受的磁场强度2.4Gs 计算，其安全距离为1.0m。即雷达机房内的电子设备与外墙或防雷引下线距离应＞1.0m。

4 结束语

通过设计以及工程实施和后期雷雨季节验证，天气雷达防雷工程设计遵循从外到内，从直击雷防护到感应雷防护的原则。（1）直击雷防护中需要对建筑进行分类防护；（2）接地电阻雷达站多受土壤地质因素制约不一定非得要小于4Ω 或者1Ω 的要求，建筑体的等电位连接和设备的等电位连接网络很重要；（3）浪涌保护器在合理配置的前提下，前端的供电线路选择、供电变压器前端的防雷措施非常重要；（4）建筑结构和线路共同构成的屏蔽措施在雷达站建设中尤为重要。（5）设计中达到国标规范要求时需要还需要达到行业规范的要求才能达到设计规范要求的预防为主、经济合理、科学有效的原则。