铜仁雷达站防雷分析及改进措施研究

宋 迪

（民航贵州空中交通管理分局，贵州 贵阳 550012）

0 引 言

铜仁雷达站INDRA雷达做为贵州管制区域西面的“千里眼”，对保障飞行安全起着至关重要的作用。该雷达站位于铜仁市内大兴工业园区内，海拔757 m，是铜仁市内海拔最高之处，特殊的地理位置导致其极易遭受雷击，因此该雷达站的防雷工作成为了设备保障的重中之重。

1 铜仁雷达站雷灾情况

贵州铜仁雷达站海拔757 m，建于大兴工业园区内，2012年投入运行。台站总面积约860 m2，台内土层厚度约35 cm，土层下及院外为风化多岩石土质。地网建于雷达站内土层之下，呈水平发散状，垂直接地极因土层下有岩层原因，与外界导通能力极其有限。同时，铜仁雷达站处于铜仁雷区，自建台以来每年雷雨季节都会遭受雷击，导致台站雷达系统、动环系统、安防系统及低压配电系统雷害事故频发。2015年6月2日，INDRA雷达B编码器、A通道MICA02板、UPS智能接口、直流屏智能接口被雷击坏；2016年5月4日，威尔信油机控制器、UPS并机板被雷击坏；2017年5月11日，安防监控被雷击坏；2018年8月1日，INDRA雷达A编码器被雷击坏；2019年7月23日17时11分，有一次强度为111.5 kA的直击雷在铜仁雷达站位置闪击。据当天值班人员回忆，当时落雷点就在雷达天线塔上，故障现象为雷达信号中断、动环系统中断、消防系统损坏、安防系统损坏。事后统计，受损部件有雷达编码器2个、雷达MICA02板两块、消防主机1个、七氟丙烷机柜2个、玻璃钢避雷针1根、高压屏蔽电缆引下线1根、JS-18采集器1套、安防摄像头10个。从地理位置上看，铜仁雷达站身处环境恶劣，从防雷效果上看，防雷措施较为薄弱，频繁雷击直接影响了台站的安全、稳定运行，防雷问题亟待解决。

2 台站现场调研情况

2.1 直击雷防护

对于直击雷[1]，铜仁雷达站的防护措施主要是通过雷达站雷达天线塔天线基座平台上安装的4根避雷针，同时建立了雷达塔直击雷隔离系统、VHF铁塔直击雷隔离系统，低压配电房与机房综合楼的屋顶都铺设了避雷网，并在屋顶的四周架设了短避雷针，台站的围墙上也安装了短避雷针。

2.2 感应雷防护

机房中铺设等电位连接铜排，各种监控、传输、甚高频和雷达系统都是通过等电位铜排、一根扁钢与主地网连接，用于连接等电位铜排和主地网的单根铜排和单根扁钢交叉摆在一起。

2.3 雷达信号防雷情况

雷达塔与机房之间架设了屏蔽桥架，雷达天馈系统各种控制等信号线排列在一起，通过桥架进入雷达机房。

2.4 接地实测

铜仁雷达站采用的是共用地网，避雷针与各机房之间的接地电阻理论上接近，但实测数据显示围墙边的避雷针和VHF避雷针与各机房接地电阻差异较大。详细数据为雷达天线塔1.6 Ω、工艺生活用房1.6 Ω、配电房1.7 Ω、两座VHF铁塔比避雷针3.8 Ω、雷达塔避雷针3.8 Ω。根据MH/T4020—2006《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》12.1.1规定[2]采用共用接地系统时，接地装置的接地电阻值应按防雷接地、交流工作接地、安全保护接地、设备要求的工作接地等最小值确定。标准要求，接地电阻不应大于4 Ω。从实测数据来看，虽然测量值在标准范围内，但差距较大，存在一定疑问。

2.5 防雷改造情况

铜仁雷达站防雷改造工程于2018年7月开始施工，10月完工，历时4个月，工程可分为4个部分：建立雷达塔直击雷隔离系统，建立VHF铁塔直击雷隔离系统，改造升级雷达机房的防雷装置，改造升级安防、动环监控系统的防雷装置。

3 雷击情况分析

造成2019年7月23日雷击事件的直接原因为一次强度为111.5 kA的雷击电流对地闪击在铜仁雷达站雷达楼顶避雷针上，雷电流在避雷针接闪和泄放过程中对台站设施设备造成了影响。图1为雷电路径图。

图1 雷电路径图

3.1 直击雷影响分析

2019年7月23 日17时11分，雷达塔其中一根避雷针接闪，雷电流由避雷针引下线向地网传导，避雷针使用的是2012年建台时的旧针，2018年防雷改造时，将旧针的引下线从针杆底部断开，复接一段高压屏蔽电缆作为引下线（截面积50 mm2），现场勘查时发现旧针针杆内的引线下线径为35 mm2，不符合MH/T 4020—2006《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》所要求的50 mm2。避雷针接闪时，避雷针针尖会有明显烧熔痕迹，雷击瞬间针尖温度应在1 500 ℃左右，避雷针针尖焊点因高温融化，导致避雷针针尖脱落，雷电流在避雷针引下线与铜套管压接处因水汽气化产生冲击，使铜套管与避雷针引下线分离。

雷电流流经均压环时，由于均压环内部T型接头绝缘被击穿，导致雷电流从T型接头处对接线箱内壁放电，致使箱内的水汽瞬间蒸发，箱内气压骤然增大，导致箱体变形，部分雷电流经由该放电通道顺着屏蔽钢管向大地泄放，其余大部分雷电流由高压屏蔽电缆引下线泄放至雷达站花园专用泄流网内。

此外，根据MH/T 4020—2006《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》要求，在雷达塔设置避雷针不应少于4根，而铜仁雷达塔避雷针只有两根引下线，不符合民航的规范要求。由于引下线脱离和均压环接线箱及屏蔽钢管成为雷电通道，原2018年建立的雷达塔直击雷隔离系统已经失效，这是造成此次雷达设备受损的主要原因之一。

3.2 感应雷影响分析

3.2.1 雷达编码器受损分析

由直击雷影响分析可知，直击雷隔离系统失效后，雷电流产生的强磁场可能就在雷达塔建筑钢筋上产生高电位。产生高电位的原因有两种可能：一种是地电位升高反向串入钢筋，另一种是自身感应出的浪涌。建筑钢筋与雷达天线基座相连，雷达天线基座与雷达编码器通过编码器连接杆相连，如图2所示。这就导致在雷达编码器外壳上也产生了很高的电位，导致编码器受损。

图2 编码器与雷达天线基座相连

3.2.2 雷达MICA02板雷击分析

（1）由编码器受损原因可知，编码器内部产生了过电流导致编码器受损，而过电流经由编码器馈线进入了雷达机房，并造成与其相连MICA02板的损坏。编码器防雷箱避雷器未损坏的原因还存在疑问，避雷器是24 V压敏电阻型避雷器，其接地点即是其动作参考电位点，避雷器未动作是因其接地会与“Shield”（编码器外壳接地）同时抬升，所以不会动作。但经现场勘查，避雷器的接地（接地线也是穿管屏蔽铺设的）被引接至雷达机房内，不会受到雷达塔接地电位抬升所带来的影响。雷达控制柜内所使用24 V放电管避雷器，作为一个初级的防护手段，其反应慢，残压高，通流量较大，可能没起作用设备就已经损坏，也可能起了作用，但是残压高，设备没有保护住。

（2）GPS天线馈线上产生的感应雷电导致MICA02板损坏。雷达GPS天线馈线与MICA02板馈线相距很近，在桥架上也是捆扎在一起的，由于雷达GPS天线馈线是从雷达机房顶部室外铺设进入机房，其穿管屏蔽不规范（穿管后未两端接地），屏蔽效果较差，雷击发生时可能会在GPS天线馈线上产生感应电流进入机房，因MICA02板馈线距离近且没有屏蔽层也未在板口端装避雷器，有可能会受其影响产生过电流损坏MICA02板。因GPS天线馈线带屏蔽层且安装有避雷器，所以GPS端口并未损坏。

4 改进措施

4.1 直击雷改进

（1）更换雷达塔4根旧的避雷针，避雷针要求针尖采用熔接工艺，防止针尖断裂，并增加引下线的线径。

（2）将雷达塔至接地网的独立引下线，由原来的2根增加至4根，并增设一道均压环。

（3）改变直击雷接闪系统的引雷顺序，在合适位置架设2～3个避雷塔。引雷顺序应调整为避雷塔、甚高频避雷针、雷达塔避雷针。这可以降低因直击雷产生的电位抬升过电压和雷电电磁脉冲对雷达系统的损坏度。

4.2 接地网改进

在原有地网的基础上沿着雷达塔院落增设两环接地网，使雷达站内整个院落处于一个大地网之上，更加有利于均压；根据地质情况打深井，将接地地网低阻降至1 Ω以下，使雷电流泄放更加通畅；将雷达整个接地系统与建筑钢筋断开，单独做，使整个接地系统良好连接，降低接地系统电位差。

4.3 编码器

对雷达天线罩内编码器从屏蔽和接地两个方面做特殊处理，解决因为电磁脉冲和电位反击造成的击毁。

4.4 机房屏蔽改进

将动环监控、安防监控和消防等非业务设备从雷达机房内迁移出来，避免其影响雷达机房设备。分别为雷达机房室内线缆和室外线缆单独做桥架。特别是室外线缆，除单设桥架外，还需要在进出机房处对其屏蔽层单独接地[3]。

4.5 避雷器改进

在雷达控制柜至雷达机柜编码器馈线上安装信号避雷器，安装位置尽可能靠近MICA02板。对未加装避雷器的消防线路等加装对应避雷器，并对整个消防系统重新梳理，做好接地。

5 结 论

本文通过实例从4个方面对铜仁雷达站雷击事件进行了详细分析，提出了改进措施，对民航空管系统雷达站设备防雷，特别是雷达系统的防雷提供了积极参考。当前，民航雷达站的防雷工作是一项重要而复杂的研究课题，涉及到建筑学、电气工程、网络通信及电子工程等众多专业学科。随着数据通信采集技术的发展，如闪电定位监测网的逐步建立，会使得对雷电的及时监测、预报、预警的能力大大提高，更有可能做到对雷电闪击路径的控制，定会真正做到服务空管，造福空管。