新一代天气雷达信息大楼防雷技术分析

吴从权

（江门市气象局，广东江门 529000）

雷电是发生在雷雨云中、云际或云地间的电学现象，具有电压高、电流强、变化剧烈的特点，雷电对人们的生命和财产安全构成了巨大威胁［1］。雷电流产生的巨大破坏力和很强的电磁干扰作用，对电子设备危害大，美国通用研究公司R.D希尔仿真实验研究结果显示，当雷击电磁磁场强度达到5.57 A/m时，会导致计算机误动作；超过191 A/m时，计算机将永久损坏［2］。信息系统建筑物防雷工程是一个系统工程，雷达信息处理中心大楼担负着雷达气象探测数据处理，气候资源信息利用等功能，楼内有大量的电子设备和计算机系统，雷电防护要求较高，因此大楼需采取综合雷电防护措施，从直击雷防护到雷电电磁脉冲防护，从外部防雷到内部局部防雷综合考虑［3］。

1 资料与方法

雷达信息处理中心大楼位于江门市蓬江区棋子山山脚，楼高5层20 m，长40 m，宽20 m，其中信息处理机房位于大楼3层。闪电数据来源于广东省闪电定位系统［4］，该系统是由中国科学研究院空间科学与应用研究中心研究，主要用于监测地闪回击的发生时间、方位、强度、极性和上升时间等，探测半径≥300 km，探测效率≥80%，时间精度≤10-7s［5］。

本研究所选取雷达信息处理中心大楼所在地江门市2009—2018年雷暴数据统计资料及广东省闪电定位系统2009—2018年江门地区的云地闪数据，运用统计分析方法，分析研究雷达信息处理中心大楼的雷电活动特征，根据雷电活动特征探讨雷达信息处理中心大楼的雷电防护措施。

2 雷达信息处理中心大楼区域雷电活动特征

据江门市2009—2018年雷暴数据统计资料显示，雷达信息处理中心大楼所在区域年平均雷暴日87 d/年，属雷暴高发区。另外，根据广东省闪电定位系统资料统计可知，雷达信息处理中心大楼所在区域10年平均地闪密度Ng=20.85次/（km2·年）［6］。

2.1 区域范围内10年雷电流幅值概率分布

以雷达信息处理中心大楼为中心3 km为半径作圆，统计得出3 km范围雷电流累计概率分布曲线（图1），其中最大雷电流124.2 kA，平均为25.4 kA，区域范围内近10年雷电流幅值［5］：1%→118 kA，即雷电流幅值＞118 kA的地闪概率为1%；2%→95 kA，即雷电流幅值＞95 kA的地闪概率为2%；5%→69 kA，即雷电流幅值＞69 kA的地闪概率为5%；10%→55 kA，即雷电流幅值＞55 kA的地闪概率为10%；50%→22 kA，即雷电流幅值＞22 kA的地闪概率为50%。

图1 雷电流累积概率分布曲线

从统计结果可以看出，99%的雷电流幅值＜118 kA，大雷电流概率较低，50%的雷电流幅值在22～55 kA之间。

2.2 雷电地闪月均分布规律

统计雷达信息处理中心大楼所在区域3 km半径范围内10年雷电地闪月均分布（图略）可知，该区域3月份开始进入雷暴期，4月份雷电活动最为强烈，5—8月份次之，10月份至次年2月份几乎没有地闪发生。

2.3 雷电地闪时段分布

由雷达信息处理中心大楼所在区域3 km半径范围内雷电地闪日均分布（图2）可见地闪日均活动的规律：该地域几乎全天都有地闪活动，10：00—20：00（北京时，下同）为地闪高发时段，75%以上的地闪发生在这个时段，其中17：00雷电活动最为强烈［6］。

图2 雷电日均分布

3 大楼雷电防护技术

根据该区域3 km范围内雷电活动特征，考虑到雷达信息处理中心大楼担负着气象探测数据处理等功能，以及室内电子设备和计算机系统的重要性，大楼雷电防护须采取整体综合防护措施，即从直击雷防护到雷电电磁脉冲防护，从外部防雷到内部局部防雷综合考虑［7］。

3.1 接地装置

防雷接地系统是防雷装置的重要组成部分，接地系统主要是向大地泄放雷电流，限制防雷装置与其连接的金属物体对地电压不致过高［5］；接地电阻值越小，散流就越快，被雷击时高电位保持时间就越短，危险性也就越小。

经测量雷达信息处理中心大楼的土壤电阻率达500Ω·m，相对土壤环境较差，防雷与电气设备共用接地装置，大楼利用建筑物自然接地体与人工接地体相结合，其中人工接地体敷设在建筑物四周1.5 m处，深埋0.6 m以上，并添充40 cm长效降阻剂，水平接地体用40 mm×4 mm扁钢，垂直接地体用∠50×50×5×2000镀锌角钢，每间隔4 m设一支。

3.2 接闪器

沿天面女儿墙明敷Φ12不锈钢圆钢作接闪带，同层及层间的接闪带采用Φ12不锈钢圆钢焊接连通。阳角装设50 cm高Φ16不锈钢圆钢短杆。

为防止侧面直接雷击，从首层起利用建筑物四周圈梁内两条结构主筋通长焊接构成均压环，外墙金属门窗、玻璃幕墙与均压环等电位连接，玻璃幕墙每隔12 m与均压环连接一次，每个金属门窗的接地点应不少于两处。

3.3 等电位连接

等电位连接是防护雷电压反击的重要措施之一，减少雷电压在设备间产生的电位差损失设备。机房等电位连接采用S型结构，用25 mm2的铜材料将各局部等电位联接端子、各PE线、金属管道等金属部件连接到总等电位连接端子上。机房内设备的金属外壳、机柜、机架、金属屏蔽管（槽）及大型金属物就近与等电位连接［9］。

3.4 屏蔽措施

屏蔽也是减少和防止雷电电磁脉冲干扰的基本措施之一，所有进入雷达信息处理中心大楼的电源线、信号线等线路均应采用屏蔽线缆，或采取金属屏蔽槽埋地敷设进入。

机房采用Φ8圆钢设置成法拉第笼屏蔽网进行屏蔽，屏蔽后机房内的安全距离ds/1和电磁强度H1如表1所示。

表1 I0=150 kA、dw=3 m、dr=6 m，wm 顶3层ds/1、H1的值

表1表明，机房宜采用Φ8设置1.5 m×1.5 m的法拉第笼网屏蔽，设备可放置离外墙2.0 m的屏蔽机房内，当建筑物屋顶上的任意点受到150 kA的雷击时，机房内的电磁强度为33.68 A/m，设备能承受雷电电磁干扰而正常工作。

3.5 雷电电磁脉冲电源系统防护

1）雷击电磁脉冲防护级别划分。

（1）建筑物预计雷击次数N=kNgAe［10］，N=N1+N2=42.17次/年。

（3）本信息系统雷击电磁脉冲防护等数判断，拦截效率E的确定：E=1-Nc/N=1-7.7×10-4/42.17=0.99＞0.98，为A级，本信息系统的低压电源应采用3级的SPD进行保护。

3.6 电源SPD选型及安装

依据雷击电磁脉冲防护级别判断结果，电源系统防雷电电磁脉冲侵入，采取3级电源SPD进行分级保护，进行逐级泄流保护，以降低雷电电磁脉冲侵入损坏计算机等电子设备风险。电涌保护器的安装位置、级数及其参数选型详见表2［11］。

表2 电源系统SPD参数选型

在选择SPD的性能参数时，要充分考虑SPD之间以及SPD与被保护设备之间的能量配合问题。必须充分考虑振荡现象对SPD保护距离的影响。振荡现象会引起被保护设备失效，当SPD和被保护设备之间的距离太长，设备端产生的振荡电压值普遍高至两倍的Up，在某些情况下，甚至超过这个水平。因此，当SPD被用来保护特定设备或当SPD装在主配电盘上而不能为某些设备提供足够的保护时，SPD应尽可能地靠近被保护设备。

3.7 信号线路防护

信号传输全程采用光纤，光端设备均置于金属箱内，将光端设备进行可靠接地，光纤金属加强芯、金属挡潮层等两端做好电位连接［12］。

4 结论

1）雷达信息处理中心大楼所在区域年平均雷暴日87 d/年；3 km 范围内地闪密度Ng=20.85次/（km2·年），最大雷电流124.2 kA，雷电流幅值位于22～55 kA的地闪概率为50%，平均为25.4 kA；5月份雷电地闪活动最为强烈；日地闪活动10：00—20：00是地闪高发时段，其中17：00雷电活动最为强烈。

2）防雷接地装置采用自然接地体和人工接地，设备与防雷共用接地体，接地电阻不大于1Ω。

3）大楼天面防雷接闪器采取明敷Φ12不锈钢，侧击雷防护从首层起利用建筑物四周圈梁内两条结构主筋通长焊接构成均压环，外墙金属门窗、玻璃幕墙与均压环等电位连接。

4）大楼内信息系统雷击电磁脉冲防护级别为A级，采用Φ8圆钢1.5 m×1.5 m法拉第笼网屏蔽、S型等电位连接、安装3级电源SPD等防雷措施后，可有效防御雷击电磁感应、地电位反击、雷电电磁脉冲电涌侵入，保障机房设备和系统安全。