海洋观测岸基雷达站雷电防护设计

2022-07-08李猛

电子技术与软件工程 2022年2期

李猛

（天津市防雷技术中心有限责任公司天津市 300074）

岸基雷达站是观测表层海流、海浪和风的重要手段，是海洋观测网络的重要组成部分，但是岸基雷达站多建在沿海地区的旷野、高山等位置，极易受到雷击。雷击可导致探测设备局部故障甚至系统瘫痪，轻则影响海洋观测资料的获取，重则威胁到工作人员的生命安全，因此雷达站的雷电防护设计应更加科学有效。

目前《海洋观测雷达站建设规范》对岸基雷达站的雷电防护设计有明确的要求，但是规范中只是笼统的要求遵照《建筑物雷电防护设计规范》、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等雷电防护的相关国家标准，给出的指导意见缺乏具体的可操作性。

同时，上述雷电防护技术规范是针对一般建（构）筑物和信息系统，普适性较强。对于岸基雷达站来讲如果机械的按照其中的雷电防护设计规定，首先极易出现忽略保护重点或者过度保护的问题；其次，规范中的大部分设计所需参数是基于对“雷暴日”观测资料进行计算处理后选定的，由于“雷暴日”观测方法本身所限，导致选定的关键技术参数不够精确。本文尝试利用新型闪电监测资料的研究成果以及岸基雷达站的雷电防护需求特点，对海洋观测岸基雷达站雷电防护设计方法进行探讨。

1 新型闪电监测资料的研究成果

2013年以前，闪电资料主要以“雷暴日”的观测数据作为基础，但是“雷暴日”的观测方法误差较大，随着新型闪电监测设备的应用，传统的“雷暴日”观测已经被替代。近些年我国气象部门着力于闪电观测网络的建设，在全国范围内大量布设大气电场仪和闪电定位仪，基本已经实现全覆盖，再结合日趋成熟的闪电观测资料处理方法，闪电观测资料逐渐丰富，准确性也不断提高。虽然我国新型闪电资料的积累工作起步时间比较晚，但是经过多年的积累，已经可以作为研究的参考。

如今基于新型闪电观测资料的研究层出不穷，尤其是通过闪电资料对各省雷电灾害风险进行区划的研究，如宋喃喃等人对天津市各行政区的雷电灾害风险进行区划；崔逊等人对江苏省雷电灾害风险区划进行探讨；刘垚等人对杭州市进行雷电灾害风险区划和分析；刘三梅等人对广东省雷电灾害风险区划进行研究；卜俊伟对四川省雷电风险区划进行分析。以天津地区为例，天津东临渤海，北接燕山山脉，沿海地区较内陆地区大气和云中含有大量的钠离子，闪电孕育的条件较为苛刻，导致闪电次数偏低，但是闪电强度较大。北部山丘地区暖湿气流易在迎风坡造成气旋性辐合，当伴有足够的动力抬升，并加之地形的推动，容易促成雷电的发生发展。根据天津闪电监测资料分析了天津区域2008- 2012 年地闪密度区划分布（如图1），整体来讲天津地区地闪密度自西北向东南方向逐渐减小，沿海地区密度最小，雷击大地密度N约为1.5次/km·a。

图1：2008-2012年天津地区地闪密度区域分布

2 岸基雷达站雷电防护设计探讨

岸基雷达站防雷设计要达到较完善的效果在采取全面的防护措施同时，还应结合其所在地的闪电规律和使用特点进行科学设计。本文结合新型闪电资料，通过计算确定雷达站防雷类别、外部防雷装置的最经济方案、电子信息系统防护等级，对岸基雷达站的雷电防护设计的方法进行探讨。

2.1 岸基雷达站防雷类别

（1）岸基雷达站防雷类别的确定，直接关系到外部雷电防护措施的选择，所以在雷电防护设计中，首先要确定的是防雷类别。在已有的防雷技术规范中对岸基雷达站的防雷类别并没有明确规定，可根据表1确定。

岸基雷达站及入户设施年预计雷击次数计算：

其中：

N—建筑物每年预计遭受雷击次数（次/a）；

N—建筑物入户设施每年预计遭受雷击次数（次/a）；

（2）雷达站年预计雷击次数N计算：

其中：

K—校正系数，可根据表2进行取值；

表2：校正系数K与建筑物所处位置关系表

N—建筑物所处地区雷击大地密度（次/km·a）；（可根据当地气象部门的闪电数据进行精确计算）

A—建筑物遭相同雷击次数的等效面积（km）。

（3）雷达站等效截收面积A计算：

当雷达站高度小于100m时，等效面积A应按照下列公式计算：

其中：L、W、H—分别为建筑物的长、宽、高（m）。

当雷达站高度大于100m时，等效面积A应按照下列公式计算：

其中：L、W、H—分别为雷达站的长、宽、高（m）。

（4）入户设施年预计雷击次数N（次/km）计算：

其中：

N—建筑物所处地区雷击密度（次/km·a）；（可根据当地气象部门的闪电数据进行精确计算）

A'—电源线缆入户设施的截收面积（km），按表3计算；

A'—信号线缆入户设施的截收面积（km），按表3计算。

表3：A'e1、A'e2计算表

（5）以天津沿海地区为例

如在天津沿海地区空旷处建设某岸基雷达站，该雷达站长30m、宽20m、高60m，进入雷达站的低压、高压电源线路均架空敷设，进入雷达站信号线路使用无金属铠装和金属芯线的光纤电缆，所处地区雷击密度N约为1.5次/km·a，土壤电阻率ρ约为10Ω·m，可根据上述公式（1）—公式（5）进行计算该岸基雷达站防雷类别，具体计算如下：

岸基雷达站及入户设施年预计雷击次数：

N=N+N=3.858（次/a），根据表1可知，该岸基雷达站N>0.05次/a，所以该岸基雷达站的外部防雷措施包括接闪杆、接闪带、接闪网以及引下线的设计应至少按照防雷技术规范中的第二类防雷建筑物进行防护。

表1：岸基雷达站防雷类别与预计雷击次数N对照表

2.2 外部防雷装置的最经济方案

岸基雷达站的雷电防护措施主要包括外部和内部两部分，外部防雷措施是由接闪器、引下线和接地装置组成，其主要作用是接收直接雷闪击、分散雷电流强度和泄放雷电流。外部防雷装置的安装工艺、材质规格的选择直接影响直击雷防护安全效果，也决定着成本的投入。在雷电防护设计时既要考虑外部防雷装置的保护需求，也要考虑经济成本支出，不能一味的追求过度保护，而造成经济成本的提高。我们以接闪器、引下线和接地装置的主要构件钢筋为例，同长度的接闪带或者引下线，钢筋直径越大，成本投入越高。本文结合岸基雷达站防雷类别通过计算确定泄放雷电流的钢筋直径最小值，为外部防雷装置最经济方案提供指导。

当雷电击中岸基雷达站外部装置后，在接闪、分流和泄流的过程中，由于闪电热效应，泄放雷电流的钢筋温度会产生变化。由于雷电流经过分流后降至很小的数值，所以雷电流流过构件内钢筋或圆钢后，其最高温度按80-100℃考虑。现取最终温度80℃作为计算值，钢筋的起始温度取40℃，因此，导体钢筋的温度升高考虑为40℃，这是一个很安全的数值。

根据以下公式计算钢筋直径：

(θ-θ)-导体钢筋的温度升高（K）；

表4：首次雷击的雷电流参数

ρ-导体钢筋在环境温度下的电阻率（Ω·m），对导体钢筋，取其值为138x10Ω·m；

q-导体钢筋的截面积（m）；

γ-物质的密度（kg/m），对软钢，其值为7700kg/m；

C-热容量〔J/(kg·K)〕，对软钢，其值为469〔J/(kg·K)〕。

在计算钢筋直径的过程中，最重要的是要确定岸基雷达站的防雷类别，可按照2.1节提出的计算方法，结合当地闪电资料，精确计算出防雷类别，并表4的雷电参数数据，计算出使用钢筋的最小截面积，从而进一步计算所使用钢筋的最小直径，以达到在泄放雷电流的过程中不会因为温度上升而导致构件损坏，也能为外部防雷措施的经济成本提供一定参考。

（1）仍以上述天津沿海地区某岸基雷达站为例，计算该雷达站泄放雷电流钢筋最小直径：