新一代多普勒天气雷达防雷工程设计

李维红， 李冬伟， 常进惠

（1.甘肃省甘南州防雷中心，甘肃甘南 747300；2.军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄 050003；3.甘肃省定西市防雷中心，甘肃定西 743000）

新一代多普勒天气雷达防雷工程设计

李维红1， 李冬伟2， 常进惠3

（1.甘肃省甘南州防雷中心，甘肃甘南 747300；2.军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄 050003；3.甘肃省定西市防雷中心，甘肃定西 743000）

李维红（1975-），男，工程师，从事雷电防护方面的工作。

根据合作市新一代多普勒天气雷达站建设要求，结合相关规范对雷达站从直击雷防护到感应雷防护进行了详细的设计。指出直击雷防护采用四支等高接闪杆保护，雷达站直击雷防护接地和设备接地采用共用接地，雷达设备的接地采用就近接地，并对设备机房进行了严格的屏蔽，对管线、供电、通信线路等进行了系统性防雷设计。

防雷设计；等电位联结；接地设计；屏蔽

0 引 言

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而损坏。合作新一代天气雷达站位于合作市南山山梁顶部,海拔高度为3 364 m,地表为天然高山草甸草场,四周植被完好,易遭受雷电袭击,主要建筑区基本为矩形,东西长约为48 m,南北宽约为15 m。

因此,在符合有关国标规范、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、地理环境和气象条件,设计出安全可靠、技术先进、经济合理、综合防护的最佳雷电防护方案,防止或减轻因雷击而造成的财产损失、人身伤亡、设备损坏。

1 塔楼及附属用房防雷设计

1.1 防雷等级的确定

合作市年平均雷暴日达60 d,最多雷暴日为85 d,属于强雷区。合作雷达站防雷等级为一等,机房按照A级机房设计；辅助用房按照二类防雷建筑设计；站内人员活动区域按照第三类防雷建筑设计,以有效保护人身安全。

1.2 直击雷防护设计

1.2.1 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,以保护建筑物和设备。合作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。

(1)雷达塔楼及天线罩。按照一类防雷建筑设计,零界高度选择在塔楼屋面处,考虑到防雷引下线的设置、结构抗风等诸多因素,用滚球法计算后需设立4支12.7 m等高接闪杆,将雷达天线罩置于接闪杆防护范围内。雷达站建筑物直击雷防护示意图如图1所示。为了防止接闪杆对雷达信号造成衰减,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40 m/s,内设1根截面积不小于50 mm2的多股铜线,实现对雷电流的引下入地。

(2)塔楼附属用房。在女儿墙上敷设接闪带,屋面天线等设施均用塔楼接闪杆保护。由于附属用房与塔楼间隔距离为100 mm,故靠近塔楼一侧不设接闪带。附属用房直击雷防护平面图如图2所示。雷达塔楼顶部的接闪杆可对雷达站人员活动区域80%构成有效的防护区域。

图1 雷达站建筑物直击雷防护示意图（mm）

图2 附属用房直击雷防护平面图(mm)

1.2.2 引下线

接闪杆以及接闪带的引下线全部借用立柱外侧中间2根主筋,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,使可能发生的雷电流在引下过程中得以极大的分散,减轻雷电流破坏性。塔楼接闪杆每根借用2根主筋引下,附属用房引下线按照二类防雷建筑物设置,引下线对称布置(见图2)。

1.2.3 接地设计

雷达站根据岩土勘察报告以及土壤电阻率测试,雷达站上层为粉质黏土,中等韧性稍湿、硬塑,厚度为0.80～1.50 m,土壤电阻率为20～100Ω·m,下层为板岩,钻透厚度为4.00～ 7.10 m。场地平整后部分地段板岩厚度将低于4 m,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。合作新一代天气雷达站直击雷防护的接地体由两部分组成：建筑物独立基础,通过地梁连接的自然接地装置；环绕雷达塔楼和辅助用房四周的敷设人工接地装置,在散水外大于1 m用2.5 m长∠5 mm×50 mm热镀锌角钢做垂直接地体,间距≥5 m,用_4 mm× 40 mm热镀锌扁钢做水平接地体,埋设深度＞1.3 m(山顶冻土层)。另外,作为引下线的主筋与人工接地体焊接连通。

(1)季节调整因子。根据相关规范要求,雷达站设计接地电阻≤4Ω。由于土壤电阻随季节而变化,为了在土壤电阻较高的季节接地电阻仍达到设备安全要求,实测接地电阻为

式中：Rmax－－－接地电阻的最大值,设计值取4Ω；

ω－－－季节因数,常用值取1.45。

经计算,该站接地电阻的实际设计值应小于2.75Ω。

(2)自然接地体的的接地电阻计算。单个独立基础的工频接地电阻为

式中：ρ－－－基础所在处的有效土壤电阻率；

K1－－－形状系数,取1.4；

K2－－－形状系数,取0.25；

L1－－－基础底平面积的边长,取2.0 m。

经计算,独立基础的接地电阻R＝191.1Ω。

不考虑地梁接地电阻,各独立基础联合后的接地电阻为

式中：n－－－独立基础的数量；

η－－－独立基础的利用系数,取0.80；

Rd－－－独立基础的接地电阻。

整个塔楼及附属用房有20个独立基础,经计算,自然接地装置的接地电阻为10.8Ω。

(3)人工接地体的接地电阻计算。由于场地平整后基础外围土壤呈现上层电阻率低、下层电阻率高的特点,在水平方向上同样存在土壤电阻率的不均匀性,由于平整场地后上层黑土填埋厚度为1～4 m,故等效土壤电阻率为100～400Ω·m。考虑到施工等其他因素的影响,按400Ω·m计算,垂直接地极采用降阻剂包裹。

根据电阻串并联定律,需要补加人工接地体电阻≤3.6Ω。

①单根垂直接地体,采用∠5 mm×5 mm热镀锌角钢,其接地电阻为

式中：ρ－－－用季节系数校正后的土壤电阻率；

LC－－－从地面下1.3 m算起,单根垂直接地体长度；

DC－－－灌降阻剂后等效垂直接地体直径(不计金属极和渗透的体积因素),一般取0.1～0.2 m；

K－－－降阻系数,取20。

②多根并联的相同垂直接地极的工频接地电阻为

式中：nC－－－垂直接地体的数量；

ηC－－－垂直接地体的利用系数,取0.69。

③水平接地体。采用_4 mm×40 mm热镀锌扁钢,埋设深度为1.3 m,接地电阻为

式中：ρ－－－修正后的土壤电阻率；

Lp－－－水平接地体总长度；

d－－－扁钢宽度；

h－－－埋设深度,取1.3 m；

A－－－水平接地体形状系数,取0.48。

④垂直、水平综合接地体的工频接地电阻为

式中：ηp－－－水平接地体的利用系数,取0.69。

⑤降阻剂用量。根据设计接地体长和直径的几何尺寸,降阻剂用量为

式中：L－－－接地体长度；

D－－－接地体等效直径；

d′－－－降阻剂当量比重,取1.35 t/m3。

⑥将ρ＝400Ω·m,LC＝2 m,DC＝0.2 m, nC＝19,Lp＝135 m,DP＝0.2 m代入式(4)～式(8),得Rx＝2.38Ω,W＝0.13 t。

雷达站联合接地平面图如图3所示。

图3 雷达站联合接地平面图(mm)

1.3 雷达电子信息系统防雷设计

1.3.1 等电位联结

等电位联结是包括土建、安装、电器等项目的综合工程。该工程的等电位联结主要有以下内容：①建筑体主筋的等电位联结,对有关的竖筋和横筋进行焊接,使整个建筑体成为一个等电位体；②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；③机房、供电部分的交/直流和安全保护接地以及防雷接地均接建筑地。

雷达机房、辅助用房的油机房、UPS室需要做等电位联结。雷达机房采用M型接地网络,其网络平面图如图4所示,辅助用房采用S型接地网络(见图3)。雷达机房等电位联结网络规格为600 mm×600mm,主材为_1mm×30mm紫铜带。辅助用房内等电位联结网络的主材为_4 mm×40 mm热镀锌扁钢。由于雷达塔楼高度较高,接地引下线会加长,影响雷电流的泄放速度,因此雷达主机房的等电位联结网络的接地端主要利用建筑主筋,做等电位联结网络的接地预留端子之间的距离大于5 m,并与防雷引下线不共用同一结构柱,即兼做防雷引下线的立柱与等电位联结网络接地预留端子的立柱间距大于5 m。

图4 主机房M型等电位联结网络平面图(mm)

1.3.2 屏蔽

合作市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中,其屏蔽网格不应大于200 mm×200 mm,机房必须使用金属门窗,窗户应加设网孔不大于200 mm×200 mm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≤2 m；另一部分为各类线路的屏蔽,要严格区分高低压、高低频线路,各自分立穿管布设,穿线槽分段就近接地,将雷电和其他干扰电磁场降低到最小。

1.3.3 配电及其线路防护

市电在进入建筑物前进行穿管埋地处理,埋地长度≥15 m。总配电室后的供电采用TN_S系统,接地采用黄绿相间的多股铜芯软导线,截面积≥6 mm2；变压器侧设立中性线对地网,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进行一次接地。

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电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)。线路埋地的实际长度按规范要求,电源线不应小于15 m,通信线不应小于50 m。

依据QX2－2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》,SPD的选择有以下方面的要求：

(1)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≥20 kA(10/ 350μs),SPD主要元器件为开关型,SPD户外型具有IP54防护等级。

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

(3)第三级安装于一楼配电箱内,标称放电电流In≥2kA(8/20μs)。

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

(5)末级SPD的安装依据设备到场安装情况确定是否安装。

1.3.4 波导管的防护

雷达天馈线上一般不加装SPD,雷达天线至机房的各种信号传输线也不加装SPD,对雷达系统的天馈、信号系统部分主要应做好线路屏蔽及等电位联结。

2 其他措施

2.1 供电线路的防护

考虑雷达站地理位置的特点和气象行业标准规范要求,架空电力线路设避雷线,合作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≤10Ω。

在高压线进入变压器前端50 m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≤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。

2.2 设备摆放

雷达塔楼4支接闪杆共设有4根防雷引下线,由于机房采用屏蔽措施,建筑结构均采用法拉第笼式等电位联结,若按200 kA雷电流计算,考虑其建筑结构的分流措施,根据信息设备最大承受的磁场强度2.4 Gs计算,其安全距离为1.0 m,即雷达机房内的电子设备与外墙或防雷引下线的立柱之间的距离＞1.0 m。

3 结 语

(1)直击雷防护中需要对建筑进行分类防护。

(2)雷达站接地电阻受土壤、地质因素制约,不一定要小于4Ω或1Ω,建筑体的等电位联结和设备的等电位联结网络很重要。

(3)SPD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)防雷设计不仅要达到国家规范的要求,还要达到行业规范的要求。

[1] QX 2-2000 新一代天气雷达站防雷技术规范[S].

[2] GB 50343-2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[3] 马金福，冯志伟，汝洪博，等.雷达天线罩直击雷防护计算方法探讨[J].建筑电气，2013，32（6）：55-59.

[4] GB 50057-2010 建筑物防雷设计规范[S].

[5] 李志江，刘文奇，孙丽.防雷设计中土壤电阻率及其测量[J].辽宁气象，2001（4）：36-38.

[6] 吴薛红，濮天伟，廖德利.防雷与接地技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[7] 中国建筑学会建筑电气分会.电磁兼容与防雷接地[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8] 李志江，王伟，王华.沈阳新一代天气雷达站防雷工程设计与实践[J].建筑电气，2009，28（1）：39-44.

[9] 叶明，吴芳华，郭麦.天气雷达塔楼感应雷防护[J].建筑电气，2010，29（4）：33-37.

DeSign of Lightning Protection Engineering for Novel DoPPler W eather Radar

LIWeihong1, LIDongwei2, CHANG Jinhui3
(1.Gannan Lightning Protection Center,Gannan 747300,China；2.Department of Vehicle and Electrical Engineering,Mechanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China；3.Dingxi Lightning Protection Center,Dingxi743000,China)

According to the construction requirement of a novel Doppler radar station in Hezuo,this paper introduced the implicit lightning protection design of direct lightning and inductive thunder based on some related standards.It is pointed out that the direct lightning protection employs the four_connecting rods with equal length.The lightning protection for a radar station shares a common grounding,while the radar equipment adopts the handy grounding.The equipment room is shielded strictly,and a series of systemic protections are conducted on the lines in power supply and communication systems.

lightning Protection deSign；equiPotential bonding；grounding deSign；Shielding

TU 856

A

1674-8417(2015)12-0032-06

2015- 05- 21

李冬伟（1979-），男，讲师，研究方向为车辆电气。

常进惠（1976-），男，工程师，从事雷电防护与管理方面的工作。