望谟县X波段天气雷达防雷要点*

李舟鑫，邱 娅，韦仕丽，李 婧，胡万全

(贵州省黔西南自治州气象局，贵州 兴义 562400)

望谟县X波段天气雷达防雷要点*

李舟鑫，邱 娅，韦仕丽，李 婧，胡万全

(贵州省黔西南自治州气象局，贵州 兴义 562400)

该文主要针对黔西南州望谟县X波段全相参天气雷达建设项目防雷设计不完善的状态，经过大量实地勘察、测试、计算分析，对比原设计单位防雷系统设计与设备要求之间的差距，按相关规范要求并结合实际需求，提出解决思路和方法，补充和完善了防雷设计，可供在建或拟建雷达项目防雷系统设置作参考。

天气雷达；防雷要点

1 前言

望谟县地处贵州的南部边缘黔西南州东部，望谟是气象灾害频发的重灾区，尤其是以中小尺度强对流天气产生的暴雨、冰雹和大风，每年都会带来巨大的经济损失和人员伤亡。仅2011年6月5日望谟因暴雨引发山洪，造成8万人受灾，多人死亡，直接经济损失达16.4亿元。望谟县海拔相对较低，周边的雷达位置海拔较高，雷达对灾害性天气的监测，存在扫描盲区，不能反应真实天气状况。建设X波段全相参天气雷达，加强望谟积雨云、冰雹、暴雨、局地强对流等天气现象探测，解决望谟县气象局对强对流天气的监测、预报、预警的短板问题。为保障雷达的探测有效性，选址环境因素要求有较小的人为干扰和地物干扰，因此雷达总是处于空旷的环境及孤立状态。按《新一代天气雷达站防雷技术规划》要求，必须从接闪、传导、分流、接地、屏蔽、等电位连接等方面对雷电进行综合防护，减少雷电对雷达的危害。因此，对雷达站的防雷系统进行补充设计是十分必要的。

2 X波段天气雷达防雷系统设计分析

望谟X波段雷达塔楼高21.0 m，塔楼设计6层，每层3.5 m，塔楼总建筑面积216 m2，并在塔楼建设贵州山洪地质灾害防治外场试验基地平台。望谟X波段天气雷达项目的土建部分由黔西南州建筑设计院设计，设计中防直击雷采用避雷针作为接闪器，但材质为钢质材料，接地电阻只要求小于10 Ω。很显然，原防雷设计不完善，存在较大的雷击风险，需要补充设计。

3 X波段天气雷达防雷补充设计要点

3.1 防直击雷LPS的参数确定

根据X波段雷达天线罩及基座相关尺寸数据，对雷达的防直击雷避雷针(LPS)的高度进行计算。雷达厂家提供数据体现，天线罩直径4 m，基座高度暂定1 m，冗余量暂定1 m，防雷类别为二类，安全距离按规范要求不小于3 m(可按实际土壤电阻率计算后调整)，示意图1：

图1 雷达避雷针保护示意图Fig.1 Schematic diagram of radar lightning rod protection

根据数据按双支等高避雷针最低保护高度求避雷针的高度：

(1)

将厂商提供参数代入上式，解方程得：h=6.3 m。

经计算，当采用双支等高避雷针对X波段雷达天线罩提供防直击雷保护时，考虑冗余量保护高度，将避雷针高度放至7.5 m时，最小保护宽度为24.36 m，最低保护高度为7.17 m，按GB50057-2010建筑物防雷标准能对天线罩提供二类防直击雷保护。

望谟雷达塔楼的体量参数为7.46 m×6.27 m×19.50 m，塔楼五层顶为外挑园盘，外挑1.9 m，园盘直径为11 m。原计算避雷针基础起点在六层屋面，由于安全距离不足，现将避雷针基础设置于五层屋面，使安全距离≥3 m，避雷针高度调整为10.5 m，必须验证计算此高度避雷针的最小保护宽度和最低保护高，根据计算结果来确定天线罩是否被保护。

当避雷针高度为10.5 m时，屋面每侧的最小保护宽度：

(2)

当避雷针高度为10.5 m时，保护范围上边线的最低保护高度：

(3)

经计算，当采用双支等高避雷针对X波段雷达天线罩提供防直击雷保护时，考虑冗余量保护高度，避雷针高10.5 m，最小保护宽度为28.46 m，最低保护高度为10.2 m，最低保护高度大于五层屋面至雷达天线罩的总高度7.9 m，按GB50057-2010建筑物防雷标准能对天线罩提供二类防直击雷保护。

3.2 雷击电磁脉冲的防护

雷达机房面积大部分都不足50 m2，接闪雷电流时接地网的响应时间将严重不足，同时室内电磁场强度也大于800 A/m。因此做好雷击电磁脉冲的防护是十分必要的。而现实情况是雷达机房的墙大多数为填充墙，对雷击电磁脉冲是没有屏蔽效能的，在没有屏蔽的情况下，雷达机房的雷击磁场强度由下式结定：

(4)

当首次雷按二类150 kA；雷击点为LPS顶点时(按望谟X波段雷达避雷针高度10.5 m计算)：

此值相当于规范允许值的3倍，将雷达设备置于这样的电磁环境中是不安全的。因为现代雷达所使用的大规模集成电路都是采用MOS工艺烧结而成，各结点耐磁场强度的能力非常低，IEC标准提出，当磁场强度大于800 A/m时，集成电路可能就出现假性损坏。因此当雷达机房采用剪力墙结构时，将剪力墙网筋与主体结构钢筋作有效连接使之达到屏蔽能力，当雷达机房为填充墙时，应在墙上挂钢网屏蔽并设置于墙的粉敷层内同时与结构主体作有效连接，使之达到屏蔽效果。其屏蔽效能由下式结定：

H=H0/10SF/20

(5)

式中SF=20×log(8.5/ω),ω为屏蔽网的格宽。

只要采取屏蔽措施，ω值不大于0.5 m时，SF/20≥1,按式(5)表达的结果，雷达机房内的磁场强度将小于300 A/m，使雷达设备置于安全的电磁环境中。

3.3 等电位连接

等电位连接的目的是减少雷达设备所在建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击而产生的电位差；等电位连接实现的方式是将交流地、工作地、保护地、防雷地、屏蔽接地等诸地用导体或浪涌保护器连接，从而减少因雷击过电压、过电流产生电位差对设备造成损坏。对于X波段雷达而言，等电位连接除按规范要求处，还须遵循共地网不共接地母线的原则。由于机房面积小，安全距离受限，在选择接地基准点(ERP)时,应选择建筑物中间位置的结构钢筋作为接地引入点，按照集肤效应原理，当发生雷击时，将整个雷达楼视为一个导体，建筑内部的电荷密度最小，因此选择中间位置作为ERP接入点相对安全。

3.4 防雷电波侵入

雷达环境相对孤立，雷电波侵入的主要途径就是传输和供电电源两个方面。传输介质采用光纤，光纤本身不传递电涌电流，但光缆中的金属加强芯会传导电涌脉冲，解决方法简单易实现，将光缆中的金属加强芯在机房内就近接入ERP端子。供电电源的防雷电波侵入措施，用浪涌保护器来实现，浪涌保护器的能量配合按规范要求执行，在最末级值得关注的参数就是残压，应控制在800 V以下。因为防雷电波侵入措施其实属于等电位连接范畴，只是当SPD接入后，等电位连接就变为准电位连接，电位基准点不在是理想值0 V，而变为SPD的残压值，这是工程实践中必须注意和解决的问题。

4 小结

本文是对于黔西南州望谟县X波段气象雷达建设项目防雷系统补充设计的总结，由于原设计单位没有根据设备厂家的要求设计防雷系统，在工程实施过程中由黔西南州气象灾害防御中心承担防雷系统的补充设计，在设计过程中经过大量的勘察、测试和计算分析，确定避雷针的保护模式、SPD有选型、等电位连接的方式及屏蔽的实现等诸多方面的参数，现阶段雷达项目已将结束，此文可供在建雷达项目参考。

[1] 建筑物防雷设计规范[S].GB50057—2010.

[2] 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].GB50343—2012.

[3] 电子信息系统机房设计规范[S].GB50174—2008.

[4] 新一代天气雷达站防雷技术规范[S].QX2—2000.

[5] 李衣长.新一代天气雷达站雷灾调查鉴定与防雷技术研究[J].贵州气象,2016,40(1):56-59.

Wangmo County X band weather radar lightning prevention key points

LI Zhouxin,QIU Ya ,WEI Shili,LI Jing,HU Wanquan

(Qianxinan Prefecture Meteorological Bureau of Guizhou Province, Xingyi 562400, China)

Aiming tackling the imperfect state of lightening protection design of Wangmo County X band coherent radar construction project, Qianxinan of Guizhou Province, a comparative study was made between the original design and the relevant specifications and actual demand, after a large number of field investigation, testing and calculation, ideas and methods were proposed to improve the design of lightning protection, serving as reference for the lightning protection system under construction or to be constructed.

weather radar; lightning protection

2017-03-09

李舟鑫(1972-)，男，副高，主要从事雷电防护、雷击灾害鉴定工作，E-mail:376920863@qq.com。

1003-6598(2017)03-0075-03

P412.25

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