浅谈威海市新一代天气雷达站的雷电防护措施

宫翠凤 宫新春

摘要 根据威海市新一代天气雷达站的地理、土质、气象等自然环境的特点，确定雷达站防雷等级，阐述了雷达站在设计和施工中，针对雷电各种危害途径所采取的防护措施。

关键词 天气雷达;防雷设计;接闪器;接地;雷击电磁脉冲

中图分类号：P415.2;TM862 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）06-055-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.06.020

Discussion on Lightning Protection of New Generation Weather Radar Station in Weihai City

GONG Cui-fenget al（Weihai Meteorological Bureau， Weihai， Shandong264200）

Abstract According to the geographical，soil and meteorological characteristics of new generation weather radar station in Weihi City，the lightning protection level of radar station was determined. This paper expounded the specific protection measures adopted in the design and construction of radar station aiming at various hazards of lightning.

Key words Weather radar;Lightning protection design; Flash receiver;Grounding; Lightning electromagnetic pulse

由于新一代天气雷达设备比较贵重，微电子设备较多，具有灵敏度高、耐压低的特点，加之雷达楼主体较高，周围较空旷，使得雷达设备防直击雷和防雷电电磁脉冲的抗干扰性能往往达不到要求，导致雷达设备性能下降甚至损坏。依据国家相关规范标准和气象行业标准QX2-2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》，结合威海新一代天气雷达站的周边环境，对雷达站的综合防雷措施进行了详实、细致的论述，以期减少雷电灾害，保证雷达系统正常工作。

1 威海新一代天气雷达站自然环境

1.1 地形概况

威海新一代天气雷达站位于荣成市岳西庄北岗（122°22′39.29″E，37°09′00.4″N），海拔76 m，距离威海市气象局41 km，地势开阔，四周空旷。

1.2 地质及土壤概况

根据地质勘察报告，雷达站场地所处地貌为剥蚀丘陵，地势东高西低，勘察前进行了平整。雷达站场地的土质由3部分组成：最上层为整平场地时的回填土，主要由沙土和碎石组成，分布在场地西部，厚度0.5～2.7 m;中层为耕土，主要由沙土及少量黏土组成，分布在场地西部，平均厚度1.3 m，平均埋深2.35 m;最下层为全风化片麻岩，风化强烈，主要成分是长石和云母，平均厚度1.8 m，平均埋深4.27 m。

場地所处区域地下水贫乏且分布不均，土壤电阻率高且差异明显，实测场地西侧地表土壤电阻率平均值为149.6 Ω·m，东侧平均值为869.4 Ω·m。

1.3 气候状况

威海市属于北温带季风型大陆性气候，四季变化和季风都较明显。威海濒临黄海，受海洋的调节作用，又具有大风多、湿度大等海洋性气候特点。

根据1970—2010年气象资料统计，威海市平均气温11.9℃，最高气温38.4℃（环翠区），最低气温-22.2℃（文登），平均年降水量730.2 mm，平均年日照时数2 538.2 h。威海年均暴雨日数为2.3 d，年均大风日数为73 d，年均雷暴日数为18.5 d。

2 威海新一代天气雷达站防雷类别和防雷等级的确定

2.1 雷达楼年预计雷击次数

雷达楼的年预计雷击次数的计算公式：

N=kNgAe（1）

式中，N为建筑物年预计雷击次数（次/年）;k为校正系数，雷达楼属于旷野孤立建筑物，k取2.0;Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2·年）]，其计算公式为：

Ng=0.1Ta（2）

式中，Ta为年平均雷暴日（18.5 d/年）;Ae为建筑物的等效面积（km2），威海市雷达楼为圆形，其等效面积Ae的计算公式为：

Ae=π×（D+R）2×10-6（3）

式中，R为雷达楼半径（16 m）;D 为建筑物半径的扩大宽度（m），其计算公式为：

D=（4）

式中，H为雷达楼高度（50.6 m）。

将上述数据代入式（1），计算得出N=0.123 2次/年。

2.2 防雷类别和防雷等级

雷达楼年预计雷击次数为0.123 2次/年，大于0.05次/年，考虑到新一代天气雷达设备贵重，弱电设备较多，雷达楼的防雷保护按二类防雷建筑物、二等防雷雷达站设计。防雷设施的施工、SPD的选型及安装位置严格按防雷类别和防雷等级进行确定。

3 威海新一代天气雷达站防雷设计方案

3.1 直击雷防护措施

为保护雷达天线免受直击雷破坏，在安装雷达天线基座屋面安装正方形排列的4根接闪杆。为减轻反击和避免天线进入雷击电流的强磁场，接闪杆与罩体外缘最近距离为3 m。

用滚球法计算接闪杆长度，计算公式为：

h0=+h-hr（5）

式中，h0为保护范围最低点的高度（天线罩直径12 m+天线罩支撑架高度1.25 m+安全裕量1 m，即14.25 m）;d为对角接闪杆间水平距离（按规范要求，接闪杆与被保护物间最小安全距离为3 m，天线罩直径为12 m，即18 m）;hr 为滚球半径（取45 m）;h为接闪杆高度。

将上述数据代入式（5），计算得出h=15.15 m。

为安全可靠，接闪杆实际架设高度设计为16 m。顶端针型接闪器采用PDA PIX3-60法国进口接闪杆，长度为0.44 m。针以下部分采用高强度玻璃钢管作为支撑杆，内用截面积为35 mm2的多股铜线实现顶端接闪器与焊接底板的电气连接。

沿楼顶平台女儿墙用φ10（直径10 mm）热镀锌圆钢敷设接闪带，25 mm×3 mm镀锌扁钢作支撑卡子，间距1 m，高0.15 m，接闪带与建筑物柱体外侧主钢筋作电气连接。

将屋顶层平面混凝土内的钢筋网在1 m×1 m的钢筋网格点电焊连接，并就近与屋面构造柱内主钢筋电焊连接，网格外围钢筋分别与四周设置的接闪带电焊连接作为接闪网，接闪网网格材料为φ8（直径8 mm）镀锌圆钢和40 mm×4 mm鍍锌扁钢。

3.2 侧击雷防护措施

雷达楼从首层起以建筑物圈梁作为均压环，圈梁内至少选择2条对称主筋在整个楼层范围内焊接连通，并就近与引下线（建筑物柱体主钢筋）焊接连通。所有外墙上的孔、洞两侧对称预留2个接地点，外墙无孔、洞处，按间距2 m预留接地点，以供玻璃幕墙、金属框等就近与均压环链接。

3.3 引下线设计

利用雷达楼每个构造柱内至少2根以上φ16（直径16 mm）主钢筋自下而上电焊连通作为引下线。防雷引下线利用外墙构造柱内的主钢筋，下部与基础圈梁（承台）主钢筋电焊连接，上部与剪力墙上部水平圈梁主钢筋及接闪带和接闪杆电焊连接。各楼层及各处均压等电位连接预留件均从靠近中心的引下线上引出。用作等电位连接的引下线通长焊接，下部与基础地网靠近中心的主钢筋焊接。

3.4 地网设计

雷达楼采用共用接地系统，利用基础接地网作为联合接地，接地电阻值不大于1Ω。

将基础底板内钢筋网在不大于3 m×3 m网格交叉点上进行电焊连接，焊接点利用不小于φ10的拐筋焊接，焊接长度不小于钢筋直径的10倍，承台上下部配筋可靠贯通。地网接地极利用雷达楼基础构造柱（桩基）钢筋，将桩基的任意2根对称钢筋与承台中的钢筋网格焊接连通，形成整体接地网，并将构造柱内的主钢筋与承台内主筋电焊连接。

在雷达楼地基外围，以雷达楼中心为圆心，半径为20 m、25 m处围绕地基设置环形人工辅助接地网。水平接地体采用95 mm2裸铜绞线，垂直接地体采用φ2 000 mm×2 500 mm的铸铜棒，垂直接地体间隔5 m。人工接地网埋深1 m，打入长度2.5 m的垂直接地极，人员出入频繁的地方，网格适当加密。人工接地网接地电阻≤1Ω，并与基础地网可靠焊接。土壤电阻率较高的地方采用HTJ-01长效降阻剂。同时，在基础圈梁外侧，每隔3～5 m预留1条外引接地线，将人工接地体与预留的外引接地线可靠焊接。

3.5 防感应雷和屏蔽措施

雷达天线接到机房的所有电缆敷设在金属屏蔽槽（管）内，金属屏蔽槽（管）和波导管在穿过每一层楼时与该层等电位联结带电气连接。金属屏蔽槽（管）首尾电气贯通。雷达天线至机房的电缆线入口处用金属屏蔽并接地。

雷达主机房设备较多，为防止电磁辐射对人身、设备的危害，雷达机房和控制室的上、下层面楼板及四周墙面的钢筋适当加密，以满足电磁环境的安全要求。雷达机房采取4层屏蔽防护：第1层利用保温层内50 mm×50 mm的金属网格;第2、3层利用水泥墙内的双层钢筋;第4层专门敷设50 mm×50 mm的镀锌金属网格。雷达机房的地面和顶棚同样采取4层防护：第1层为建筑物外墙200 mm×200 mm的钢筋;第2、3层为地面及顶棚内200 mm×200 mm的双层钢筋;第4层为专门敷设50 mm×50 mm的镀锌金属网格。雷达机房和控制室使用金属防盗门，窗和孔洞处均设置50 mm×50 mm的金属防护网，金属门和防护网均与预留的等电位连接点连接。

为防止雷击电磁脉冲，雷达机房和控制室设置在从顶层算起3层以下内部的设备和布线距外墙及梁柱1 m以上，以防止强电流产生的感应电压造成危害。

3.6 等电位连接

防雷器件首先起到的作用是对雷电流的吸收和泄放，同时也是一种等电位连接器，等单位连接在系统防雷中起着非常重要的作用。

将进出雷达楼的各种金属管道、信号电缆外屏蔽层、电力电缆外铠均在雷达楼的入口处用等电位卡子连接后与地网连接，配电室内的接地干线亦采用40 mm×4 mm的镀锌扁钢与地网相连，构成总等电位联结。上述可导电部分在穿过雷电防护区的交界处，用40 mm×4 mm镀锌扁钢连接到等电位连接带上做局部等电位联结。同时将设备外露可导电部分、PE线、线缆金属屏蔽层和防静电地板等连接到该层等电位连结带上。

在雷达机房和控制室内，距地30 cm沿墙用30 mm×3 mm铜板敷设环形等电位连结带，预留等电位连接点6处，每隔5 m进行一次等电位连接。将室内所有微电子设备的金属外壳、设备的保护地、屏蔽地、直流地、交流地、防静电接地、线缆的金属外壳及SPD的接地端均以最短距离分别连接到等电位连结带上。

3.7 雷击电磁脉冲防护措施

3.7.1 电源系统的保护 为保证雷达业务的正常运行，采用双路电源供电，一路来自市电网，另一路来自发电机组。低压供电选用TN-S接地系统。

为防止雷电波侵入，采用逐级消压的方式，自变电室至雷达楼供电系统箱安装3级SPD，重要设备前端电源安装第4级过电压防护。

（1）SPD1：选用并联式DBM1255（4P）电源浪涌保护器2套，分别安装在双路电源配电盘。在每条相线和中性线上选用Ⅰ级分类试验用冲击电流Iimp通过幅值电流≥50KA的SPD（10/350 μs），主要技术参数见表1。

（2）SPD2：选用并联式DGM TNS 275（4P）电源浪涌保护器2套，分别在双路电源配电盘SPD1处并联安装。在每条相线和中性线上选用标称放电电流≥20 KA的SPD（8/20 μs），主要技術参数见表2。

（3）SPD3：选用并联式DGM TNS CI 275电源浪涌保护器6套，分别安装在雷达楼的分配电箱内。每条相线和中性线上选用标称放电电流≥12.5 KA的SPD（8/20 μs），主要技术参数见表3。

（4）SPD4：选用串联式DRM 2P 255及DRM 4P 255电源浪涌保护器，安装在设备端直接供电电源线路上。每条相线和中性线上选用标称放电电流≥3 KA的SPD（8/20 μs），两者的主要技术参数相同，具体见表4。

3.7.2 信号系统的防雷保护 雷达站通过光纤传输数据，为防止雷电波沿着金属部件引入电子设备，在光缆的终端将光缆内、外皮上的金属部件直接连接到等电位联结带上。进入主机房的电话线穿金属管屏蔽埋地引入，在接线盒前端安装信号SPD。在雷达主机房内的重要电子设备入口端安装相应的信号浪涌保护器，根据接口形式、传输速率、特性阻抗、驻波比、插入损耗、频带宽度等性能指标确定其具体型号。

4 小结

威海市新一代天气雷达站2014年竣工，投入使用4年多来，未发生过任何雷击事故，说明该方案符合现代综合防雷的基本宗旨。每年雷雨季节前，应对雷达站的所有防雷设施进行年检。雷雨季节中要加强外观巡视，发现电源避雷器出现问题需及时处理。

参考文献

[1] GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[2] GB50343-2012.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] GB50174-2008.电子信息系统机房设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

责任编辑：李杨