复杂周边环境下的新一代天气雷达防雷研究与设计

欧林忠 孙录贵 陈伟

摘要 科学合理的防雷设计能有效降低雷电造成的灾害，本文以灵壁县X波段雷达防雷设计与施工实践为基础，总结分析了灵璧县X波段雷达周边环境的复杂特殊性，提出复杂周边环境下的新一代天气雷达防雷方法及应对策略，重点讨论应对邻近建筑物及电力设施的影响，通过共用接地、屏蔽、増补接地、降低土壤电阻率等综合手段提升Ⅹ波段雷达防雷安全，以期对类似特殊环境下建设新一代天气雷达防雷设计施工提供技术借鉴。

关键词 复杂周边环境;综合防雷方法;Ⅹ波段天气雷达

中图分类号：P415.2

文献标识码：B

文章编号：2095-3305（2021）02-061-03

Ⅹ波段双极化相控阵天气雷达既具有相控阵雷达快速扫描特点，又拥有双偏振雷达精确极化探测能力的优势，为极端天气预警预报研究等气象业务提供了高时空分辨率的雷达监测数据，是提升区域气象防灾减灾能力的重要设备。因此常常需要在雷电灾害性天气时保持运行，极易遭受雷击。新代天气雷达建设具有一次性建设投入大、遭受雷击易损等特点，其防雷工程设计施工的可靠性不仅影响着雷达的安全及正常运行，还关系着雷达站内工作人员的人身安全，其防雷工程设计施工一直以来都是热点话题。陈景荣等基于X波段双极化相控阵天气雷达的结构和安装特点进行防雷设计，在总结了气象探测设备特别是新一代天气雷达以及风廓线雷达的防雷实践经验基础上，对X波段双极化相控阵天气雷达的防雷进行设计和应用。夏亮等针对雷达站电源系统的防雷问题，采用三级涌保护器防护加隔离变压器的综合防护系统进行防护，并对防雷系统进行了建模仿真和实际测试，明确了防雷系统的可靠性。黄雷等通过对肇庆多普勒天气雷达站防雷现状的了解和分析，结合现场情況对肇庆多普勒天气雷达的感应雷防护系统提出了相应的整改方法，为多普勒天气雷达的综合防雷设计及施工提供了参考。

新一代天气雷达防雷设计方面的研究很多。中国气象局已发布了《新一代天气雷达站防雷技术规范》（QXT2-2016），图纸根据规范进行了相应的设计。但是针对建设区域周边复杂的环境，规范没有给出针对性的解决方案，特别针对是周边具有其他精密仪器、电力设备、架空线路，且在接地网建设受限条件下的新一代天气雷达防雷方法及对策方面缺少研究。论文以灵璧县Ⅹ波段雷达防雷设计与施工实践为基础，充分考虑X波段雷达的结构和安装特点，总结借鉴其他气象探测设备、天气雷达和风廓线雷达的防雷实践经验，参考国家相关防雷规范，对灵璧县X波段雷达的防雷方法进行研究，总结分析了灵璧县Ⅹ波段雷达周边环境的复杂特殊性，从而针对性地提出复杂周边环境下的新一代天气雷达防雷方法及应对策略，以期为类似特殊环境下建设新一代天气雷达提供技术借鉴。

1周边环境

灵璧Ⅹ波段雷达周边空旷，无高大建筑物且环境异常复杂，北侧不足2m距离处建有2.6mx2.4mx3.1m的灵璧县地震台站（内涵精密监测仪器），而东侧邻近灵璧县气象局主楼，建设区域狭小，土壤以回填土为主，土壤电阻率大，附近架空电力设备较多，且邻近区域有一台变压器设备，《新一代天气雷达站防雷技术规范》（QX/T2-2016）没有针对类似复杂环境的防雷方案，图纸设计对周边复杂环境也考虑不足，给雷达防雷设计施工带来很大难度。

2外部防雷设计

2.1建筑物防雷类别的确定

灵檗县气象局R61（X波段双偏振雷达项目由天馈装置总成安装平台、雷达工作室、雷达终端室以及北斗授时系统四大部分组成，内部含有天馈装置总成、发射机柜、综合机柜、终端和配套设备等重要电子设备，根据《建筑物防雷规范》（GB50057～-2010）和《通讯局（站）防雷和接地工程设计规范》（YD5098-2005）相关规定，灵璧县气象局R61（X波段双偏振）雷达建构筑物为第二类防雷建筑物。

2.2地网和接地体设计方案

2.2.1独立接闪杆设计依据国家防雷规范和相关技术文件和国家防雷规范的要求，本着进行全面规划，综合治理，多重保护，将外部防雷措施和内部防雷措施作为一个整体统一考虑，落实安全可靠、技术先进、经济合理、施工维护方便的原则。在雷达阵地设两根提前放电高效接闪杆，以保护天馈装置总成安装平台。

在雷达非主要观测方向上布设4根接闪杆，以保护天馈装置总成，雷达工作室和终端室在保护范围内最佳。雷达工作室和终端室的屋面上设接闪带防护，使用建筑物内主筋做引下线，每处引下线不少于两根，建筑物基础与环形地网连接组成联合接地网。

2.2.1.1接闪杆高度确定

独立接闪杆的主要作用是支撑保护天馈装置总成，保护天馈装置总成最高达8m，宽4.5m。为预留安全余量，可以将其看作高8m，宽4.5m的方体建构筑物进行接闪杆高度计算。

根据公式：

其中，保护高度应高于天馈装置总成的最高高度的8m，取45m。计算得到接闪杆最低高度，高度最小取9m。

2.2.1.2接闪杆具体结构接闪杆高度为9m，由3节组装而成，中间用大小头连接，接闪杆杆采用材质为304不锈钢管制作，第节为219×6×3000mm，第二节为133x6×1300mm，第三节为80×4x4700mm，接闪杆底部采用定制法兰与预留的钢筋连接做接闪杆基础，在制作安装时接闪杆杆与底法兰连接时用8块加肋板电焊，增加接闪杆杆与底法兰的强度。接闪杆接地装置的优劣不仅与接地电阻值有关，还与接地方式有关。接闪杆不设单独接地，与环形接地网直接相连接，接地电阻不能满足要求时可增设水平接地体或垂直接地体或使用降阻剂。环形接地方式优于独立式接地方式。

2.2.2屏蔽网格结构为了避免周边电力电子设备（灵璧县地震台站设备、变压器设备等）对雷达设备造成影响，运用建筑物结构主筋做引下线的同时，在墙体内增设屏蔽网格，使用热镀锌扁钢沿建筑物屋檐、屋角铺设。

引下线的数量关系到反击电压的大小，所以引下线的根数和布置应按防雷规范确定，引下线的根数以适当多些为宜。在屋顶装设避雷网应与引下线连接成网，利用雷电流的分流，以减少整体防雷引下線的电感。接闪杆的引下线利用主钢筋。焊接点按规范要求制作并在适当位置设置检测点。

2.2.3地网结构项目采用联合接地体，环形接地的冲击阻抗小于独立式接地的阻抗，并有利于改善建筑物内

的地电位分布，减少跨步电压。此外，环形接地便于与各种入户金属管道相连，并可利用自然接地体降低综合的接地电阻。

在主建筑物（雷达工作室和终端室）周围设14m×18m环形接地网环形接地体与主建筑物基础连接点不少于10处（每隔6m连接1次）。参照大型地网接地电阻要求，要求环形接地体工频接地电阻不大于0.59为最佳，为提升地网分散雷电流能力，在环形接地体基础上增设辐射水平接地体和垂直接地体防雷和电力设备接地的目的均以安全为主，其手段是降低接地阻抗和维持等电位。防雷接地的阻抗必须考虑冲击阻抗，尽量采用环网的接地形式，凡是能够與防雷共用接地的电气设备均宜直接将两个系统的接地导体相连，这是维持等电位的最好方法。

地网接地体埋深1m（接地体上端与地面距离）。水平接地体使用热镀锌扁钢，规格满足规范要求。垂直接地体采用长度不小于2.5m的铜材或铜包钢，垂直接地体间距满足规范要求。每隔6m布设1处水平接地体和垂直接地体，地网四角应布设垂直接地体。所有接地体使用焊接连接，焊点做防腐处理，铜材处使用热熔焊。为使接地电阻满足要求，在地网使用降阻剂和专用铜包钢降阻棒。

接地引入线不少于两处，每处长度不超过30m，采用50mmx5mm热镀锌扁钢引入，出土处采用防机械损伤处理（热镀锌钢管保护），并做防腐。

3内部防雷设计

为了避免周边电力电子设备（灵璧县地震台站设备、变压器设备等）对雷达设备造成影响，内部防雷设计时着重考虑增强屏蔽、做好等电位等手段。

3.1雷电防护等级的确定

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）的规定，建筑物电子信息系统根据其重要性、使用性质和价值可分为A-D级，雷达站雷

电防护等级为B级。

3.2雷达工作室和终端室防雷设计

3.2.1室内等电位和接地汇集线设计在室内雷达工作室和终端室机房防静电地板下均设等电位汇流排（LEB），采用网状-星形混合型接地结构。等电位汇流排（LEB）与主楼基础可靠连接（利用预留接地端子），每个汇流排连接点不少于4处为提高抗干扰能力，2个汇流排之间应可靠连接，连接点不少于2处。接地汇集线采用铜排根据机房内设备分布分层设置，截面积不小于300mm3。

3.2.2设备接地线设计各类接地线应根据最大故障电流确定，并考虑机械强度。机房重要设备接地线采用截面积不小于35mm2的多股铜芯线，一般设备采用截面积不小于16mm2的多股铜芯线;当长度较长时，截面积不小于35mm2。机架内的小型设备，接地线采用不小于16mm2的多股铜芯线首先连接至机架的汇流排后，机架采用小于35mm2多股铜芯线与机房汇流排连接。

3.2.3其他设计机房内金属管道应两端可靠接地，其他金属构件均就近接地。电缆桥架可靠接地，自身节与节之间保持电气连通。进入户内的电缆采用金属铠裝电缆，如未采用须做屏蔽防护。

3.3电源系统的保护

根据《雷电电磁脉冲的防护》（IEC61312）、《电子计算机机房设计规范》（GB50174-93）、《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）、《低压配电设计规范》（GB50054-95）、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）及《通讯站防雷和接地工程设计规范》（YD5098）中防雷及过电压规范有关防雷分区的刘分和各级电源系统雷电及过电压保护要求，根据电源系统、监控系统与网络系统的特点，对电源系统做三级保护。如果只做单级防雷，可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大破坏设备或者保护能力不足引起设备损坏。电源系统三级保护，可防范从直击雷到工业电涌的各级过电压的侵袭。

4雷达楼旁边台式变压器设备改成地面箱式变压器

因为箱式变压器能够降低原来台式变压器的高度，减少高压电缆长度，从而进一步降低雷击的风险，并且其内部构造安排较为合理，所以，占用的空间较小，也容易与雷达楼的自然环境相融合。

5结束语

本研究根据灵璧县Ⅹ波段雷达自身特点，总结分析了灵璧县Ⅹ波段雷达周边环境的复杂特殊性，对外部防雷系统和内部防雷系统进行综合防雷设计，并遵循内外防雷相互影响尽量小的原则。根据当地雷暴日情况，雷达的防雷类别为第二类。重点应对邻近建筑物及电力设施的影响，通过共用接地、屏蔽、增补接地、降低土壤电阻率等综合手段，提出复杂周边环境下的新一代天气雷达防雷方法及应对策略。目前雷达防雷工程施工已经完成，各项指标均达验收要求。

参考文献

[1]陈景荣，李文飞，黄春生.X波段双极化相控阵天气雷达的防雷设计[J].气象水文海洋仪器，2020，37（4）：50-54.

[2]夏亮，杨江平，邓斌，等，雷达站电源综合防雷系统研究与设计[J].电力系统保护与控制，2019，47（16）：143-150

[3]黄雷，梁裕昌，姚登鑫，肇庆国家天气雷达站塔楼综合防雷整改应用[J]气象水文海洋仪器，2020，37（4）：66-69

责任编辑：黄艳飞