论文部分内容阅读
摘要：文章分析了上饶天气雷达所处的环境，进行了雷电风险评估，划分了雷达站的防雷等级；依据天气雷达站防雷相关技术规范，从外部防雷和内部防雷两个方面提出了防雷的技术方案。
关键词：天气雷达；防雷；设计方案
中图分类号：S16 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-09-0160-2
0 概述
上饶市新一代天气雷达站用地位于上饶市气象局院内文笔峰上，北面距离500米左右为上饶市最大的河流——信江，相对地势较高。此地段为雷击多发地区，由于雷达站引入雷害的途径很多，所以遭受雷击的概率很大。为确保雷达站建筑物、站区人员，以及站内系统设备在雷雨季节时的安全和正常工作，应严格按照国家有关防雷标准规范就雷达站的防雷与接地进行统筹设计，做到安全可靠、技术先进、经济合理。
1 雷达站地处雷击环境
上饶新一代多普勒天气雷达站拟建在地面气象观测场东北侧，距离为80m左右，建站位置海拔高度为118米，雷达天线海拔高度161米。该区域植被繁茂，地质状况为：表层为0.3-1.35m厚的杂填土，主要由风化的凝灰岩、硅质砂砾石和粉质粘土组成；第二层为强风化凝灰岩，厚度为3-4m；往下依次为中等风化凝灰岩和微风化凝灰岩。雷达站处亚热带季风气候区，降水较丰沛，雷电活动频繁，年平均雷暴日为65天，最多的年份可达82天，属多雷击地区。
按照建筑物预计雷击次数公式：
因此，0.26次/年的高雷击概率使雷达站防雷显得非常严峻。
2 雷达站防雷等级与区域的划分
由中华人民共和国气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX 2-2000中防雷等级划分表：
雷达站防雷等级划分表
对应站址所在地年雷暴日数极值82天/年,属一等雷电防护雷达站。
国标GB 50057-94（2000年版）引出了雷电防护空间区域（LPZn）的概念，以区分不同空间雷击电磁脉冲强度不一，则相应防护措施有别。上饶新一代天气雷达站，为二类防雷建筑物。由区域定义：建筑外部防雷设施滚球法保护范围以外区为LPZ0A，该区为直接雷击肆意直击沿江树木和突出地面的物体区域；雷达站建筑外部防雷设施滚球法保护范围以内的建筑天面、雷达天线空间区域为LPZ0B，该区为雷达天线、建筑顶向天的一面处在外部防雷设施的保护范围，大于滚球半径所对应10.5kA幅值的雷电流不能击入，但小于10.5kA幅值的雷电流可能穿入击向雷达天线、建筑顶向天的一面，而对雷击感生的电磁脉冲毫无屏蔽阻挡效用；雷达站建筑室内（建筑法拉第笼第一屏蔽层）为LPZ1，该区为不可能遭受直接雷击空间区域，对雷击感生的电磁脉冲已受到法拉第笼的屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减一部分；雷达主机房（专用钢筋网屏蔽层）为LPZ2，该空间区域更不可能遭受直接雷击，对雷击感生的电磁脉冲已经受到法拉第笼与专用钢筋网的两层屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减许多。
由上述雷电防护等级和防雷空间区域的概念，我们即可确定雷达站防雷不同空间区域相应的防护方法，不同空间区域各交界处的等电位连接措施；可以选定雷达站室内不同空间区域电涌防护器（SPD）的技术参数。
3 设计依据
中华人民共和国标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）。
国际电工委员会《雷电电磁脉冲的防护》IEC-61312。
中华人民共和国标准《电子计算机机房设计规范》GB50174-93。
中华人民共和国标准《低壓配电设计规范》GB50054-95。
中华人民共和国气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX2-2000。
中华人民共和国气象行业标准《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX 3-2000。
中国气象局重点工程项目办公室《新一代天气雷达站防雷设计指南》的通知。
4 技术方案
4.1 设计原则
根据现代防雷原理，雷达站应进行系统防雷，由外部防雷和内部防雷组成。外部防雷主要是指雷达站建（构）筑的直击雷防护：内部防雷主要是指雷击电磁脉冲的防护，通过屏蔽（含法拉第笼）、综合布线、等电位连接、电涌保护和共用接地等技术，保证雷达站建筑物内人员及设备的安全。按照《建筑物防雷设计规范》GB50057—94（2000版），将需要保护的雷达站塔楼划分为不同的防雷区：外部防雷设施保护范围以外的为LPZ0A，该区为直接雷击及其感生的雷击电磁脉冲肆意直击的空间区域；在将设置的雷达站建筑外部防雷设施滚球法保护范围以内的建筑天面、雷达天线空间区域为LPZ0B，该区为雷达天线、建筑顶向天的一面处在外部防雷设施的保护范围，大于滚球半径所对应10.5kA幅值的雷电流不能击入，但小于10.5kA幅值的雷电流可能穿入击向雷达天线、建筑顶向天的一面及侧面，而对雷击感生的电磁脉冲毫无屏蔽阻挡作用；雷达站建筑室内（建筑法拉第笼第一屏蔽层）为LPZl，该区为不可能遭受直接雷击空间区域，对雷击感生的电磁脉冲已受到法拉第笼的屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减一部分；雷达主机房（专用铁网屏蔽层）为LPZ2，该空间区域更不可能遭受直接雷击，对雷击感生的电磁脉冲已经受到法拉第笼与专用铁网的两层屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减许多。
由上述雷电防护空间区域的概念，就不难确定雷达站空间区域交界处的等电位连接点，就不难计算、确定雷达站室内不同空间区域选用SPD的技术参数。
4.2 直击雷防护
4.2.1 建筑物直击雷防护 沿雷达楼屋面边沿每隔12米处预留一根20cm以上的Ф14钢筋供金属护拦接地使用，预留钢筋与结构柱子内主钢筋进行电气连接。结构柱子内用于防雷接地引下线的主钢筋必须全程电气连接，并与基础接地和外围人工接地网进行电气连接，接地电阻≤10欧姆。
4.2.2 雷达天线直击雷防护 根据QX2-2000的要求，雷达天线防直击雷避雷针选用中国气象局防雷专家组推荐的武汉康普防雷设备有限公司生产的多普勒雷达天线专用玻璃钢管避雷针。
在安装雷达天线基座的钢架平台上，距天线罩水平距离3m远处设计四支16米高避雷针对雷达天线进行防直击雷保护。避雷针杆在雷达天线仰角零度下边缘以上部分采用加强型玻璃钢管制作，以下部分采用内径≥148mm的镀锌钢管制作。避雷针引下线采用50mm2的多股铜线，穿玻璃钢管通过支撑钢架与防直击接地网进行可靠电气连接。考虑到支撑钢架本身的可靠电气连接和作为泄流通道的总截面积够大，忽略雷击电流产生的热效应对支撑钢架的安全影响。
4.3 雷击电磁脉冲及雷电感应防护措施
4.3.1 雷达天线及波导管防护 雷达天线连接到机房的所有电缆线穿金属管，金属管和波导管在穿进每一楼层时与该楼层的等电位连接带进行电气连接，金属管首尾应电气连通。雷达天线至机房的电缆线入口处采用金属罩屏蔽并接地。
4.3.2 雷达机房防护 机房四周的墙面、铝合金窗上安装≤100mm×100mm金属网，在雷达机房上下屋面每隔1000mm×1000mm尺寸的网格位置上进行焊接，进出雷达机房的所有缆线应敷设在金属屏蔽槽内，机房内所有金属构件与机房М型接地网之间进行等电位连接。机房М型接地网与结构柱子中作为防雷接地引下线的主钢筋进行四处（四个方向结构柱子中预留机房接地线）可靠电气连接。机房静电地板下设置环型铜条（如下图所示）以便设备保护接地及等电位连接用，静电地板支架可靠连接于所设置的3×30mm环型铜条。雷达主机房和控制室内设备距外墙及梁柱的距离应≥1000mm。
4.4 防雷电波侵入措施
4.4.1 供电系统的防雷电波侵入措施 雷达站低压供电采用TN-S系统。根据雷达站供电的特殊要求，在变压器高压侧安装高压避雷器（由供电部门安装），在高压线进入变压器前端50米将架空线改埋地电缆引入，雷达站采用低压供电时全线采用铠装电缆埋地引入，铠装电缆金属外层引入端与大楼防雷地之间进行等电位连接。
SPD1、SPD2：選用一组（德国品牌）盾牌DEHNvapCSP100组合防雷器，在每条相线和中性线上选用I级分类试验用冲击电流Iimp通过幅值电流不小于40KA的SPD（10/350μs），安装在电源总配电柜控制开关输出端；
SPD3：选用4组（德国品牌）盾牌DEHNguard防雷器，在每条相线和中性线上标称放电电流不小于20KA（8/20μs），安装在雷达楼第五层主机房的设备线路、照明线路、空调线路分配电以及第六层青少年科普基地设备线路的分配电处；
SPD4：选用4组德国DEHNrail230/3N FML防雷器，每条相线和中性线上标称放电电流不小于5KA（8/20μs），安装在计算机等设备前端进行精细保护。
4.4.2 信息传输线路防雷电波侵入措施 雷达数据传输线采用光缆传输,仅对光缆终端的金属部件安装DEHNgap B/n开关型SPD进行保护。进入主机房的电话线应穿金属管屏蔽埋地引入，并在接线盒前端的电话组线箱内安装电话信号SPD。
4.5 等电位连接与接地
雷达主机房和控制室内PE线、直流地、屏蔽地、防静电地和SPD接地均与建筑物主钢筋连接的等电位连接带可靠电气连接。雷达站设计共用接地系统，将雷达楼基础（桩、地梁）内钢筋网连为整体，作为共用接地装置。防直击雷接地和防雷电感应、电气设备、信息系统工作接地等共用同一接地系统。根据《新一代天气雷达站防雷技术规范》的要求：“当雷达站所在地土壤电阻率大于1000Ω.m时，宜在建筑物外埋设环形人工辅助接地网，该环形水平接地体宜在散水坡以外，并在不同方向用四根-40mm×4mm的镀锌扁钢与建筑物的基础钢筋网焊接，此时共用接地系统的接地电阻值可以适当放宽”。由于雷达楼选址位置土壤电阻率过高，拟在距建筑物周围土壤条件较好位置增设人工辅助环形接地网，并与雷达楼基础钢筋网焊接，连接不得少于四处。共用接地系统接地电阻值为≤10Ω。人工接地网的垂直接地极选用低电阻接地模块和热镀锌角钢，水平接地极选用-40×4热镀锌扁钢，并采用高效防腐降阻剂进行降阻。
在雷达机房内四处主内柱钢筋处焊接预留接地引线，并与机房M型接地网进行等电位连接，机房M型接地网采用-40×4接地铜排制作，机房所有设备（雷达发射机、侍服监控接收机、机房传输设备等）及SPD就近位置处加装接地铜排。
4.6 其他附属装置的防护
雷达天线顶部的航空障碍灯使用屏蔽电缆供电，屏蔽电缆两端做等电位连接，供电线路上安装电源SPD进行保护。对雷达站建筑物外部安装的其他金属构件进行等电位连接并可靠接地。
5 讨论
天气雷达的防雷是一个系统工程，直接关系雷达系统的安全运行。本文仅从技术规范的角度提出了上饶新一代天气雷达的防雷方案，在实施过程中要十分注意防雷工程的施工质量及防雷器件的质量等因素，同时考虑到雷达站的地形、地质情况，要保证接地地网接地阻值稳定地达到要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000版).
[2] 国际电工委员会《雷电电磁脉冲的防护》IEC-61312.
[3] 中华人民共和国气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX2-2000.
[4] 中华人民共和国气象行业标准《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX 3-2000.
关键词：天气雷达；防雷；设计方案
中图分类号：S16 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-09-0160-2
0 概述
上饶市新一代天气雷达站用地位于上饶市气象局院内文笔峰上，北面距离500米左右为上饶市最大的河流——信江，相对地势较高。此地段为雷击多发地区，由于雷达站引入雷害的途径很多，所以遭受雷击的概率很大。为确保雷达站建筑物、站区人员，以及站内系统设备在雷雨季节时的安全和正常工作，应严格按照国家有关防雷标准规范就雷达站的防雷与接地进行统筹设计，做到安全可靠、技术先进、经济合理。
1 雷达站地处雷击环境
上饶新一代多普勒天气雷达站拟建在地面气象观测场东北侧，距离为80m左右，建站位置海拔高度为118米，雷达天线海拔高度161米。该区域植被繁茂，地质状况为：表层为0.3-1.35m厚的杂填土，主要由风化的凝灰岩、硅质砂砾石和粉质粘土组成；第二层为强风化凝灰岩，厚度为3-4m；往下依次为中等风化凝灰岩和微风化凝灰岩。雷达站处亚热带季风气候区，降水较丰沛，雷电活动频繁，年平均雷暴日为65天，最多的年份可达82天，属多雷击地区。
按照建筑物预计雷击次数公式：
因此，0.26次/年的高雷击概率使雷达站防雷显得非常严峻。
2 雷达站防雷等级与区域的划分
由中华人民共和国气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX 2-2000中防雷等级划分表：
雷达站防雷等级划分表
对应站址所在地年雷暴日数极值82天/年,属一等雷电防护雷达站。
国标GB 50057-94（2000年版）引出了雷电防护空间区域（LPZn）的概念，以区分不同空间雷击电磁脉冲强度不一，则相应防护措施有别。上饶新一代天气雷达站，为二类防雷建筑物。由区域定义：建筑外部防雷设施滚球法保护范围以外区为LPZ0A，该区为直接雷击肆意直击沿江树木和突出地面的物体区域；雷达站建筑外部防雷设施滚球法保护范围以内的建筑天面、雷达天线空间区域为LPZ0B，该区为雷达天线、建筑顶向天的一面处在外部防雷设施的保护范围，大于滚球半径所对应10.5kA幅值的雷电流不能击入，但小于10.5kA幅值的雷电流可能穿入击向雷达天线、建筑顶向天的一面，而对雷击感生的电磁脉冲毫无屏蔽阻挡效用；雷达站建筑室内（建筑法拉第笼第一屏蔽层）为LPZ1，该区为不可能遭受直接雷击空间区域，对雷击感生的电磁脉冲已受到法拉第笼的屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减一部分；雷达主机房（专用钢筋网屏蔽层）为LPZ2，该空间区域更不可能遭受直接雷击，对雷击感生的电磁脉冲已经受到法拉第笼与专用钢筋网的两层屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减许多。
由上述雷电防护等级和防雷空间区域的概念，我们即可确定雷达站防雷不同空间区域相应的防护方法，不同空间区域各交界处的等电位连接措施；可以选定雷达站室内不同空间区域电涌防护器（SPD）的技术参数。
3 设计依据
中华人民共和国标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）。
国际电工委员会《雷电电磁脉冲的防护》IEC-61312。
中华人民共和国标准《电子计算机机房设计规范》GB50174-93。
中华人民共和国标准《低壓配电设计规范》GB50054-95。
中华人民共和国气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX2-2000。
中华人民共和国气象行业标准《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX 3-2000。
中国气象局重点工程项目办公室《新一代天气雷达站防雷设计指南》的通知。
4 技术方案
4.1 设计原则
根据现代防雷原理，雷达站应进行系统防雷，由外部防雷和内部防雷组成。外部防雷主要是指雷达站建（构）筑的直击雷防护：内部防雷主要是指雷击电磁脉冲的防护，通过屏蔽（含法拉第笼）、综合布线、等电位连接、电涌保护和共用接地等技术，保证雷达站建筑物内人员及设备的安全。按照《建筑物防雷设计规范》GB50057—94（2000版），将需要保护的雷达站塔楼划分为不同的防雷区：外部防雷设施保护范围以外的为LPZ0A，该区为直接雷击及其感生的雷击电磁脉冲肆意直击的空间区域；在将设置的雷达站建筑外部防雷设施滚球法保护范围以内的建筑天面、雷达天线空间区域为LPZ0B，该区为雷达天线、建筑顶向天的一面处在外部防雷设施的保护范围，大于滚球半径所对应10.5kA幅值的雷电流不能击入，但小于10.5kA幅值的雷电流可能穿入击向雷达天线、建筑顶向天的一面及侧面，而对雷击感生的电磁脉冲毫无屏蔽阻挡作用；雷达站建筑室内（建筑法拉第笼第一屏蔽层）为LPZl，该区为不可能遭受直接雷击空间区域，对雷击感生的电磁脉冲已受到法拉第笼的屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减一部分；雷达主机房（专用铁网屏蔽层）为LPZ2，该空间区域更不可能遭受直接雷击，对雷击感生的电磁脉冲已经受到法拉第笼与专用铁网的两层屏蔽阻挡，电磁脉冲强度已被衰减许多。
由上述雷电防护空间区域的概念，就不难确定雷达站空间区域交界处的等电位连接点，就不难计算、确定雷达站室内不同空间区域选用SPD的技术参数。
4.2 直击雷防护
4.2.1 建筑物直击雷防护 沿雷达楼屋面边沿每隔12米处预留一根20cm以上的Ф14钢筋供金属护拦接地使用，预留钢筋与结构柱子内主钢筋进行电气连接。结构柱子内用于防雷接地引下线的主钢筋必须全程电气连接，并与基础接地和外围人工接地网进行电气连接，接地电阻≤10欧姆。
4.2.2 雷达天线直击雷防护 根据QX2-2000的要求，雷达天线防直击雷避雷针选用中国气象局防雷专家组推荐的武汉康普防雷设备有限公司生产的多普勒雷达天线专用玻璃钢管避雷针。
在安装雷达天线基座的钢架平台上，距天线罩水平距离3m远处设计四支16米高避雷针对雷达天线进行防直击雷保护。避雷针杆在雷达天线仰角零度下边缘以上部分采用加强型玻璃钢管制作，以下部分采用内径≥148mm的镀锌钢管制作。避雷针引下线采用50mm2的多股铜线，穿玻璃钢管通过支撑钢架与防直击接地网进行可靠电气连接。考虑到支撑钢架本身的可靠电气连接和作为泄流通道的总截面积够大，忽略雷击电流产生的热效应对支撑钢架的安全影响。
4.3 雷击电磁脉冲及雷电感应防护措施
4.3.1 雷达天线及波导管防护 雷达天线连接到机房的所有电缆线穿金属管，金属管和波导管在穿进每一楼层时与该楼层的等电位连接带进行电气连接，金属管首尾应电气连通。雷达天线至机房的电缆线入口处采用金属罩屏蔽并接地。
4.3.2 雷达机房防护 机房四周的墙面、铝合金窗上安装≤100mm×100mm金属网，在雷达机房上下屋面每隔1000mm×1000mm尺寸的网格位置上进行焊接，进出雷达机房的所有缆线应敷设在金属屏蔽槽内，机房内所有金属构件与机房М型接地网之间进行等电位连接。机房М型接地网与结构柱子中作为防雷接地引下线的主钢筋进行四处（四个方向结构柱子中预留机房接地线）可靠电气连接。机房静电地板下设置环型铜条（如下图所示）以便设备保护接地及等电位连接用，静电地板支架可靠连接于所设置的3×30mm环型铜条。雷达主机房和控制室内设备距外墙及梁柱的距离应≥1000mm。
4.4 防雷电波侵入措施
4.4.1 供电系统的防雷电波侵入措施 雷达站低压供电采用TN-S系统。根据雷达站供电的特殊要求，在变压器高压侧安装高压避雷器（由供电部门安装），在高压线进入变压器前端50米将架空线改埋地电缆引入，雷达站采用低压供电时全线采用铠装电缆埋地引入，铠装电缆金属外层引入端与大楼防雷地之间进行等电位连接。
SPD1、SPD2：選用一组（德国品牌）盾牌DEHNvapCSP100组合防雷器，在每条相线和中性线上选用I级分类试验用冲击电流Iimp通过幅值电流不小于40KA的SPD（10/350μs），安装在电源总配电柜控制开关输出端；
SPD3：选用4组（德国品牌）盾牌DEHNguard防雷器，在每条相线和中性线上标称放电电流不小于20KA（8/20μs），安装在雷达楼第五层主机房的设备线路、照明线路、空调线路分配电以及第六层青少年科普基地设备线路的分配电处；
SPD4：选用4组德国DEHNrail230/3N FML防雷器，每条相线和中性线上标称放电电流不小于5KA（8/20μs），安装在计算机等设备前端进行精细保护。
4.4.2 信息传输线路防雷电波侵入措施 雷达数据传输线采用光缆传输,仅对光缆终端的金属部件安装DEHNgap B/n开关型SPD进行保护。进入主机房的电话线应穿金属管屏蔽埋地引入，并在接线盒前端的电话组线箱内安装电话信号SPD。
4.5 等电位连接与接地
雷达主机房和控制室内PE线、直流地、屏蔽地、防静电地和SPD接地均与建筑物主钢筋连接的等电位连接带可靠电气连接。雷达站设计共用接地系统，将雷达楼基础（桩、地梁）内钢筋网连为整体，作为共用接地装置。防直击雷接地和防雷电感应、电气设备、信息系统工作接地等共用同一接地系统。根据《新一代天气雷达站防雷技术规范》的要求：“当雷达站所在地土壤电阻率大于1000Ω.m时，宜在建筑物外埋设环形人工辅助接地网，该环形水平接地体宜在散水坡以外，并在不同方向用四根-40mm×4mm的镀锌扁钢与建筑物的基础钢筋网焊接，此时共用接地系统的接地电阻值可以适当放宽”。由于雷达楼选址位置土壤电阻率过高，拟在距建筑物周围土壤条件较好位置增设人工辅助环形接地网，并与雷达楼基础钢筋网焊接，连接不得少于四处。共用接地系统接地电阻值为≤10Ω。人工接地网的垂直接地极选用低电阻接地模块和热镀锌角钢，水平接地极选用-40×4热镀锌扁钢，并采用高效防腐降阻剂进行降阻。
在雷达机房内四处主内柱钢筋处焊接预留接地引线，并与机房M型接地网进行等电位连接，机房M型接地网采用-40×4接地铜排制作，机房所有设备（雷达发射机、侍服监控接收机、机房传输设备等）及SPD就近位置处加装接地铜排。
4.6 其他附属装置的防护
雷达天线顶部的航空障碍灯使用屏蔽电缆供电，屏蔽电缆两端做等电位连接，供电线路上安装电源SPD进行保护。对雷达站建筑物外部安装的其他金属构件进行等电位连接并可靠接地。
5 讨论
天气雷达的防雷是一个系统工程，直接关系雷达系统的安全运行。本文仅从技术规范的角度提出了上饶新一代天气雷达的防雷方案，在实施过程中要十分注意防雷工程的施工质量及防雷器件的质量等因素，同时考虑到雷达站的地形、地质情况，要保证接地地网接地阻值稳定地达到要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000版).
[2] 国际电工委员会《雷电电磁脉冲的防护》IEC-61312.
[3] 中华人民共和国气象行业标准《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX2-2000.
[4] 中华人民共和国气象行业标准《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX 3-2000.