浅谈新一代天气雷达站雷电防护案例分析

     滨州新一代天气雷达是中国气象局继上海、合肥之后新建设的第三部多普勒雷达，近几年内将在全国陆续增设90多部同类型雷达，从而形成国内雷达监测网，对提高我国天气预报的准确性，特别对防灾、减灾工作将做出巨大的贡献。可是由于这种上千万元的精密设备必须架设于地形或建筑物高处。遭受雷击的事故频频发生，造成无法估量的直接和间接损失，而且由于雷达部件多从国外进口、成本大、修复周期长。如上海多普勒雷达曾于98年4月遭雷击，停止运行达28天之多。 国内外大量实践表明：雷达大部份故障是由于雷击造成。鉴于以上原因，本文参照QX2—2000规范，根据接闪、屏蔽、均压、分流、接地与布线的原则，对雷达业务楼进行整体的防雷设计与改造。


    滨州地处黄河三角洲腹地：地下水位高、土质属沙壤土，土壤电阻率在 10Ω·m以下，年平均雷暴日数为29.1天，年雷暴日数极值302。

    雷达站建筑物结构防雷设计、施工

    业务楼基础为复合基础，即最下层为210根8米长的钢筋混凝土桩， 上面为一个1.5米高，36米长，27米宽的钢筋混凝土基础，整个基础未作防腐处理，大部常年在地下水深度之下，整个钢筋网结的密度、直径、面积均大大超过一般专用地网设计，连接除搭接绑扎外，增设了12处焊接连接处理，构成了一个十分理想的接地装置，经测试，接地电阻为0.2 Ω.

    雷达业务楼整个钢筋骨架均按防雷引下线要求连接， 全楼有12?处自下而上的焊接处，各楼层与其为焊接连接，其他地方为搭接绑扎，用料的直径也完全符合多根引下线组成的闭合环或网状引下线要求。由于雷达业务楼属二类防雷建筑物，在滚球半径45米以上部位均设置均压环，金属门窗、金属楼梯、平台栏杆等均与均压环或主体钢筋相连，九楼、十楼、楼顶安装的天线杆，雷达天线平台四周的栏杆均按接闪器要求选型， 平台栏杆为14毫米圆钢，天线杆为直径73毫米，壁厚7毫米的钢管。九楼、十楼及塔楼平台等处均设避雷带。

    雷达天线的防护

    根据QX 2—2000的要求,在安装雷达天线基座的平台上， 应安装不少于二支的避雷针或避雷线保护天线罩，且针与罩边缘远离3米，为减少避雷针或线的金属支撑杆对雷达工作的遮蔽影响， 支撑杆应在雷达天线仰角零度下边缘以上使用一段高强度玻璃钢管替代金属杆，其内使用截面积不小于50m2多股铜线实现接闪器与金属支撑杆的电气连接，针长不应大于1米。

    另据广东省防雷中心杨少杰同志撰文介绍，最好采用远离天线罩3米的三支等高 （水平方向等边三角形）避雷针保护天线罩，通过滚球法计算三支针高各为15.15米即可， 三支针顶最好用导线连接成避雷带，这样结构上更牢固，同时由于分流作用使天线核心部分磁感应强度下降，既节省材料又能对来自任何方向的雷击进行拦截。

    这样，在雷达站建筑结构设计时，必须充分考虑天线平台的面积，同时须在平台上预留出安装三支针及天线基座的预留件。防雷引下线应利用雷达建筑物主体钢筋，在天线平台的女儿墙上预留出四组以上长于15厘米的钢筋头。

    滨州雷达由于安装较早，在设计过程中天线平台面积过小，不能实现针、罩相距三米的要求，同时厂家要求避雷针设于天线罩顶部，再加上美国的雷达天线罩防雷也如此设置。故采用一根主针置于罩顶，选用法国卫星（十），高2.8米，重30千克。现在看来，不符合QX2—2000的规范要求，希望以后的设计人员能吸取?教训。
   
    注意：天线避雷针设计时须考虑本地风力及针的抗风能力。

    雷达天线电缆与波导管的防护

    雷达天线接到10楼雷达主机房及8楼控制室的线缆， 应穿金属管或敷设在金属屏蔽槽内和波导管一起进行层层等电位联结，连接点不少2处，这样建筑物设计时须达到两个要求：

    ⑴在雷达天线平台到雷达主机房和控制之间要在适中位置预留穿管用的孔洞（最好备有垂直线缆井）

    ⑵在线缆和波导管所通过的楼层平面上，至少预留出2根40×4mm、露出楼层平面长度约为20厘米的镀锌扁钢作为等电位连接端子。滨州在最初设计时没有考虑层层等电位预留，只是在线缆外又增加一层金属编织网进行屏蔽，现在若再穿金属管（槽），重新处理等电位联结问题，难度可想而知。

    雷达机房的防护

    由于雷达主机房内有发射机，接收机等设备，电磁辐射对人身，设备所造成的危害相当严重，所以根据电磁环境安全的需要已进行了小于15mm×15mm的金属网屏蔽，同时根据防雷击电磁脉冲的要求，控制室也进行了屏蔽措施，这一点在建筑物设计时已考虑到，金属屏蔽网敷于内墙，而且门为金属板门。铝合金窗加上了网孔小于200mm×200mm的金属网（与屏蔽网尺寸相同），并与屏蔽网及建筑物主筋电气连接。根据QX??2—2000要求，雷达机房、控制室的外墙钢筋应加密，要求钢筋网孔小于200mm×200mm。

    为防止雷击电磁脉冲的危害，机房不应置于建筑物顶三层，特别不能置于顶层，同时机房设备距墙应大于1米，以防止雷电流沿外墙结构立柱内钢筋引下时产生电磁脉冲对雷达设备的干扰。 滨州雷达楼引下线为12根，设10KA雷电流分流于12根引下线，未加屏蔽网时，根据信息设备最大承受的磁场强度2.4GS计算：

    B=μ0H H=I/（2πSa） I=10KA/12
    Sa=I/（2πH）=Iμo/（2πB）=(10000/12)×4π×10-7÷（2π×2.4×10-4）≈0.7米（即设备距离墙0.7米即可）

    进入机房的线缆敷设于金属槽内，并进行了层层等电位连接，线槽不宜置放于外引下结构柱附近，应敷设于建筑物中部，且电源线与信号线宜平行敷设，以免回路过大，造成设备受感应雷击，同时须远离一定距离。以防干扰。具体实施时可参阅综合布线相关规范。
    供电系统的防护

    滨州雷达业务楼采用三相四线制供电，变压器房之前高压部分已由电力部门进行了防雷处理，进入雷达业务楼时采用含金属外皮的低压电缆埋地引入，埋地深度为0.9米，长度30米， 入楼后大楼配电盘及各层配电箱均进行了接地处理。

    滨州雷达站属二等雷电防护雷达站， 原设计为总配电柜上（即变电室）安装40KA（8/20μs）的SPD，雷达楼配电盘上安装20KA（8/20μs）SPD，雷达主机房和控制室的分配电盘上安装10KA（8/20μs）SPD。根据QX??2—2000，现在总配电柜上已改用10/350μs波形的20KA的SPD，显然，以前设计的8/20μs波形40KA的SPD已远远达不到电源系统的防雷需求，同时电源SPD均安装于总配电柜、配电盘、分配电盘上，SPD的引线长度均小于0.5米，地线与配电柜的PE板相接。

    等电位连接与接地

    除以上所述等电位连接部分以外，进入本大楼的电缆金属外皮，暖气管、自来水管等金属构件均在进入大楼前与主钢筋进行了电气连接，暖气管在空中架设中还经钢管架与地面进行了接地处理、楼内母线槽、信号线、电线暗管均进行了等电位接地处理。玻璃幕墙金属支架也与大楼主筋焊接在一起，雷达主机房及控制室内PE线、直流地、屏蔽地、静电地及SPD接地均与大楼主筋进行了等电位连接，其中静电地板的金属支撑之间也进行了电气连接处理，然后与建筑物主筋进行了多点连接，从而实现了共用接地。
   
    其他附属装置的防护

    雷达天线顶部的航空障碍灯的电源线穿金属管进行了屏蔽，并于屏蔽两端做了等电位处理。同时在电源线进入室内的开关处安装了SPD。

雷达站主机房与控制室内为防止火灾事故采取了消防监控措施，室内均安装了防火传感器。为了防止雷击电磁脉冲造成消防监控系统故障，在一楼消防控制室的电源线及信号控制线上均安装了相应的SPD。

    几点建议

    在滨州雷达站防雷过程初期发现，进入各楼层后PE线过细（2.5mm2）过长，目前电子设备大部分直流地与安全保护地（机壳）已在机内相连，通过PE线接至大地，但是在信号频率过高和在雷击情况下，其阻抗Z相当大，同时由于雷电流频谱很宽，极易产生自谐振，使阻抗无穷大，相当于一根天线，能接收或发射干扰信号。安装电源及信号SPD时， 其接地线要求短而直，且小于0.5米，否则会由于导线的感应电压L（di/dt）过大， 造成被保护设备耐压击穿。所以在实践中应考虑雷击时PE线接地不可靠，最好采用等电位连接措施使机壳（架）与地短接， SPD地线可直接接在机壳上。

    其次，PE线有两种设置法，一种是在建筑物配电盘处N线重复接地后，从N线上引出PE线。另一种PE线不从N线上引出，直接利用建筑物结构主钢筋或单独设置PE线，工程中可根据具体情况分别采用。

    另外，静电地板金属支架应充分利用，支架间最好进行电气连接，然后与主钢筋多点相连，形成等电位体，机房内所有的地线均应以最短距离与之相连。

    河北合众邦防雷工程有限公司成立于2010年10月，注册资金1080万元整，公司技术实力雄厚，拥有三名高级工程师，10名中级工程师，若干辅助技术人员，均是熟知国内外有关的防雷规范和技术标准、各行各业雷电防护技术要求和保护措施、各种防雷器材（件）的技术性能和应用范围的专业人才，并能够及时准确的按照国家有关行业的防雷规范和技术标准设计并完成一、二、三类防雷建筑物的直击雷防护、感应雷防护及其他的综合防雷工程项目的要求。工程施工人员均有电工证、焊工证等专业技术从业资格证，具有较高的专业素质和施工经验。

    公司成立以来，一直专业从事防雷工程的设计与施工。熟悉各行各业雷电防护的技术要求和技术措施；熟悉各种防雷器材（件）的技术能和应用范围；熟悉国内外有关的防雷技术规范和技术标准，按照有关防雷规范和技术标准对二、三类防雷建筑物进行综合防雷设计和施工。包括以下领域：矿山矿业，港口，高速公路，石油化工等易燃易爆物品生产或者贮存场，电力生产设施和输配电系统，通信设施、广播电视系统、计算机信息系统，安防系统，教育系统及银行系统等各行业系统的综合防雷工程。