贡山县X波段雷达站防雷工程设计

刘 颖 张 俊 李何全

（1.怒江州气象局，云南 怒江 673199；2.泸水市气象局，云南 怒江 673199）

0 引言

天气雷达站的防雷减灾不仅与雷达站本身的安全有关，还与是否能够精确地向外界提供突发性气象灾害信息有关，还与政府部门抗灾救援决策是否能够快速传达有关，与人们的生命和财产安全有关[1]。因此，必须全面做好雷达站的雷电防护。该文根据国家相关防雷规范以及雷达站周边环境，结合其环境恶劣和土壤电阻率高的特点，对贡山县X 波段雷达站的防雷工程设计方案进行探讨。

1 气候、地理、土质等自然环境

1.1 气候状况

贡山气候属于亚热带季风气候，由于地处峡谷，海拔高差悬殊，且受印度洋季风、太平洋季风影响，加上青藏高原北部南下冷空气和复杂的地理地形因素，气候垂直变化明显，因此形成亚热带、暖温带、寒带和寒温带等气候带。贡山县立体气候和小区域气候特征明显，年平均气温16 ℃，年降雨量在2700 mm~4700 mm，年雷暴日25 天。

1.2 地形及地貌概况

贡山县X 波段雷达站位于高黎贡山国家级自然保护区核心区独龙江隧道口上方，地形起伏大，地势崎岖。雷达塔楼建设在其中一座山头，周围环境比较开阔，海拔高度4054 m，自然环境恶劣。

1.3 地质及土壤概况

根据实地勘察，雷达站所在山头多石少土，整个山体结构以岩石为主，表层主要为坚硬土，土壤含水量较低。分别在雷达站地基处、地基东8 m、地基西8 m、地基南8 m、地基北8 m 进行测量，测量结果见表1。贡山县X 波段雷达站所在地的土壤电阻率高且分布不均匀，平均值为1437 Ω·m，属于高土壤电阻率地区。

表1 贡山县X 波段雷达站测试点土壤电阻率测量值

2 雷达站防雷等级确定

2.1 雷达站防雷等级划分

根据《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX/T2—2016（附录A）的规定，对贡山县X 波段雷达站防雷等级进行确认。

雷达站所在地雷击大地年平均密度修正值如下。

式中：贡山Td=25（d/a），k=2（雷达站位于孤立旷野）。

《新一代天气雷达站防雷技术规范》规定，应按照《建筑物防雷设计规范》第二类防雷建筑物的要求对雷达站进行外部雷电防护装置的设计，并根据表A.1，确定贡山县X 波段雷达站防雷等级划分为二等。

2.2 雷达站信息系统防雷等级划分

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343—2010（附录A）给出的雷击风险评估方法对贡山县X 波段雷达站信息系统进行评估。

2.2.1 年预计雷击次数N1因为雷达楼高度小于100 m，所以：

式中：L、W、H分别为塔楼顶部建筑物的长7.55 m、宽7.5 m、高11.5 m。

则Ae=0.0083km2；N1=k·Ng·Ae≈0.0415（次/a）。

2.2.2 入户设施年预计雷击次数N1

雷达站的信号线和低压电源均以埋地方式进入雷达站。线路从建筑物至网络的第一个分支点或相邻建筑物的长度L未知，ds等于土壤电阻率值，最大取500。则L=1000m，ds=500m。

则N2=Ng·A`

e=（0.1×Td）×（A`e1+A`

e2）=7.98+2=9.98（次/年）

2.2.3 建筑物及入户设施年预计雷击次数

2.2.4 可接受的最大年平均雷击次数Nc

式中：C1=1.0（钢筋混凝土材料）、C2=2.5（B 类电子信息系统）、C3=3.0（集成化程度很高的计算机、通信或控制设备等）、C4=1.0（LPZ1）、C5=1.0（信息系统原则上不允许中断，但中断后无严重后果）、C6=0.8（年平均雷暴日25 天，属少雷区）。

2.2.5 雷达系统雷击电磁脉冲防护分级E

E=0.99>0.98，所以贡山县X 波段雷达站的电子信息系统雷电防护等级为A 级，低压系统应安装4 级SPD。

3 雷达站防雷设计方案

贡山县X 波段雷达站的防雷措施分为外部防雷和内部防雷2 个部分，一套完善的雷电防护设施，应采取接闪、分流、屏蔽以及接地等技术措施。在防雷设计过程中，既要考虑雷电防护装置的保护需求，又要考虑降低经济成本，避免因采取过度的防护措施而导致经济费用增加。

3.1 接闪器设计

雷达塔楼为2 层的框架结构，高度为7 m，天面架设一个高4.5m 的天线罩，平台边缘距雷达天线罩最远距离为3.07m。根据《新一代天气雷达站防雷技术规范》QX/T2—2016 规定在雷达天线平台安装时接闪杆不少于3 支以及接闪杆与天线罩边缘的水平距离不宜小于3m。考虑防反击距离和经济效益，在雷达天线平台距天线罩外缘3m 处安装四支等高避雷针。为增加安全系数，被保护高度应在雷达天线罩上方1 m 处，这样须保护高度hx=5.5m。按滚球法（滚球半径45m）计算如下。

如图1 所示，在正方形ABCD的4 个顶点处分别安装四支等高避雷针。这样不仅AB、BC、CD、DA4 个边长组成了等高双支避雷针结构，而且对角线AC、DB也组成了等高双支避雷针结构。当四支等高接闪杆支撑起的球体（半径45m）底部高于须保护高度hx时，雷达天线罩就可以得到保护。所以应由正方形ABCD的对角线AC、DB的2 组等高双支避雷针结构对雷达天线罩的保护来计算避雷针的高度[2]。

按图2 所示计算：MH=5.5+45=50.5m

图2 四支等高避雷针以正方形布置的针长计算图

避雷针的长度：

此外，在塔楼屋顶四周敷设Φ16mm 热镀锌圆钢作为接闪带，每隔1m 间距做1 只支撑卡子，接闪带高出女儿墙0.15m，顶层用Φ16mm 的圆钢做成不大于10m×10m 的避雷网格（屏蔽网）。

3.2 引下线设计

雷达站塔楼引下线利用四周构造柱内2 根以上主钢筋自下而上电焊连通，上部与塔楼屋面水平圈梁主钢筋及避雷带焊接连通，下部与基础圈梁主钢筋电焊连接。为了充分利用柱内钢筋，使其具有更低的高频阻抗和电阻，塔楼柱内钢筋作为引下线的主钢筋通长焊接之外，另外的钢筋采用绑扎方法，并将箍筋与每根钢筋焊接，或每层加1 个短路环。

3.3 均压环设计

雷达站塔楼每层都设均压环。以建筑物圈梁内至少2 条钢筋全长闭合焊接连通作为均压环，并就近与引下线做可靠焊接。在每层塔楼外墙上的所有孔洞预留2 个接地端子，以便窗框就近与均压环做可靠连接。

3.4 接地网设计

雷达站所在地测量的土壤电阻率高且分布不均匀，土壤电阻率为1000 Ω·m~1600 Ω·m ，属于高土壤电阻率地区。为防止雷击时地电位反击，采用基础钢筋网与人工辅助接地网连接的共用接地系统。根据相关规定，在高土壤电阻率地区，接地电阻值不大于4Ω。因贡山县X 波段雷达站所处位置自然环境恶劣，施工难度大，该文选取了较容易实施和经济的方法。

3.4.1 降阻措施

如图3 所示，充分利用雷达站塔楼的基础钢筋网作为自然接地体，在雷达塔楼外围做一圈人工水平接地带，每间隔6m打1 根∠50×50×5×1500mm 热镀锌角钢做为垂直接地极，采用60×6mm 的扁钢做为水平接地极，将降阻剂敷于接地沟槽内的垂直接地极及水平接地极周围，水平接地极和垂直接地极采用焊接的方式，水平、垂直接地体顶部的埋设深度距离地面不小于0.5m；在雷达站基础地网4 个方向采用4 根60×6mm 镀锌扁钢与人工补充接地网焊接连通，在扁钢间隔2m 以上位置安装接地模块。

图3 接地网布置示意图

3.4.2 接地电阻计算

接地电阻计算如下[3]。

3.4.2.1 单根垂直接地体接地电阻

式中：ρ为土壤电阻率，Ω·m；Lc为单根垂直接地体长度，m；Dc为灌降阻剂后等效垂直接地体直径，取0.2 m；K为降阻系数，取K=20。

3.4.2.2 几根并联的相同垂直接地体的工频接地电阻

式中：nc为垂直接地体的数量；ηc为垂直接地体的利用系数。

3.4.2.3 水平接地体接地电阻

式中：Lp为水平接地体总长度，m；K为降阻系数，取K=100；Dp为灌降阻剂后的等效水平接地体横截面直径，取0.2 m；A为水平接地体形状系数，由于整个地网形状不规则且边缘闭合，因此A取1.69。

3.4.2.4 垂直、水平综合接地体的工频接地电阻

式中：ηp为水平接地体的利用系数。

3.4.2.5 降阻剂用量

根据设计接地体长和直径的几何尺寸计算降阻剂用量，如公式（6）所示。

式中：W为降阻剂用量，t；L为接地体长度，m；D为接地体等效直径，m；d为降阻剂当量密度，取1.35 t/m3。ρ土壤电阻率（取平均值为1437Ω·m），查《工业企业通信接地设计规范》GBJ 79—85（附录二）得ηc=0.70、ηp=0.68，Lc=1.5m，nc=20，Lp=280m 代入公式，得Rx=3.86Ω，W=13t。

3.5 机房屏蔽和等电位连接设计

雷击时，即使雷电经避雷针分流，电磁场也几乎不会衰减，设备很容易遭受损害，危险性高，另外机房内的雷达发射、接收等设备所产生的电磁辐射对工作人员的危害也很大。所以采取屏蔽措施是很有必要的，可以保障雷达设备和人员的安全。

为减弱磁场强度，在雷达机房的顶部、地面、外墙用Φ8mm 钢筋铺设尺寸不大于200mm×200mm 的钢筋网，充分利用雷达塔楼内的钢筋结构，使其构成1 个六面体的网笼。同时在外墙窗户位置加装不大于200mm×200mm 的金属网格并可靠接地；机房的金属板门、隔断与雷达站的主钢筋也做可靠接地连接；为防止雷电流沿外墙柱内的钢筋分流时对机房内的设备造成磁场干扰，尽量靠近机房中心位置安装设备，机房内设备离外墙的安全距离≥1m；机房内的通信电缆和电力电缆采用屏蔽电缆；机房地面上铺设防静电地板，进入机房的线缆敷设于金属屏蔽槽（管）内；防静电地板支架及所有金属构件、机柜等用6mm2铜线就近做等电位连接，以减少雷电流在雷达塔楼内部产生的雷电反击、电磁脉冲效应等破坏作用。

3.6 供电系统的防护设计

贡山县X 波段雷达站低压供电采用TN-S 系统，当铠装电缆金属外皮、金属管道等接入雷达楼时应与预留的等电位汇集排做等电位连接接地处理。在总配电柜、分配电柜和雷达机房内或其他重要设备配电箱（柜）内安装四级电涌保护器。在雷达站的总配箱内安装通流量不小于40 kA（10/350μs）的SPD 作为第一级保护。在雷达楼分配电柜内分别安装通流量不小于20 kA（10/350μs）的SPD 做电源线的第二、三级保护。在雷达机房终端设备、雷达专用设备等电源控制柜内安装通流量不小于5 kA（8/20μs）的SPD 做第四级保护。

4 结语

防雷工程是一个综合系统工程，雷达站的防雷设计直接关系到雷达系统的稳定性、数据准确性。该文主要根据国家有关防雷规范，结合其环境恶劣和土壤电阻率高的特点，确定了贡山县X 波段雷达站的防雷类别、电子信息系统防护等级以及设计了雷电防护装置经济方案。在满足设计意图的前提下提高施工质量，提高雷电保护工作的成效，保障雷达站安全运行，进一步为防灾减灾、经济社会发展提供优质的气象服务。