多普勒天气雷达雷电静电防护的技术路线

1、多普勒天气雷达雷电静电防护的技术路线 Technical Way of Lightning and Static Electricity Protection for Doppler Radar LI Ya nan 1,CHEN Shangde1,2,ZHANG Shengcai2,LI Weihong2,LI Weilin2 (1.Institute of Arid Meteorology,C M A,Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province, Key Open Laborat

2、ory of Climatic Change and Disaster Reduction of CMA,Lanzhou,730020,China; 2.Lightning Protect Center of Gansu,Lanzhou,730020,China ) :In order to solve the Doppler radar suffered against lightning and other over-voltage at work,on the basis of analyzing operational and control system s low voltage

3、characteristics,the technology of lightning and static elecericity protection of radar station are proposed,and the real construct method for avoiding direct thunder hit and protecting equipment being hit and shielding working chamber.Some design methods are implemented in practice and have protecti

4、ve effect. 0 引 言 多普勒天气雷达又称新一代天气雷达 , 是我国气象部门最近 几年大量布设组网的一种新型天气探测设备。 多普勒雷达的最大 特点是可以探测目标物的径向运动速度 , 所以可以比较准确地辨 认很多灾害性天气现象 , 它的布点连网使用为大气探测研究提供 了前所未有的机会。 但由于雷达一般处在高山和开阔地带以及现 代信息设施低电压化的特点 , 新一代天气雷达极易遭受雷电和静 电的损坏 1, 这就使得防雷和防静电成了新一代天气雷达建设 中的突出问题。为此 , 国内外防雷界人士投入了大量的人力和财 力, 用以研究和实验这些新型雷达的雷电和静电防护。 利用工作的便利条件 , 在新

5、一代天气雷达建设的实际工作中 对这一关键的问题做了实验和探讨 , 实践证明在新一代天气雷达 建设中采用的技术路线是有效的。 1 直击雷防护的技术路线 1.1 接闪 接闪是防雷的第一道防线 ,常规的做法是架设避雷针 , 通过 高耸的金属铁塔将强大雷电流拦截引入地下。 但新一代天气雷达 的特点是工作频率较高 , 周围较大的金属器件极易对雷达信号造 成衰减。金属避雷塔在拦截雷电的同时 , 往往将雷达的探测信号 也进行了不同程度的衰减 , 情况严重时往往会严重影响系统正常 运行2 。为了避免这一现象 , 人们现阶段一般都用两种办法来解 决这一矛盾 :一是将避雷针远离雷达天线 , 这样以来 ,避雷针的防

6、 护效果就会降低 , 为了不降低防护效果 , 只好再增加避雷针的数 量, 这显然是以牺牲避雷针防护效果和增加成本为代价来减少避 雷针对雷达信号衰减的 ; 二是在雷达的防风罩顶部架设一小型避 雷针,由于这种避雷针的引下线只能借用防风罩的壁体 , 距离雷 达天线很近 , 容易造成雷电流对雷达天线的反击 , 使雷达的工作 环境遭到破坏 3 。 为了解决以上矛盾 ,需要在避雷针的材料上寻找突破口 , 对 直击雷接闪器采用了特殊材料制作 , 由缠绕型玻璃纤维增强环氧 树脂管制作主管体 , 管体根据不同高度设计为上细下粗的塔型 , 下端管体壁厚达到15 cm,树脂管内设一根截面50 mm2的多股铜 线实现

7、对雷电流的引下入地。 一般每个雷达站设立三到四支避雷 针, 以环抱的形式实现对雷达天线的直击雷防护。避雷针抗风强 度设计为 40 m/s 。 避雷针布设的另一个重要参数是防反击距离 4 。按空气的 击穿电场强度大于3X 104 V/cm的理论值测算5,雷电防护的防 反击的要求并不是很高，只要大于0.1 m就可以对300 kV雷电压 进行防护 , 但考虑到雷击发生时空气湿度、气压和温度等一系列 气象因素对击穿电场强度的影响 6 和常规做法 , 新一代天气雷 达防雷电反击的距离按不小于3m设计。由于环氧树脂管本身具 有绝缘效果 , 这一防反击距离是完全可以达到雷达防护要求的。 另外,和一座金属铁塔

8、相比 , 缠绕型玻璃纤维增强环氧树脂管避 雷针在经济上也是完全可以接受的。 为了有效防护雷达所在建筑物遭受雷击 , 雷达塔楼按优于国 际标准规范规定的二级防雷设施的要求设计 3 。如果雷达站建 立在高山顶 , 雷达塔楼的防雷均压环一般从一层开始布设。如果 具体施工工作能与土建工程配套进行 , 将会使避雷针架设工程中 的费用极大降低。 1.2 引下 避雷针接闪后的雷电流必须利用引下线迅速泄放入地 , 传统 避雷针的引下线有两种形式 :一种为独立引下线 , 这种形式一般 为每根避雷针设立一单独的引下线 , 其优点是引下线的安装位置 可以根据防护对象的实际情况进行适当调整 , 但这种调整量十分 有限

9、 ,并且建筑物上的引下线很难与建筑物的金属体进行严格的 分离。另一种方法是避雷针引下线借用建筑物主体的主筋 , 其最 大的优点是当雷击发生后可以实现整个建筑体等电位 7, 但如 果建筑体等电位处理不好时 , 强大的雷电流容易和借用主筋周围 的设备发生反击。 为此, 可以通过一个简单计算对两种引下线的防护效果进行 分析 8: i=I/(Nn) 式中:i为单根引下线在发生雷击时所流过的雷电流 (单 位: kA); I 为接闪器接闪后的雷击总电流 （ 单位 :kA）; N为雷达站雷达塔楼建筑立柱的个数； n为每根雷达站雷达塔楼建筑立柱中防雷引下线的根数。 假如一雷达站发生瞬态电流为 200 kA的雷

10、击，独立引下线只 有被动的将这一电流全部承担下来 , 在其周围产生的影响是显而 易见的。而如果借用建筑主筋 , 一般的雷电塔楼都有 4 个或更多 的立柱 , 如果每柱借用两根主筋做避雷针的引下线 , 则可以使每 根引下线的雷电流减小为避雷针接闪总雷电流的 1/8, 即只有 25 kA。从土建建筑的施工工艺看,这一计算方法是相当保守的。 通过分析可以看出 , 借用建筑主筋可以最大限度地分散 雷电流能量。 新一代天气雷达站直击雷防护的引下线全部借用建 筑体的竖筋实现 2 。由于这些引下线不但要用以引下强大的雷 电流, 还要引下弱小的静电和感应电流 , 在实际工艺中 , 对借用主 筋全部做焊接处理。

11、考虑到等电位及综合防护效果 , 建筑体横竖 主筋在每层处全部采用焊接 , 很显然 , 这样处理的结果会使得可 能发生的雷电流在引下过程中得以极大的分散 , 从而减小雷电流 的破坏性作用 1 。 1.3 接地 直击雷防护的接地体地网由两部分组成 : 一部分为建筑体的地下基础主筋 （也叫建筑地或自然地 ） 。为 了很好地对这些埋入地下的建筑金属加以利用 , 在混凝土浇注前 在不破坏机械强度的情况下 , 对每根钢筋进行了双向焊接 , 地下 立柱主筋每2 m加筋焊接一圈，箍筋增加焊点大于 12圆钢横截 面的要求 , 以作为建筑接地体之用。 另一部分为环绕建筑体的专用地网 （也叫人工地 ）, 用 2.5

12、 m 长50热镀锌管钢和4X 40 mm热镀锌扁铁组成（见图1）,地网 制作在地面700 mm以下，焊接处做防锈和防腐处理。两个地网在 地下立柱处做多点焊接连通 , 形成互补 , 以使雷电流和其他干扰 电流迅速泄放入地。 图 1 专用地网施工方法 一般规范对各类设施的接地电阻都有要求 , 天气雷达系统地 网的总体接地电阻设计9为小于等于4 Q ,系统建成后经过实 际测量，绝大多数地网的实际接地电阻都小于等于1 Q。 1.4 侧击雷防护的特殊处理 根据不同雷达站的情况 , 对雷电的侧击和绕击做了不同的处 理。地处高山的台站一般都利用金属防护围栏进行接地处理 , 与 雷达站各类地网进行多点等电位连

13、接。这样以来 , 围栏就成了很 好的侧击雷接闪设施。 1.5 系统供电的雷电防护 为了防止雷电通过电源线路击毁雷达设施 , 原则上要求配电 室和变压器应置于LZP0B区,其他配电设施等置于不低于LZP1的 防雷区域 , 直击雷防护等级不应低于二类防雷建筑设计 2, 所以 , 为配电室设立了常规避雷带 , 围绕配电室设立地网一组 , 兼做电 力系统保护地网和配电室防雷地网。 考虑到雷达站地理位置的特 点, 进入配电室的架空电力线路在前三根线杆都设立了避雷线 2 设备仪器雷击防护技术路线 2.1 分流 工程的雷电流等过电流的分流由两部分组成 : 一部分为等电 位的连接 , 通过对建筑、电器、管道、

14、线路等的均压处理 , 使过电 流通过多条线路泄入大地 ;另一部分为浪涌电压吸收设施 , 电源 部分采用最少二级、重点部位采用三级电涌吸收措施 10（ 见图 2）; 程控电话线路、网络线路、信号传输系统等都采取一级电涌 防护措施 ; 雷达天线安装就位后 系统的线路采取了电涌防护措施 亦根据情况采取相应的防护措施 电压以最短的线路和最快的速度 图 2 电涌防护原理图 , 根据设备实际情况对雷达伺服 ; 无线数据传输系统、通信线缆 , 这样以来 , 叠加在线路上的过 , 通过吸收设施分流入地。 2.2 引入接地 为避免雷电和电磁干扰 , 根据不同情况 , 对不同的场地和设 备采用不同的接地形式。 重

15、点场地采用“ M”（ 均压环 ）, “S”（ 汇 流排）型混合接地方式11, 一般场地采用“ M接地形式，较分 散设施和各类线路引入点等采用“ S”接地形式。为提高弱电设 施场所的安全系数 , 可根据情况适当增加其接地点。考虑到楼房 的高度会使引下线加长 , 造成接地体的接地电阻难以达到国家有 关规范要求的规定值 , 故主机房、控制室、楼内计算机房的系统 地网主要借助建筑地网12,设计接地电阻都小于等于 4.0 Q c 供电线路和部分电涌吸收设施的地线难于采用公用接地时 , 我们 进行了独立敷设。 2.3 屏蔽 新一代天气雷达的电磁屏蔽措施以两部分为主 : 一部分为雷 达机房和计算机控制室的屏

16、蔽 , 这一部分工程主要包含在土建工 程之中，其屏蔽金属体的网格不应大于 20 cmx 20 cm,机房门窗 设计为金属材料，窗户亦加设了网孔不大于 20 cmx20 cm的金属 网, 金属门窗和网与建筑物部分的主钢筋做焊接连接 , 焊接点之 间按不大于 2 m 设计 , 这一措施对米波长和很大频段的厘米波长 的雷电电磁波和其他干扰信号可以起到有效的防护作用 ; 另一部 分为各类线路的屏蔽 , 严格区分了高低压、 高低频线路 , 各自分立 穿管布设 , 穿线槽分段就近进行了接地 , 以将雷电和其他干扰电 磁场降低到最低限度。 2.4 均压处理 等电位处理是涵盖土建、安装、电器等项目的综合工程。

17、工 程的等电位处理主要有以下内容 : 建筑体主筋的等电位处理 , 主要对所有竖筋和横筋进行焊接 处理 , 使整个建筑体成为一个等电位体。 上下水、通风等所有进出建筑体的管道与建筑地网就近进行 电气连接 , 使整个进出建筑物的金属物体与建筑体形成等电位 体。 机房、供电部分的交直流和安全保护地线以及防雷地线都与 建筑地网进行共地处理。 机房、各类线路、接线盒等部分的地线从建筑体就近引出 防雷地从楼顶主筋引出 , 部分必须单独设立的地网 （ 如电缆接地 等） 也与建筑地进行了等电位连接。 2.5 静电防护 新一代天气雷达系统的静电防护主要是为了消除计算机和 信息系统在运行过程中产生的静电电荷 ,

18、根据国内外静电防护的 经验,除在操作中注意操作方式减少静电之外, 给静电提供泄放 通路和合理选择机房有关材料 , 以破坏静电形成的条件是静电防 护的关键。为了达到这一目的 , 对防静电地板接地与其他接地系 统进行了共地处理 , 防静电系统设计接地电阻 12 小于等于 4.0 Q ；有关机房防静电地板泻放电阻按1 X 1051 X 108 Q设计 12 。 2.6 配电及其线路防护 根据工作需要和现阶段通行的做法 , 总配电室以后的供电采 用了 TN-S或TN-C-S接地系统9,其中零线线径与相线线径相同 地线线径按不小于 6设计;变压器侧设立零线地网，配电主机 房和自供电系统也设立了相应地网 , 分配电室地网与建筑地网共 地处理 , 各地网接地电阻小于等于 4.0 Q 。线路在进出建筑物前 作穿