多普勒天气雷达雷电静电防护的技术路线

摘 要:为解决多普勒雷达在工作中遭受雷电等过电压的侵害,在对雷达操作和控制系统低电压工作特性分析的基础上,提出雷达站雷电和静电防护的技术路线,从直击雷防护、设备仪器雷击防护、机房雷电电磁屏蔽等方面提出了接闪、引下、接地、分流、等电位处理等实际工程的设计方法和具体施工方法,在实践中得到实施和应用,收到显著的防护效果。

关键词:多普勒雷达;雷电;防护;技术路线

中图分类号:TN95文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)01-186-03

Technical Way of Lightning and Static Electricity Protection for Doppler Radar

LI Ya′nan1,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 Laboratory of Climatic Change and Disaster Reduction of CMA,Lanzhou,730020,China;

2.Lightning Protect Center of Gansu,Lanzhou,730020,China )

Abstract: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 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 protective effect.

Keywords:Doppler-radar;lightning;protection;technical

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3×104 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3 m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,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/(N•n)

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。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Φ12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 m长Φ50热镀锌管钢和4×40 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 Ω,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 Ω。

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、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,根据设备实际情况对雷达伺服系统的线路采取了电涌防护措施;无线数据传输系统、通信线缆亦根据情况采取相应的防护措施,这样以来,叠加在线路上的过电压以最短的线路和最快的速度,通过吸收设施分流入地。

图2 电涌防护原理图

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 Ω。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 cm×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 cm×20 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。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,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 Ω;有关机房防静电地板泻放电阻按1×105～1×108 Ω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Φ6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 Ω。线路在进出建筑物前作穿管埋地处理,埋地长度不小于15 m。

3 结 语

随着雷达操作和数据处理的自动化,雷达硬件设备的用电电压越来越低,这使得雷达的雷电和静电击毁率急剧的增加。由于这类故障有时是由低电压造成的,其故障比较隐蔽,往往不宜查找和根除。所以雷电和静电的防护应该引起设备使用者的高度重视。设计的新一代天气雷达防雷项目已有多项投入使用,有些雷达站甚至在常发雷击的高山之巅运行了多时。通过实践,该设计技术路线是可靠可行的。

尽管这些防雷系统被采用在天气雷达的防护中,但其防护的技术路线对其他雷达设施、通信传输系统和弱电设施场所都有很好的借鉴作用。

参考文献

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[3][德]Hans Volland.大气电动力学[M].程箴荣,译.北京:气象出版社,1992.

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[5]Uman M A.All about Lightning[M].Dover Publications Inc.1986.

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