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淺談新一代天氣雷達站雷電防護案例分析
發布者: 發布時間:2016/3/3 閱讀:2774

關鍵詞:新一代天氣雷達 等電位連接 電涌保護器 10/350μs波形
 
  前 言:濱州新一代天氣雷達是中國氣象局繼上海、合肥之后新建設的第三部多普勒雷達,近幾年內將在全國陸續增設90多部同類型雷達,從而形成國內雷達監測網,對提高我國天氣預報的準確性,特別對防災、減災工作將做出巨大的貢獻?墒怯捎谶@種上千萬元的精密設備必須架設于地形或建筑物高處。遭受雷擊的事故頻頻發生,造成無法估量的直接和間接損失,而且由于雷達部件多從國外進口、成本大、修復周期長。如上海多普勒雷達曾于98年4月遭雷擊,停止運行達28天之多。國內外大量實踐表明:雷達大部份故障是由于雷擊造成。鑒于以上原因,本文參照QX 2-2000規范,根據接閃、屏蔽、均壓、分流、接地與布線的原則,對雷達業務樓進行整體的防雷設計與改造。 

  1 濱州雷達業務樓簡介 
  
  濱州地處黃河三角洲腹地:地下水位高、土質屬沙壤土,土壤電阻率在10Ω·m以下,年平均雷暴日數為29.1天,年雷暴日數極值302,雷達站建筑物結構防雷設計、施工業務樓基礎為復合基礎,即最下層為210根8米長的鋼筋混凝土樁,上面為一個1.5米高,36米長,27米寬的鋼筋混凝土基礎,整個基礎未作防腐處理,大部常年在地下水深度之下,整個鋼筋網結的密度、直徑、面積均大大超過一般專用地網設計,連接除搭接綁扎外,增設了12處焊接連接處理,構成了一個十分理想的接地裝置,經測試,接地電阻為0.2 Ω。

  雷達業務樓整個鋼筋骨架均按防雷引下線要求連接,全樓有12 處自下而上的焊接處,各樓層與其為焊接連接,其他地方為搭接綁扎,用料的直徑也完全符合多根引下線組成的閉合環或網狀引下線要求。由于雷達業務樓屬二類防雷建筑物,在滾球半徑45米以上部位均設置均壓環,金屬門窗、金屬樓梯、平臺欄桿等均與均壓環或主體鋼筋相連,九樓、十樓、樓頂安裝的天線桿,雷達天線平臺四周的欄桿均按接閃器要求選型,平臺欄桿為14毫米圓鋼,天線桿為直徑73毫米,壁厚7毫米的鋼管。九樓、十樓及塔樓平臺等處均設避雷帶。 

  2 雷達天線的防護 
  
  根據QX 2-2000的要求,在安裝雷達天線基座的平臺上,應安裝不少于二支的避雷針或避雷線保護天線罩,且針與罩邊緣遠離3米,為減少避雷針或線的金屬支撐桿對雷達工作的遮蔽影響,支撐桿應在雷達天線仰角零度下邊緣以上使用一段高強度玻璃鋼管替代金屬桿,其內使用截面積不小于50mm2多股銅線實現接閃器與金屬支撐桿的電氣連接,針長不應大于1米。 
  
  另據廣東省防雷中心楊少杰同志撰文介紹,最好采用遠離天線罩3米的三支等高(水平方向等邊三角形)避雷針保護天線罩,通過滾球法計算三支針高各為15.15米即可,三支針頂最好用導線連接成避雷帶,這樣結構上更牢固,同時由于分流作用使天線核心部分磁感應強度下降,既節省材料又能對來自任何方向的雷擊進行攔截。 

  這樣,在雷達站建筑結構設計時,必須充分考慮天線平臺的面積,同時須在平臺上預留出安裝三支針及天線基座的預留件。防雷引下線應利用雷達建筑物主體鋼筋,在天線平臺的女兒墻上預留出四組以上長于15厘米的鋼筋頭。 
  
  濱州雷達由于安裝較早,在設計過程中天線平臺面積過小,不能實現針、罩相距三米的要求,同時廠家要求避雷針設于天線罩頂部,再加上美國的雷達天線罩防雷也如此設置。故采用一根主針置于罩頂,選用法國衛星(十),高2.8米,重30千克,F在看來,不符合QX 2—2000的規范要求,希望以后的設計人員能吸取 教訓。 

注意:天線避雷針設計時須考慮本地風力及針的抗風能力。 
  
  3 雷達天線電纜與波導管的防護 
  
  雷達天線接到10樓雷達主機房及8樓控制室的線纜,應穿金屬管或敷設在金屬屏蔽槽內和波導管一起進行層層等電位聯結,連接點不少2處,這樣建筑物設計時須達到兩個要求:
 、拧≡诶走_天線平臺到雷達主機房和控制之間要在適中位置預留穿管用的孔洞(最好備有垂直線纜井);
 、啤≡诰纜和波導管所通過的樓層平面上,至少預留出2根40×4mm、露出樓層平面長度約為20厘米的鍍鋅扁鋼作為等電位連接端子。
  濱州在最初設計時沒有考慮層層等電位預留,只是在線纜外又增加一層金屬編織網進行屏蔽,現在若再穿金屬管(槽),重新處理等電位聯結問題,難度可想而知。 
  
  4 雷達機房的防護 
  
  由于雷達主機房內有發射機,接收機等設備,電磁輻射對人身,設備所造成的危害相當嚴重,所以根據電磁環境安全的需要已進行了小于15mm×15mm的金屬網屏蔽,同時根據防雷擊電磁脈沖的要求,控制室也進行了屏蔽措施,這一點在建筑物設計時已考慮到,金屬屏蔽網敷于內墻,而且門為金屬板門。鋁合金窗加上了網孔小于200mm×200mm的金屬網(與屏蔽網尺寸相同),并與屏蔽網及建筑物主筋電氣連接。根據QX 2-2000要求,雷達機房、控制室的外墻鋼筋應加密,要求鋼筋網孔小于200mm×200mm。 
  
  為防止雷擊電磁脈沖的危害,機房不應置于建筑物頂三層,特別不能置于頂層,同時機房設備距墻應大于1米,以防止雷電流沿外墻結構立柱內鋼筋引下時產生電磁脈沖對雷達設備的干擾。濱州雷達樓引下線為12根,設10KA雷電流分流于12根引下線,未加屏蔽網時,根據信息設備最大承受的磁場強度2.4GS計算: 

    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(即設備距離墻0.7米即可) 
  
  進入機房的線纜敷設于金屬槽內,并進行了層層等電位連接,線槽不宜置放于外引下結構柱附近,應敷設于建筑物中部,且電源線與信號線宜平行敷設,以免回路過大,造成設備受感應雷擊,同時須遠離一定距離。以防干擾。具體實施時可參閱綜合布線相關規范。 
  
  5 供電系統的防護 
    
  濱州雷達業務樓采用三相四線制供電,變壓器房之前高壓部分已由電力部門進行了防雷處理,進入雷達業務樓時采用含金屬外皮的低壓電纜埋地引入,埋地深度為0.9米,長度30米,入樓后大樓配電盤及各層配電箱均進行了接地處理。 
濱州雷達站屬二等雷電防護雷達站,原設計為總配電柜上(即變電室)安裝40KA(8/20μs)的SPD,雷達樓配電盤上安裝20KA(8/20μs)SPD,雷達主機房和控制室的分配電盤上安裝10KA(8/20μs)SPD。根據QX 2-2000,現在總配電柜上已改用10/350μs波形的20KA的SPD,顯然,以前設計的8/20μs波形40KA的SPD已遠遠達不到電源系統的防雷需求,同時電源SPD均安裝于總配電柜、配電盤、分配電盤上,SPD的引線長度均小于0.5米,地線與配電柜的PE板相接。 
  
  6 等電位連接與接地 
  
  除以上所述等電位連接部分以外,進入本大樓的電纜金屬外皮,暖氣管、自來水管等金屬構件均在進入大樓前與主鋼筋進行了電氣連接,暖氣管在空中架設中還經鋼管架與地面進行了接地處理、樓內母線槽、信號線、電線暗管均進行了等電位接地處理。玻璃幕墻金屬支架也與大樓主筋焊接在一起,雷達主機房及控制室內PE線、直流地、屏蔽地、靜電地及SPD接地均與大樓主筋進行了等電位連接,其中靜電地板的金屬支撐之間也進行了電氣連接處理,然后與建筑物主筋進行了多點連接,從而實現了共用接地。 
  
  7 其他附屬裝置的防護 
  
  雷達天線頂部的航空障礙燈的電源線穿金屬管進行了屏蔽,并于屏蔽兩端做了等電位處理。同時在電源線進入室內的開關處安裝了SPD。 

  雷達站主機房與控制室內為防止火災事故采取了消防監控措施,室內均安裝了防火傳感器。為了防止雷擊電磁脈沖造成消防監控系統故障,在一樓消防控制室的電源線及信號控制線上均安裝了相應的SPD。 
  
  8 幾點建議 
  
  在濱州雷達站防雷過程初期發現,進入各樓層后PE線過細(2.5mm2)過長,目前電子設備大部分直流地與安全保護地(機殼)已在機內相連,通過PE線接至大地,但是在信號頻率過高和在雷擊情況下,其阻抗Z= [R2+(WL)2 ]1/2 相當大,同時由于雷電流頻譜很寬,極易產生自諧振,使阻抗無窮大,相當于一根天線,能接收或發射干擾信號。安裝電源及信號SPD時,其接地線要求短而直,且小于0.5米,否則會由于導線的感應電壓L(di/dt)過大,造成被保護設備耐壓擊穿。所以在實踐中應考慮雷擊時PE線接地不可靠,最好采用等電位連接措施使機殼(架)與地短接,SPD地線可直接接在機殼上。 
  
  其次,PE線有兩種設置法,一種是在建筑物配電盤處N線重復接地后,從N線上引出PE線。另一種PE線不從N線上引出,直接利用建筑物結構主鋼筋或單獨設置PE線,工程中可根據具體情況分別采用。 

  另外,靜電地板金屬支架應充分利用,支架間最好進行電氣連接,然后與主鋼筋多點相連,形成等電位體,機房內所有的地線均應以最短距離與之相連! 

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