浅谈某无线电监测站雷电防护及监测预警建设

摘 要：无线电监测站具有相对位置突出、雷击环境较为恶劣的现状，为了加强对无线电监测站测向天线及天线塔配套设施的防护，采用“被动防雷接闪”与“主动雷电预警”相结合，硬件防雷装置与软件雷电预报预警相配套，当雷电临近测向天线及天线塔配套设施时，提前预警，并发出警报，通知监测站监控中心采取人工预防措施，提前做好应对措施，可以大大减少无线电监测站的雷电安全隐患。

关键词：无线电监测站；雷电防护；监测预警

1 雷电危害

雷电灾害是世界上严重的自然灾害之一，雷电虽然对维持地球的电磁环境和氮氧化合物合成发挥着重要作用，但它也同时严重地威胁着人类生命安全，[1]雷电引起的灾害呈现出上升趋势，已成为威胁人类社会安全最严重的自然灾害之一。近年来随着高新技术的快速发展，由于雷电引起的自然灾害呈现出逐年上升的趋势，且电子系统具有低电压和低功耗等特点，导致雷电灾害对建筑物、各种电子设备、机房天线发射系统、人员安全等造成的事故越来越多，损失越来越大。

在雷电的危害方面，直击雷和雷击电磁脉冲（LEMP）的侵害渠道是不同的，因此，其防护措施也不相同。但两者关系密不可分且相辅相成。传统直击雷防护措施主要是采用接闪杆、接闪带（网）等传统防雷装置，这些直击雷防护装置只能对直击雷起到有效的防御作用，对通过电源线、信号线、天馈线和室内管道等入侵的闪电电涌则起不到防御作用。这就对雷电防护的设计、施工提出了更高的要求，在设计时应将防雷工程作为一个系统工程来定义，不仅包括直击雷的防护，还包括等电位连接措施、屏蔽措施、综合布线、安装电涌保护器（SPD）、完善合理的接地等组成。

2 无线电监测站现场勘察实况：

⑴无线电监测站位于高山上，所处地势较高，土壤电阻率较高，主要由测向天线塔和机房大楼等设施组成。由移动公司建设的测向天线塔高约30米，距离机房大楼水平距离约10米，天线塔基础与机房大楼高度差约4米。

⑵信号馈线为同轴屏蔽线，从铁塔扶梯固定引下，进入机房，通过专用的信号电涌保护器（SPD）与设备连通；机房所在大楼电源系统采用三相五线制，总配电房位于一楼，电源线从大楼附近的电线杆直接埋地引入，二楼机房的电源线路从一楼总配电房引入；测向天线铁塔顶测向天线电源供电由机房专用220V电源经走线桥架引至天线铁塔，再通过天线塔上的直流电源转换器转换为48V的直流电供应。

3 存在雷电灾害安全隐患

无线电监测站机房及相应建筑物、设备等，虽然有配置一些旧的防雷安全措施，但与现行的国家相关标准规范、当地实际雷击环境和设备的要求有较大的差距，存在较大雷击安全隐患。

3.1 塔顶天线馈线系统

⑴天线塔顶部的测向天线上立有一根1米高的接闪短杆，按滚球法计算不能够有效保护该测向天线。

⑵接闪杆引下线与天线距离不到50cm，接闪杆接闪引下时易对天线系统造成闪电电涌侵入损坏相应设备。

⑶通长天馈线路均未进行屏蔽处理，易感应雷电流造成设备损坏。

⑷铁塔四个基础中只有二处有接地并焊接至地网。

3.2 机房供电系统

⑴一层总配电室的配电箱处未安装Ⅰ级试验的电涌保护器（SPD）保护，存在闪电电涌侵入的安全隐患。

⑵二层机房分配电处安装的Ⅱ级试验电源电涌保护器（SPD）选型不符合相关规范要求，防范效果较差，且布线较凌乱。

3.3 机房综合等电位处理等

⑴未设置机房设备专用接地汇流排，而是采用室外走线桥架引入的接地排；

⑵设备金属外壳未进行有效接地，大部份悬空；

⑶进入机房的光纤金属加强芯或金属外壳等未在入户处作等电位连接，机房内机柜、设备机壳、走线架等未作等电位连接，无法达到及时泄流的要求；

⑷监控安防系统的雷电防护措施达不到安全规范要求。

4 雷电防护措施

为了加强对无线电监测站测向天线及天线塔配套设施的防护，采用“被动防雷接闪”与“主动雷电预警”相结合，硬件防雷设施与软件雷电预报预警相配套，当雷电临近测向天线及天线塔配套设施时，提前预警，并发出警报，通知监测站监控中心采取人工预防措施，可以大大减轻无线电监测站的雷电安全隐患。

⑴查阅相关气象、雷电资料，无线电监测站所在地区累计年平均雷暴日数大于49天，属于高雷区。根据无线电监测站所在位置环境条件、雷电活动规律以及建筑物内设备的重要性和使用性质，按国标GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的相关规定，无线电监测站可划分为第二类防雷建筑物。

⑵为了加强对机房及天线接收系统、电源系统以及控制系统等弱电电子设备采取有效实用的防雷保护措施，保障天线信号接收系统的安全运行，减小雷电感应对电子系统设备的影响，采取综合防雷安全措施，根据环境因素、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电电磁脉冲的抗扰度、雷击事故受损程度以及系统设备的重要性，采取相应的雷电防护，防止或减少雷击所发生的人身伤亡和财产损失，做到安全可靠、技术先进、经济合理、全面加强防护。

5 雷电监测预警系统建设

在对无线电监测站综合防雷装置进行全面整改，在各防雷装置整改并经检测合格后，结合监测站的工作原理及特性，为减少雷电灾害事故的产生，建设雷电监测预警系统进行主动式防雷，最大限度保障设备的运行安全。

5.1 雷电监测预警概述

雷电预警是近几年为了全方位实施雷电安全防护而研究开发的雷电防护新举措，得到各国雷电研究机构的高度关注。IEC（国际电工委员会）雷电分会（T81）2009年3月在意大利的举行的年会上，开始关注雷电预警理论研究，并成立专门的分会负责，近几年取得较快的发展。

5.2 建设雷电预警的必要性

根据现场勘测和无线电监测工作的特殊性，我们认为建立主动雷电预警预报及电源自动控制系统是非常必要的。其主要依据有：

⑴现场雷击环境恶劣。无线电监测站具有相对位置突出、雷暴日数多、雷击环境较为恶劣的现状，加上无线电监测工作的特殊性，要全面达到不遭受任何雷电的袭击，不管从技术上或经济上均不可能达到。

⑵雷电被动防护技术的局限性。雷电是一门综合性的科学，它的产生、发展、移动、消亡具有相当的不确定性，也是国际上研究的重点学科内容之一，按目前现行国际IEC标准和我国国家防雷安全规范要求设计的防雷装置，不可能百分之百保护建筑物或设备不遭受雷击，只能尽量减少或避免雷电灾害事故的发生。

⑶雷电灾害风险概率较大。根据无线电监测站的地理位置，查阅历史上落雷密度和雷暴日数情况，过去7年间该区域大部分落雷密度大，而且当雷电流小于10.5KA时，按第二类滚球法保护，但是雷电绕击概率也较大，说明按第二类防雷建筑物防雷保护措施设计仍然存在一定的雷电灾害风险。

因此，无线电监测站应该采用“主动防雷设计”与“被动雷电预警”相结合，在做好现有场所的雷电安全防护被动防雷的同时，应采用主动雷电防护预警技术，当雷电临近监测站时，提前预警，并发出警报，采取自动控制系统切断电源，在雷电危险期间停止无线电的监测，减少雷击概率，待雷电过程结束后，再自动恢复供电，可以大大减少雷击设备事故的发生。

6 雷电监测预警系统建设内容

无线电监测站建设一套由福建省防雷中心与南京信息工程大学共同研制开发的《福建省雷电监测预警系统》用户子系统，该子系统与福建省防雷中心的“福建省雷电监测预警系统”通过网络实现有效连通，系统采用国内先进的大气电场监测仪、多普勒雷达回波、闪电定位资料和卫星云图资料，结合附近站点天气状况，进行综合分析处理，组成的高智能的雷电预警预报系统，在此基础上实现对各监测站工作电源系统的自动控制，加上监测站已按国家防雷规范完成的合格防雷装置，能最大限度地减少雷击事故的发生。该系统包括以下内容：

6.1 大气电场探测仪安装

在无线电监测站屋顶平台安装一台大气电场监测仪，监测单点大气电场的变化，并通过无线或有线网络发送至福建省防雷中心《福建省雷电监测预警系统》、安装在无线电监测站机房的雷电预警子系统及电源自动切换控制系统，一个大气电场仪探测半径为10公里。

6.2 雷电预警客户终端服务系统安装

在无线电监测站机房内安装一套《福建省雷电监测预警系统》客户终端服务系统，通过网络与福建省防雷中心《福建省雷电监测预警总系统》预警平网，可以实时观察到监测站雷电发生发展强度、方位、密度、大气电场等资料及预警信号情况、电源切换情况等。

6.3 各机房电源自动切换系统安装

根据《福建省雷电监测预警系统泉州无线电预警子系统》的预警指令，随时启动或取消各分站电源控制开关，或强行设制手动开关控制电源的开或关，达到主动防范雷电对监测站影响的目的。

6.4 雷电预警总系统资料分析处理

《福建省雷电监测预警系统》实时收集全省境内最新国内大气电场监测仪、多普勒雷达回波、闪电定位资料和卫星云图资料，结合附近站点天气状况，进行综合分析处理，雷电预警级别，启动或取消自动控制开关，达到主动防雷的目的。相关工作原理见图一。

7 结束语

无线电监测站雷电监测预警系统的建设，是“主动防雷设计”与“被动雷电预警”相结合防雷新途径的一次探索和验证，能为无线电监测站提供雷电安全保障服务，较好的解决雷电灾害超前预警预报的问题，最大限度的减少雷电灾害事故的发生，提高无线电监测站雷电灾害整体防御水平。

[参考文献]

[1]吴立军，等.张家港地区雷电分布特征分析[J].《中国电子商情》，22，2010.

[2]建筑物防雷设计规范[M]，GB 50057-2010.中华人民共和国住房和城乡建设部.