东营市气象局雷达楼防雷系统设计

摘要：针对东营市气象局雷达楼的基本情况，依据我国国家标准及行业相关规定，对雷达楼的防雷需求做出判断，制定相对应的防护措施，从而完成了东营市气象局雷达楼防雷系统设计。

关键词：现状分析 防雷设计 接地系统 等电位连接

为提高气象服务水平，东营市气象局雷达楼安装应用了各种精密的电气及电子设备。电气及电子设备富含大量的半导体集成模块,普遍存在着绝缘强度低，抗过电压、过电流及电磁脉冲能力差等致命弱点，毫无防范的系统一旦遭受雷击，设备将会遭受重创。为了很好地解决这个问题，我们设计了一整套合理安全的防雷工程。

1、雷达楼防雷现状分析

东营市气象局雷达楼是框架结构，长59m,宽16m，高32m，安装了防直击雷设施（如避雷针、避雷带、引下线等）。雷达楼建筑物采取防直击雷防护；雷达楼的低压配电系统有接地，其接地是通过供电电缆从变压器的接地装置引入的。业务平面做了防静电地板，防静电地板下也采用100mm×0.5mm的铜带敷设了防静电地网，但防静电地网未与任何接地装置连接。办公楼供电系统采用埋地电缆从室外总配电室变压器引入，雷达机房配电箱为独立配电箱，并且业务平面、雷达机房采取备用电源模式，各供电系统中均未安装电涌保护器做防雷保护。雷达楼业务平面内设有一台卫星电视信号接收机，天馈线在室外穿钢管进入室内，接入卫星电视信号接收机的输入端。

2、雷达楼防雷系统设计

2.1 防雷分类确定及雷达楼电子信息系统雷电防护等级确定

依据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004及《新一带天气雷达楼防雷技术规范》QX2-2000的要求，在做防雷系统设计之前，必须首先根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，确定建筑物的防雷分类；其次按建筑物电子信息系统所处环境进行雷击风险评估，确定雷电防护等级。

依据计算公式N1=kNgAe，计算如下：

K=1，东营市气象局雷达楼建筑物所处的地理环境无特殊性，故在一般情况下k值取1。

Ng=0.024Td1.3=0.024×271.3=1.74（次/km2・年），东营地区的年平均雷暴日Td=27天。

Ae=[LW＋2(L＋W)・＋πH(200-H)]・10-6

=[59×16＋2×(59＋16)×＋3.14×32×（200-32）]×10-6=0.0303km2

N1=kNgAe=1×1.74×0.0303=0.053（次/年）

根据所求数据界定东营市气象局雷达楼建筑物为第三类防雷建筑物，但考虑到东营市气象局雷达楼使用的重要性，按二类防雷建筑物设计考虑。

2.2 东营市气象局雷达楼建筑物直击雷防护措施

外部直击雷防护都是采用避雷针、避雷带、避雷网等作为接闪器，通过引下线将雷电流泄放至良好的接地装置，从而确保建筑物本身免受直击雷的侵袭。本雷达楼安装了防直击雷设施（避雷带Φ10），为防止业务平面遭受电磁干扰，在施工时在楼面加密防雷网格。

根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）第三章第四节第3.4.5条和《新一带天气雷达楼防雷技术规范》QX2-2000的要求，对于突出于东营市气象局雷达楼建筑物屋面的雷达天线，采取以下防护措施。

2.2.1 天线的直击雷防护

图1 天线罩安装示意图

雷达天线被安装在8层高的雷达楼顶部，遮蔽角较小，雷达天线罩直径约12m，天线部分设备的方形支撑铁架高2.2m，宽6.5m,.天线罩安装如图1（a）所示，方形支撑铁架尺寸如图1（b）所示。天线罩安装在铁架上，如图1（c）所示，以下各图的长度单位均为m.

2.2.2 设计参数为

雷达楼的防雷保护按第二类防雷建筑物设计，则滚球法半径hr=45m；为减轻反击和避免天线进入雷击电流的强磁场，设定避雷针与罩体外缘的距离为3m。被保护高度hx=12+2.2-0.957=13.24m,再考虑保护裕量=1m,则hx=14.24m，采用等边三角形分布的等高三针对天线罩进行直击雷防护设计，其俯视图见图2。

图2 罩侧的保护

如图所示：

正ABC边长为AB=AC=BC=15.59m.

只要针高EB=FG=hr-DF

=hr-=12.63m

即可保护边外的球部分。因此，关键应考虑内部之球体的保护情况下面用作图法求针高：

用半径为45m的球让三支针支撑起来，使滚球最底点比罩端高出=1m裕量，罩体即获得保护了。滚球的中心线0P垂直ABC，且通过它的重心。这样三角形外侧受到了保护（上面已经证明）。因为OP=所以，针高为：

h=hr-OP+1+13.24=45-+14.24=15.15m

如图3所示

如果受建筑物天面面积的限制，未能采用针的对称安置方式，这时可取灵活设计方式，但应按针的具体布置进行计算，使设计达到保护的目的。

按下述方法设计，当针距罩边缘是3m,设雷电流I=10KA时，对罩边缘和中心的磁感应强度B1，B0进行评估：

B1=(4×π×10×103×10000)/(2×π×3)=6.67GS

则磁场强度H1=6.67×79.6=531A/m,B0=2.22GS

如果要求在罩边缘处B1=2.4Gs即H1=191A/m

则Sa=I/(2×π×H)=10000÷(2×π×191)=8.33m

此时，B0=1.4GS见图4：

图4 磁感应强度

2.3 直击雷防护引下线的设计

利用外墙构造柱内至少两根以上的主钢筋自下而上电焊连通作为引下线。引下线应充分利用构造柱内全部钢筋，当柱内钢筋采用绑扎时，施工中需在每层高度加一个短路环或利用箍筋焊接。引下线下部与基础圈梁主钢筋电焊连接，上部与避雷带和避雷针电焊连接，各楼层的接地预留件应从建筑物中心结构柱的主钢筋引出，用做总等电位连接端子的引下线应焊接，下部与基础地网的主钢筋焊接。

2.4 屏蔽

屏蔽是减少电磁干扰的基本措施，为减少感应效应采取以下措施：外部线路埋地引入，合理敷设路径；内部线路使用带屏蔽层的缆线。在屏蔽层两端和防护区交界处做等电位连接；同时与建筑物组合在一起的大尺寸金属部件都等电位连接，并与接地装置相连；设备机房应选择在最高级别雷电防护区中，应避免设在计算机的顶层。当建筑物天面部分的避雷网格尺寸不符合系统屏蔽要求时，应在天面加装屏蔽层或加密网格，使用非金属屏蔽电缆，入户前应穿金属管并埋入地中水平距离10m以上。如受条件限制无法穿金属管埋地入户，则应加长入户屏蔽，且入户时在雷电防护区交界处应做等电位连接和接地；雷达天线接到机房的所有电缆宜敷设在金属屏蔽槽内，接地端子和波导管在经过每楼层时应与该层等电位连接带电气连接，金属屏蔽槽首尾应电气贯通。雷达天线至机房的电缆线入口处应用金属罩屏蔽并接地，为防雷电电磁脉冲干扰，所有线缆均应敷设在金属屏蔽槽内，并进行多次等电位连接后进入机房。

2.5 等电位连接

机房内设备的等电位连接采用S型等电位连接网络为主,该信息系统的所有金属组件,除等电位连接点外,应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘。各设备之间的所有线路和电缆应按照星型结构与各等位连接线平行敷设,以避免产生感应环路。

进入建筑物内金属导体,如埋地电力电缆,自来水管道,通信电缆,因此在该雷达楼建筑物的首层,应设专用接地的汇流排,对进入建筑物的外来导体实行等电位连接。在雷达楼天面设有UHF通信天线，PCVASAT天线等。

2.6 共用接地技术

利用建筑物的基础钢筋地网为共用接地系统。接地体的冲击电阻不应大于4欧；利用建筑物的基础钢筋作为自然接地体，并宜在建筑物外大于5米处埋设环形人工接地网，该环形水平接地体宜在散水坡以外并在不同的方向用四根以上40×40的镀锌扁钢或大于等于Φ12镀锌圆钢与建筑物基础钢筋焊接；埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢，埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢、圆钢。圆钢的直径不应小于10mm，扁钢截面积不应小于100mm,其厚度不应小于4mm,角钢不应小于L40×40×4，钢管壁厚不应小于3.5mm,人工垂直接地体的长度宜为2～2.5m。人工垂直接地体之间的距离应大于接地体本身长度的2倍，人工水平接地体之间的距离宜为5m。人工接地在土壤中的深度不应小于0.5m。

2.7 雷达楼浪涌保护器SPD的选择与安装：如图5所示

图5 雷达楼浪涌保护器SPD的选择与安装

(1)在低压配电线路中，必须采用TN-S系统。

(2)选择的原则：

SPD1宜选择I级分类试验用冲击电流通过幅值电流40～10KA（10/350μs波形）的开关型SPD；SPD2宜选用60～20KA（8/20μs波形）的限压型SPD；SPD3宜选用20～10KA（8/20μs波形）的限压型SPD；SPD4为精细保护，宜选用10～5KA（8/20μs波形）的限压型SPD。

各级SPD的标称额定电压Un从1级到4级应选择一个合适的梯度，SPD连接导线应短而直。SPD连接导线不宜大于0.5m,当SPD1 和SPD2的线距长度小于10m,SPD2和SPD3的线距长度小于5m时，在两SPD之间应加退耦装置。为防止SPD老化造成短路，SPD安装线路上应有过电压保护装置，宜选用有劣化显示功能的SPD。

3、结语

本设计方案针对东营市气象局所在建筑物的直击雷防护，电源系统及信息系统的雷击电磁脉冲防护，都做了相对完善的设计。有效提高各系统的雷电防御能力，而且能防止误操作等引起的过电压，净化电源、减少网络故障。

参考文献

[1]林维勇.中华人民共和国国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版).中国计划出版社.

[2]王德言,李雪佩,宏育同等.中华人民共和国国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004.中国建筑工业出版社.

[3]关象石.《防雷技术标准规范汇编》.气象出版社,2001年.

[4]《新一带天气雷达楼防雷技术规范》QX2-2000.