X 波段雙極化相控陣天氣雷達防雷工程實踐

陳景榮，李文飛，戴春容，鐘雨珊，曹虎文

（1.廣東天文防雷工程有限公司，廣州 510080；2.廣東省氣候中心，廣州 510641；3.佛山市氣象局，廣東 佛山 528000；4.江門市氣象局，廣東 江門 529000；5.廣東納睿雷達科技股份有限公司，廣東 珠海 519080）

X 波段雙極化相控陣天氣雷達（以下簡稱相控陣雷達）是一種新穎高效的氣象探測設備，能有效捕捉龍卷、冰雹、局地強降水等中小尺度強對流天氣的發生發展。與S、C 波段雷達相比，相控陣雷達觀測數據具有更高的時空分辨率，可以提供更細微水凝物信息，在災害天氣預警中發揮更重要的補充作用［1-3］。截止2021 年5 月，粵港澳大灣區已建成由25部（相控陣）雷達組成的災害性天氣精細化監測網，在防御雷暴、雷雨大風、冰雹等發揮了積極作用［4］。未來廣東將持續提升氣象現代化基礎業務能力，推進監測精密，加大相控陣雷達建設［5］。

雷達選址的凈空條件要求，使雷達成為區域相對制高點［6］，大大增加其雷擊概率，防雷安全極為重要。由于該類型雷達近幾年才投入使用［4］，與S 波段和C 波段的天氣雷達相比，其防雷方面的相關研究較少，需要不斷總結實踐經驗并進一步開展雷達防雷研究［7］。李和捷等［8］提出了豎向單針加橫向多針的直擊雷保護方法，并從陣列天線的接閃保護、接地網形狀及布置、電源系統的防雷保護3 個方面給出技術要點；陳景榮等［7］基于安裝鐵塔高度小于15 m 和大于15 m 時，以直擊雷防護和感應雷防護盡量獨立設置為原則提出一種防雷設計方案。本文基于某X波段雙極化相控陣天氣雷達項目的防雷工程，詳細介紹其防雷設計并對施工過程的經驗進行總結。

1 雷達構成及其安裝特點

相控陣雷達是由陣列天線、轉臺、機柜、底座4部分組成的一個高度集成的遙感探測器（圖1），雷達對外只有一個電源接口和通信網接口。

圖1 X 波段雙極化相控陣天氣雷達構成

雷達安裝方式為固定陣地安裝，一般安裝在專用鐵塔頂部平臺或建筑物天面。

2 直擊雷防護

2.1 接閃桿及其引下線設計

根據雷達的重要性和廣東地區屬于多雷區或強雷區，雷達防雷類別為第二類。直擊雷保護設計時，將雷達和鐵塔視為一個整體進行保護。

考慮雷達鐵塔所安裝位置地形和植被的因素，利用滾球法計算保護范圍時其基準面已經不是水平面，此時采用設計豎向接閃桿和橫向接閃桿托起滾球，使滾球不會觸及雷達和鐵塔而使其得到保護［9-13］。為盡可能減少接閃桿對雷達工作時的遮擋，直擊雷防護采取在鐵塔頂部平臺雷達工作的次方位設置1根豎向接閃桿，當僅豎向接閃桿無法達到有效保護時，在其他方位均布3 根橫向接閃桿，豎向接閃桿的高度和橫向接閃桿的長度可通過CAD 根據滾球法原理作圖求得（圖2），具體如下:

圖2 雷達直擊雷保護接閃桿作圖法設計圖

作圖法求豎向接閃桿和橫向接閃桿的方法見圖2（a）—（d），如圖2（a），畫出鐵塔頂部平臺和雷達工作空間的平面圖和立面圖，以平臺為基準，設豎向接閃桿凈高6 m，以豎向接閃桿針尖A 點為圓心，45 m為半徑畫圓，以雷達工作空間高點B 為圓心，45 m為半徑畫圓，以兩圓上部的交點為圓心，45 m 半徑畫圓，則該圓與平臺D 點的右延長線相交C 點，則CD 的長度（1.839 m）為初步確定的橫向接閃桿的長度。按照1 根6 m 豎向接閃桿和3 根1.839 m 橫向接閃桿的設計，選取如圖2（b）圖的2-2 剖切面驗證所設計是否能夠進行有效保護，2-2 剖切線與橫向接閃桿a、b 點的連線相交c 點，以c 點為該剖切面的等效橫向接閃桿的頂點，通過該剖切面的立面圖作保護圖，分別以f、d 為圓心，以45 m 為半徑畫圓，以兩圓上部的交點為圓心，45 m 半徑畫圓可得弧fgd，通過在CAD 上放大，可以看到雷達的工作空間g 點不在保護范圍內，因此需要調整橫向接閃桿的長度（當然也可以選擇調整豎向接閃桿的高度）。將橫向接閃桿的長度調整為2 m，按照以上的作圖方法，可以驗證符合要求，見圖2（c）—（d）。以上作圖方法所選取2 個立面進行滾球保護范圍驗證（實際有無數個立面），具有很好的代表性，所確定的豎向接閃桿和橫向接閃桿的長度能夠滿足雷達直擊雷保護的需求。

接閃桿的安裝實物見圖3，其中橫向接閃桿的安裝方法見圖3（a），此時接閃器針尖與平臺護欄頂部在一水平線，距離為2 m，即為設計圖求得的橫向接閃桿的長度。接閃桿頂部的接閃器通過玻璃鋼與塔身絕緣固定，接閃器通過專設的高壓屏蔽電纜沿鐵塔外側鋼管敷設至塔底，與共用接地網直擊雷接入點連接，該接入點與雷達接地干線的地網接入點沿接地極長度不應小于15 m［14］。

圖3 接閃桿實物圖

2.2 地網設計

本項目采用共用地網，接地電阻要求≤4Ω，由鐵塔基礎鋼筋附加人工接地體組成（圖4）。

圖4 雷達共用地網設計圖

2.2.1 基礎接地電阻計算

環形基礎為正八邊形狀，埋深4.0 m，周長26.51 m，每邊設計1 外塔柱基礎（圖4）。環形基礎墊層寬2.5 m，厚0.1 m，基礎寬2.3 m，厚0.6 m，外塔柱基礎長0.8 m，寬0.8 m，至地面高為3.4m，中心塔柱基礎埋深4.0 m，墊層長2.7 m，寬2.7 m，厚0.1 m，底層長為2.5 m，寬為2.5 m，厚0.6 m，面層長為1.2 m，寬為1.2 m，至地面高為3.4 m。

鐵塔中心基礎接地電阻計算。土壤電阻率ρ 取實測平均值300 Ω.m；混凝土電阻率ρ1取埋在潮濕土壤中的平均值150 Ω.m；基礎上部混凝土體等效直徑d1為1.36 m；基礎上部混凝土內鋼筋體等效直徑d 為1.24 m；鋼筋混凝土體埋設在地面下的長度為3.4 m；接地體和混凝土體計算系數K1和K2均為0.98。代入公式（4-4）［15］得到中心基礎面層接地電阻R1=33.68 Ω。平板形鋼筋混凝土中的鋼筋網等效直徑dp 為2.83 m；混凝土層影響系數Kh 取1；代入公式（4-9）［15］得到基礎下部平板形鋼筋混凝土體的接地電阻R2=53.10 Ω。將R1和R2代入公式（4-8）［15］，得到中心塔柱基礎的接地電阻R=22.90 Ω。

鐵塔八邊形環形基礎接地電阻計算。土壤電阻率ρ、混凝土電阻率ρ1取值同上；基礎上部混凝土體等效直徑d1 為0.90 m；基礎上部混凝土內鋼筋體等效直徑d 為0.79 m；鋼筋混凝土體埋設在地面下的長度l 為3.4 m；接地體和混凝土體計算系數K1和K2均為0.98。代入公式（4-4）［15］得到單一上部基礎接地電阻R1=39.82 Ω，環形基礎上部共有8 個相同規格的基礎，利用系數取0.70［16-18］，合并后的接地電阻為7.11 Ω。環形基礎的埋深h 為4.0 m、周長l 為26.51 m；形狀系數A 取1.69；土壤電阻率ρ、混凝土電阻率ρ1取值同上；環形基礎的等效直徑d1 為1.33 m；環形基礎內鋼筋體等效直徑d 為1.19 m。代入公式（4-7）［15］得R=11.95 Ω。將環形基礎上部基礎的電阻值7.11 Ω 和底部基礎的電阻值11.95 Ω 合并，取利用系數為0.70［16-18］，則其總接地電阻為6.37 Ω。

鐵塔基礎總的接地電阻為環形基礎電阻值6.37 Ω 和中心基礎電阻值22.90 Ω 的合并值，取利用系數為0.75［16-18］，則其總接地電阻為6.64 Ω。

地網設計電阻值為≤4 Ω，鐵塔基礎接地電阻為6.64 Ω，需要增加附加地網。在鐵塔基礎3 m 外增加環形人工地網（圖4），取利用系數為0.9［16-18］，根據電阻并聯公式及考慮相互之間影響的利用系數，可得需要增加人工地網的電阻值為≤7.86 Ω。

2.2.2 人工附加地網接地電阻計算①單一垂直接地體的電阻（l?d）

式中:ρ—土壤電阻率（單位:Ω·m）；l—接地體的長度（單位:m）；d—接地體的直徑或等效直徑（單位:m）。

②幾個并聯的相同垂直接地體的接地電阻

式中:ηc—垂直接地體的利用系數；n—垂直接地體的數量。

③水平接地體的接地電阻

式中:ρ—土壤電阻率（單位:Ω·m）；l—接地體的長度（單位:m）；h—水平接地體埋深（單位:m）；d—接地體的直徑或等效直徑（單位:m）；A—水平接地體的形狀系數。

④水平接地網與垂直接地網并聯的電阻

式中:η—地網并聯的利用系數。

利用公式（1）—（4），土壤電阻率ρ 取值同上，垂直接地體單根長度2.5 m，接地體頂面埋深0.60 m，利用系數均取0.70［16-18］，計算圖4 地網的接地電阻為6.89 Ω，滿足≤7.86 Ω 的人工附加地網接地電阻的要求。

2.3 機房直擊雷防護設計

機房位于鐵塔底部距鐵塔外延2.5 m 處，尺寸為3.36 m×2.36 m×2.40 m（長×寬×高）的單層磚混結構或設備方艙。機房處于鐵塔的直擊雷保護范圍內，無需單獨設置直擊雷防護裝置。

3 感應雷防護

3.1 電源供電線路防雷

雷達為單相交流供電，配備有交流UPS，放置在雷達鐵塔底部旁的供電機房內。供電取自附近通訊基站電房，采用鎧裝電力電纜套金屬管埋地敷設，經UPS 輸出通過鎧裝電力電纜沿鐵塔中心鋼管柱敷設至鐵塔頂部安裝平臺配電箱。

供電線路防雷。在通訊基站總配電柜內安裝第一級電源浪涌保護器，要求Up≤2.5 KV，Iimp≥12.5 KA；在雷達供電機房安裝第二級電源浪涌保護器，要求Up／f≤1.5 KV，In≥60 KA；鐵塔平臺雷達配電箱處安裝第三級電源浪涌保護器，要求Up／f≤1.2 KV，In≥40 KA。

3.2 通信線路防雷

通訊采用非金屬加強芯光纜，本項目由距離約40m 處原有通訊鐵塔機柜穿鍍鋅鋼管埋地敷設引至鐵塔底部供電機房，通過預埋鋼管敷設至中心塔柱，沿中心鋼管塔柱敷設至鐵塔頂部平臺。由于采用非金屬加強芯光纜，只需將光電轉換器、光纜終端盒等通信設備的金屬外殼與所預留的接地端子排等電位連接。

3.3 供電機房感應雷防護

在外來各種管線入戶處設置入戶接地排，在配電箱處、UPS 處就近設置設備接地排，兩接地排分別與共用接地網連接，其接入點沿接地體距離≥15 m。將供電機房的所有設備金屬外殼與相應設備接地排連接。將入戶的管線金屬管和鎧裝層與入戶接地排連接。

3.4 雷達等電位接地

將安裝在鐵塔頂部平臺的雷達金屬底座、金屬外殼，塔頂平臺雷達金屬配電箱，電力電纜鎧裝鋼帶，配線鋼管、金屬軟管，光纜終端盒金屬件等與鐵塔頂部平臺所設置的設備接地排連接。

4 防雷施工

4.1 地網施工

由于地網的理論設計值和完工后的實際測試值之間存在一定的誤差，建議在地網施工時進行隨工檢測，如發現與設計值誤差較大，則應及時與設計單位溝通，采取合適的降阻措施或申請調整設計。

4.2 接閃桿與引下線施工

高強度玻璃鋼接閃桿安裝所需的鋼管底座，其與鐵塔固定安裝的緊箍件與鐵塔一起設計和制作，施工時建議隨鐵塔安裝施工一起進行。玻璃鋼管頂端的接閃器通過專用高壓電纜沿鐵塔外鋼柱內引下與地網連接，其固定所需的電纜夾應與鐵塔同時設計和制作。

4.3 鐵塔頂部平臺雷達等電位施工

在鐵塔頂部平臺設置銅設備接地排，通過接地電纜沿中心鋼管塔柱內敷設與地網連接。平臺上的各接地均通過16 mm2多股銅纜雙色接地線與設備接地排連接。

4.4 預留預埋件施工

供電機房至鐵塔中心鋼管塔柱需要隨土建預埋2 根金屬管，預留鐵塔基礎接地體與人工地網連接的-40×4 熱鍍鋅扁鋼，在供電機房內分別設置入戶接地排和設備接地排。

5 結論和討論

本文通過具體的工程實例，針對該類型雷達的安裝特點，給出一種雷達直擊雷防護的接閃桿作圖法設計方法；總結接閃桿安裝固定、專用引下線安裝固定等需要融入鐵塔的設計和制作，同時防雷安裝需要利用鐵塔、雷達的安裝施工面與其同步安裝；引入機房需要設置入戶接地排和設備接地排及其設置使用要求；通過詳細的地網設計盡可能減少地網理論值和實際的誤差、工程預結算的偏差。

由于雷擊屬于小概率事件，特別是直接雷擊相對于感應雷擊而言更低，因此當雷達系統在一定時期沒有受雷雨天氣影響時，應分析判斷其是否遭受到直擊雷或感應雷，才能判斷所采取的防雷措施是否可行有效；從工程費用的角度看，地網所占的比例較大，提高地網設計的技術經濟性，需要不斷總結提高地網理論計算精度，特別是接地體（網）相互之間利用系數的選??；建議建立該類型天氣雷達的雷擊數據庫，為其防雷效果的持續改進提供數據支撐。該項目驗收投入使用2 年多，未發生雷擊情況，防護效果明顯。