孙自胜 岳国海 吴立波

摘要 大别山新一代天气雷达将建于天堂寨烽火台处，其海拔高、地势空旷，在雷雨季节极易遭受雷电袭击。结合安徽省气象局提供的2006—2020年ADTD閃电监测数据，对其周围的雷电环境进行统计和分析，计算出雷达楼属于第二类防雷建筑。最后，针对雷达站的接闪杆高度、供电系统以及信息机房的防雷设施进行设计，为后续雷达楼的施工建设提供一定的参考依据。

关键词 天气雷达;雷电环境;闪电特征;综合方案

中图分类号：S761.5 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2021）12–0079–03

随着经济社会的快速发展，人们对公共气象服务的要求也越来越高。六安大别山气象雷达站将建于大别山区六安天堂寨烽火台（图1），覆盖鄂豫皖三省临近区域，被列入国家发改委和中国气象局气象雷达发展专项规划（2017—2020年）新增站点项目，项目预算投资4 000余万元。

大别山地处北亚热带北缘，属湿润季风气候。雷达系统在夏季使用最频繁，当下正处于雷电高发时节，一套完善的防雷系统对雷达系统的正常运行至关重要。目前，国内不少学者对此进行了相关研究。何桂霞等[1]根据雷达站所在地的气象环境和地理因素设计了宣城新一代S波段多普勒雷达的防雷综合措施。欧林忠等[2]通过对灵璧县X波段雷达周边环境的分析，提出了雷达防雷方法及应对策略，重点讨论雷电对邻近建筑物及电力设施的影响。季少卫等[3]针对数字电路和模拟电路采用的电源电压越来越低、系统的抗干扰和防护等级越来越高的问题，进行了较全面的分析，并从工程实际出发进行了系统设计。中国气象局虽然发布了《新一代天气雷达站防雷技术规范》（QX/T 2—2016），设计图纸根据规范进行了相应的防雷设计，但是，由于雷达站所处的气候环和地理位置存在较大差异，直接影响了防雷综合方案的设计[4]。基于雷达站所处大别山地区气候多变、夏季雷电频发等特点，利用安徽省气象局提供的闪电数据，统计和分析了雷达站周围的雷电参数特征，为后续的雷电防护等级、综合设计提供参考依据。

2 雷达站周围雷电环境分析

通过查找六安闪电分析数据库，统计分析了地闪密度、闪电监测、雷电流特征及雷电主次导方向4个闪电参数。图2为以雷达站为中心，5 km为半径内的地闪密度分布，分析地闪密度为1.27次/（km2·a），可以改变仅依赖传统雷暴日作为闪电密度的唯一指标[5]。

从图3可以看出：标的物所在地半径5 km范围内以负地闪为主，正地闪为辅。数据显示，在半径5 km范围内，平均年总闪电次数为2 287次，负地闪次数占总闪数的90%，正地闪只有10%左右，这与观测的结果相一致[6]。

由图4可以看出：该区运雷电流幅值分布呈现“中间大、两头小”的趋势，两头区间分别为：0～10 kA占比6.60%、大于100 kA占比5.82%;位于中间部分的雷电流幅值区间为：10.1～15.8 kA、15.8～50.8 kA占比分别为32.49%、42.15%。从雷电流幅值占比分布得知，幅值区间10.1～50.8 kA累计占比74.64%，对后续安装浪涌有一定的指导性作用[7-9]。从图5可以看出：该雷达站周围有来自各个方向的闪电，其中东北和北方雷电较多，南、东南以及西南方向较少。根据QX/2—2016（6.4节）要求：至少有1根接闪杆设置在雷暴过程的主要来向方向，因此，该雷达站需要在东北方向设置接闪杆。

3 雷达站的防雷系统综合方案

3.1 雷达站防雷等级的确定

由于雷达站预建于著名5A风景区天堂寨烽火台处，由于受到生态红线、林地环境保护等因素的限制，将雷达机房和雷达楼集成一体化。根据GB 50057—2010规范[10]要求，计算雷达楼的年预计雷击次数Ng。

N=kNgAe

Ae=[LW+2（L+W）×D+πD2]

（1）

式（1）中：k-校正系数，雷达楼位于孤立旷野，取2.0;

Ng-雷达楼所在地雷击大地的年平均密度[次/（km2·a）]，由六安闪电分析软件得出Ng=1.27 次/（km2·a）;

Ae-建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）;

L、W、H-建筑物的长、宽、高（m）。

将数据L、=20 m、W=20 m、H=90 m

带入公式（1），计算可知N=0.06次/（km2·a）。根据GB 50057—2010第3.0.3条规定，预计雷击次数大于0.05次/a的省、部级办公建筑和其他重要人员密集地的公共建筑，应划分为第二类防雷建筑物。计算结果大于0.05次/a，因此，该雷达楼应按照第二类防雷建筑设计。

3.2 雷达平台的直击雷保护

位于高山顶部的雷达站，宜根据当地山体情况及雷电活动规律，沿雷达站周边设置接闪杆或接闪线。依据QX/T 2—2016、GB 50057—2010规范要求设计雷达楼外部的防雷装置。做到安全可靠与经济合理相统一的原则，宜在雷达天线平台上安装3支等高接闪杆，接闪杆的保护范围应采用滚球法确定，保护范围的边界至雷达天线罩边沿及天线平台上其他设备的距离应不小于0.5 m，接闪杆顶部金属体的长度宜不大于1 m，金属体为圆铜或圆钢时，直径应不小于16 mm。雷达天线安装在雷达楼顶部的圆形平台上，平台直径为18 m，天线罩直径为13 m，计算得出等边三角形对角线间距为17.3 m，将h0=13 m，hr=45 m，D=17.3 m代入计算公式（2），得出地面处h=14.73 m，取15 m进行设计。

（2）

式（2）中：h0-保护范围的最低点;

hr-滚球半径;

D-三角形对角线间距;

h-接闪杆高度。

此外，处于雷达天线仰角0°以下部位的接闪杆应采用钢管，以上部位的支撑杆应使用高强度的玻璃钢管，钢管及玻璃钢管的壁厚及强度应能满足当地最大风速、最大覆冰厚度等气象条件的要求。

3.3 雷达站供电系统的雷电保护

本雷达站采用架空10 kV配电线路，在变压器前三基杆的10 kV架空线上方装设避雷线，架空线与电缆的转换处及變压器的高压侧应装设避雷器，进入雷达站变压器前的10 kV架空线转换为护套电缆穿金属管埋地引入，埋地长度宜不小于50 m，金属管应接地。

由于本雷达站的变配电室与机房共处同一建筑物时，应采用TN-S系统。根据本雷达站的使用特征和重要性，按照一等雷达站进行配电系统SPD的设置：在总配电柜内的相线、中性线分别对PE排安装I级试验的SPD。结合上述雷电参数分析得知，其平均雷电流幅值在50 kA左右，故In取100 kA、Up不大于2.5 kV;应分别在机房内的雷达设备配电盘、空调及照明配电盘安装Ⅱ级试验的SPD，其In取40 kA，Up不大于2.0 kV[11-13]。

3.4 雷达信息机房的雷电保护

本雷达机房设置在底部一楼，雷达设备距外墙、结构柱及梁的距离应大于1 m。其雷达站机房宜设置在建筑物的LPZ2区，机房使用金属板门和框，金属板门通过2条6 mm2软金属线与门框连接，机房外窗设置网孔200 mm×200 mm的金属网，金属门框、外窗的金属网就近与预留端子连接。在机房设置M型机构的等电位连接网络，沿机房地面周边设置等电位连接带，在地设置等电位连接网格，连接带与预留的等电位连接端子可靠连接，网格与等电位连接带可靠连接。雷达设备、电气设备的金属外壳、低压配电系统的保护地（PE）线、SPD的接地端、信号SPD的接地端、线缆金属屏蔽层、金属线槽以及防静电地板支架等均以最短的距离与等电位连接网络连接;波导管、伺服系统的线缆吊架就近与预留端子连接[14]。

4 结束语

一套科学、合理的雷达站防雷设计对于其防雷安全性至关重要，既能保障雷达数据的正常传输，又可以避免雷击损失。该项目建成后，将成为该区域唯一大功率雷达台站，可覆盖服务周边多个省（市），对预警大别山区灾害天气，开展气象防灾、减灾，助力革命老区、山区、库区脱贫及持续开展美丽乡村建设等具有重要支撑作用，同时也能够对大别山区调节水资源、保持水土、森林防火、防汛安全、航空气象保障、人工增雨、重点工程建设、城市发展和交通保障等提供及时有效的专项服务;后续还可依托该项目持续建设大别山区气象灾害预警中心、气象旅游中心、气象科普中心和人工影响天气基地。

参考文献

[1] 何桂霞，李来根，吴迎春，等.宣城市新一代S波段多普勒天气雷达防雷设计与施工[J].现代建筑电气，2019（10）：11-16.

[2] 欧林忠，孙录贵，陈伟.复杂周边环境下的新一代天气雷达防雷研究与设计[J].农业灾害与研究，2021（2）：61-63.

[3] 季少卫，翁继周.雷达防雷和接地系统设计[J].现代雷达，2015（6）：63-65.

[4] QX/T 2—2016 新一代天气雷达站防雷技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[5] 王锡中，冯民学，钟颖颖，等.2008～2009年江苏省闪电特征分析及应用研究[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2010，2（5）：445-450.

[6] 何晖，李宏宇.北京地区闪电特征初探[J].气象科技，2005，33（6）：496-500.

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[8] 冯桂力，陈文选，刘诗军，等.山东地区闪电的特征分析[J].应用气象学报， 2002，13（3）：347-355.

[9] GB 50057—2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[10] 孟昭显，管良，曹远，等.输电线路防雷接地设计的问题与改进措施[J].电子测试，2019（22）：85-86.

[11] 马倩，于春利.关于建筑电气防雷接地设计要点的探究[J].智能建筑与智慧城市，2017（10）：33-34.

[12] 于振国.电力配电网的防雷接地设计相关问题的分析[J].电子技术与软件工程，2020（24）：229-230.

[13] GB/T 21431—2015建筑物防雷检测技术规范[J].北京：中国建筑工业出版社， 2015.

[14] 肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础[M]北京：气象出版社，2011.

责任编辑：黄艳飞

Research and Application of New Generation Weather Radar about Lightning Environment in Dabie Mountain

SUN Zi-sheng et al（Lu’an Meteorological Bureau， Lu’an， Anhui 237000）

Abstract The new generation weather radar of Dabie Mountain will be built at the beacon tower of Tiantangzhai. With its high altitude and terrain， it is very vulnerable to lightning strike in thunderstorm season. Combining with the ADTD lightning monitoring data from 2006 to 2020 provided by Anhui meteorological bureau， this paper made statistics and analysis on the lightning environment. The radar building belonged to the second type of lightning protection building. Finally， the height of lightning rod of the radar station， the power supply system and the lightning protection facilities of the information room were designed to provide a certain reference for the subsequent construction of the radar building.

Key words Weather radar; Lightning env-ironment; Lightning characteristics; Integrated program