大別山新一代天氣雷達(dá)雷電環(huán)境的研究與應(yīng)用

孫自勝 岳國海 吳立波

摘要 大別山新一代天氣雷達(dá)將建于天堂寨烽火臺處，其海拔高、地勢空曠，在雷雨季節(jié)極易遭受雷電襲擊。結(jié)合安徽省氣象局提供的2006—2020年ADTD閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其周圍的雷電環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計和分析，計算出雷達(dá)樓屬于第二類防雷建筑。最后，針對雷達(dá)站的接閃桿高度、供電系統(tǒng)以及信息機(jī)房的防雷設(shè)施進(jìn)行設(shè)計，為后續(xù)雷達(dá)樓的施工建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 天氣雷達(dá);雷電環(huán)境;閃電特征;綜合方案

中圖分類號：S761.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）12–0079–03

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們對公共氣象服務(wù)的要求也越來越高。六安大別山氣象雷達(dá)站將建于大別山區(qū)六安天堂寨烽火臺（圖1），覆蓋鄂豫皖三省臨近區(qū)域，被列入國家發(fā)改委和中國氣象局氣象雷達(dá)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃（2017—2020年）新增站點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目預(yù)算投資4 000余萬元。

大別山地處北亞熱帶北緣，屬濕潤季風(fēng)氣候。雷達(dá)系統(tǒng)在夏季使用最頻繁，當(dāng)下正處于雷電高發(fā)時節(jié)，一套完善的防雷系統(tǒng)對雷達(dá)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。目前，國內(nèi)不少學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究。何桂霞等[1]根據(jù)雷達(dá)站所在地的氣象環(huán)境和地理因素設(shè)計了宣城新一代S波段多普勒雷達(dá)的防雷綜合措施。歐林忠等[2]通過對靈璧縣X波段雷達(dá)周邊環(huán)境的分析，提出了雷達(dá)防雷方法及應(yīng)對策略，重點(diǎn)討論雷電對鄰近建筑物及電力設(shè)施的影響。季少衛(wèi)等[3]針對數(shù)字電路和模擬電路采用的電源電壓越來越低、系統(tǒng)的抗干擾和防護(hù)等級越來越高的問題，進(jìn)行了較全面的分析，并從工程實(shí)際出發(fā)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計。中國氣象局雖然發(fā)布了《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》（QX/T 2—2016），設(shè)計圖紙根據(jù)規(guī)范進(jìn)行了相應(yīng)的防雷設(shè)計，但是，由于雷達(dá)站所處的氣候環(huán)和地理位置存在較大差異，直接影響了防雷綜合方案的設(shè)計[4]?；诶走_(dá)站所處大別山地區(qū)氣候多變、夏季雷電頻發(fā)等特點(diǎn)，利用安徽省氣象局提供的閃電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計和分析了雷達(dá)站周圍的雷電參數(shù)特征，為后續(xù)的雷電防護(hù)等級、綜合設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 雷達(dá)站周圍雷電環(huán)境分析

通過查找六安閃電分析數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析了地閃密度、閃電監(jiān)測、雷電流特征及雷電主次導(dǎo)方向4個閃電參數(shù)。圖2為以雷達(dá)站為中心，5 km為半徑內(nèi)的地閃密度分布，分析地閃密度為1.27次/（km2·a），可以改變僅依賴傳統(tǒng)雷暴日作為閃電密度的唯一指標(biāo)[5]。

從圖3可以看出：標(biāo)的物所在地半徑5 km范圍內(nèi)以負(fù)地閃為主，正地閃為輔。數(shù)據(jù)顯示，在半徑5 km范圍內(nèi)，平均年總閃電次數(shù)為2 287次，負(fù)地閃次數(shù)占總閃數(shù)的90%，正地閃只有10%左右，這與觀測的結(jié)果相一致[6]。

由圖4可以看出：該區(qū)運(yùn)雷電流幅值分布呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的趨勢，兩頭區(qū)間分別為：0～10 kA占比6.60%、大于100 kA占比5.82%;位于中間部分的雷電流幅值區(qū)間為：10.1～15.8 kA、15.8～50.8 kA占比分別為32.49%、42.15%。從雷電流幅值占比分布得知，幅值區(qū)間10.1～50.8 kA累計占比74.64%，對后續(xù)安裝浪涌有一定的指導(dǎo)性作用[7-9]。從圖5可以看出：該雷達(dá)站周圍有來自各個方向的閃電，其中東北和北方雷電較多，南、東南以及西南方向較少。根據(jù)QX/2—2016（6.4節(jié)）要求：至少有1根接閃桿設(shè)置在雷暴過程的主要來向方向，因此，該雷達(dá)站需要在東北方向設(shè)置接閃桿。

3 雷達(dá)站的防雷系統(tǒng)綜合方案

3.1 雷達(dá)站防雷等級的確定

由于雷達(dá)站預(yù)建于著名5A風(fēng)景區(qū)天堂寨烽火臺處，由于受到生態(tài)紅線、林地環(huán)境保護(hù)等因素的限制，將雷達(dá)機(jī)房和雷達(dá)樓集成一體化。根據(jù)GB 50057—2010規(guī)范[10]要求，計算雷達(dá)樓的年預(yù)計雷擊次數(shù)Ng。

N=kNgAe

Ae=[LW+2（L+W）×D+πD2]

（1）

式（1）中：k-校正系數(shù)，雷達(dá)樓位于孤立曠野，取2.0;

Ng-雷達(dá)樓所在地雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）]，由六安閃電分析軟件得出Ng=1.27 次/（km2·a）;

Ae-建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）;

L、W、H-建筑物的長、寬、高（m）。

將數(shù)據(jù)L、=20 m、W=20 m、H=90 m

帶入公式（1），計算可知N=0.06次/（km2·a）。根據(jù)GB 50057—2010第3.0.3條規(guī)定，預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.05次/a的省、部級辦公建筑和其他重要人員密集地的公共建筑，應(yīng)劃分為第二類防雷建筑物。計算結(jié)果大于0.05次/a，因此，該雷達(dá)樓應(yīng)按照第二類防雷建筑設(shè)計。

3.2 雷達(dá)平臺的直擊雷保護(hù)

位于高山頂部的雷達(dá)站，宜根據(jù)當(dāng)?shù)厣襟w情況及雷電活動規(guī)律，沿雷達(dá)站周邊設(shè)置接閃桿或接閃線。依據(jù)QX/T 2—2016、GB 50057—2010規(guī)范要求設(shè)計雷達(dá)樓外部的防雷裝置。做到安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理相統(tǒng)一的原則，宜在雷達(dá)天線平臺上安裝3支等高接閃桿，接閃桿的保護(hù)范圍應(yīng)采用滾球法確定，保護(hù)范圍的邊界至雷達(dá)天線罩邊沿及天線平臺上其他設(shè)備的距離應(yīng)不小于0.5 m，接閃桿頂部金屬體的長度宜不大于1 m，金屬體為圓銅或圓鋼時，直徑應(yīng)不小于16 mm。雷達(dá)天線安裝在雷達(dá)樓頂部的圓形平臺上，平臺直徑為18 m，天線罩直徑為13 m，計算得出等邊三角形對角線間距為17.3 m，將h0=13 m，hr=45 m，D=17.3 m代入計算公式（2），得出地面處h=14.73 m，取15 m進(jìn)行設(shè)計。

（2）

式（2）中：h0-保護(hù)范圍的最低點(diǎn);

hr-滾球半徑;

D-三角形對角線間距;

h-接閃桿高度。

此外，處于雷達(dá)天線仰角0°以下部位的接閃桿應(yīng)采用鋼管，以上部位的支撐桿應(yīng)使用高強(qiáng)度的玻璃鋼管，鋼管及玻璃鋼管的壁厚及強(qiáng)度應(yīng)能滿足當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速、最大覆冰厚度等氣象條件的要求。

3.3 雷達(dá)站供電系統(tǒng)的雷電保護(hù)

本雷達(dá)站采用架空10 kV配電線路，在變壓器前三基桿的10 kV架空線上方裝設(shè)避雷線，架空線與電纜的轉(zhuǎn)換處及變壓器的高壓側(cè)應(yīng)裝設(shè)避雷器，進(jìn)入雷達(dá)站變壓器前的10 kV架空線轉(zhuǎn)換為護(hù)套電纜穿金屬管埋地引入，埋地長度宜不小于50 m，金屬管應(yīng)接地。

由于本雷達(dá)站的變配電室與機(jī)房共處同一建筑物時，應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。根據(jù)本雷達(dá)站的使用特征和重要性，按照一等雷達(dá)站進(jìn)行配電系統(tǒng)SPD的設(shè)置：在總配電柜內(nèi)的相線、中性線分別對PE排安裝I級試驗(yàn)的SPD。結(jié)合上述雷電參數(shù)分析得知，其平均雷電流幅值在50 kA左右，故In取100 kA、Up不大于2.5 kV;應(yīng)分別在機(jī)房內(nèi)的雷達(dá)設(shè)備配電盤、空調(diào)及照明配電盤安裝Ⅱ級試驗(yàn)的SPD，其In取40 kA，Up不大于2.0 kV[11-13]。

3.4 雷達(dá)信息機(jī)房的雷電保護(hù)

本雷達(dá)機(jī)房設(shè)置在底部一樓，雷達(dá)設(shè)備距外墻、結(jié)構(gòu)柱及梁的距離應(yīng)大于1 m。其雷達(dá)站機(jī)房宜設(shè)置在建筑物的LPZ2區(qū)，機(jī)房使用金屬板門和框，金屬板門通過2條6 mm2軟金屬線與門框連接，機(jī)房外窗設(shè)置網(wǎng)孔200 mm×200 mm的金屬網(wǎng)，金屬門框、外窗的金屬網(wǎng)就近與預(yù)留端子連接。在機(jī)房設(shè)置M型機(jī)構(gòu)的等電位連接網(wǎng)絡(luò)，沿機(jī)房地面周邊設(shè)置等電位連接帶，在地設(shè)置等電位連接網(wǎng)格，連接帶與預(yù)留的等電位連接端子可靠連接，網(wǎng)格與等電位連接帶可靠連接。雷達(dá)設(shè)備、電氣設(shè)備的金屬外殼、低壓配電系統(tǒng)的保護(hù)地（PE）線、SPD的接地端、信號SPD的接地端、線纜金屬屏蔽層、金屬線槽以及防靜電地板支架等均以最短的距離與等電位連接網(wǎng)絡(luò)連接;波導(dǎo)管、伺服系統(tǒng)的線纜吊架就近與預(yù)留端子連接[14]。

4 結(jié)束語

一套科學(xué)、合理的雷達(dá)站防雷設(shè)計對于其防雷安全性至關(guān)重要，既能保障雷達(dá)數(shù)據(jù)的正常傳輸，又可以避免雷擊損失。該項(xiàng)目建成后，將成為該區(qū)域唯一大功率雷達(dá)臺站，可覆蓋服務(wù)周邊多個?。ㄊ校?，對預(yù)警大別山區(qū)災(zāi)害天氣，開展氣象防災(zāi)、減災(zāi)，助力革命老區(qū)、山區(qū)、庫區(qū)脫貧及持續(xù)開展美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等具有重要支撐作用，同時也能夠?qū)Υ髣e山區(qū)調(diào)節(jié)水資源、保持水土、森林防火、防汛安全、航空氣象保障、人工增雨、重點(diǎn)工程建設(shè)、城市發(fā)展和交通保障等提供及時有效的專項(xiàng)服務(wù);后續(xù)還可依托該項(xiàng)目持續(xù)建設(shè)大別山區(qū)氣象災(zāi)害預(yù)警中心、氣象旅游中心、氣象科普中心和人工影響天氣基地。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

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