海洋觀測岸基雷達(dá)站雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

李猛

（天津市防雷技術(shù)中心有限責(zé)任公司 天津市 300074）

岸基雷達(dá)站是觀測表層海流、海浪和風(fēng)的重要手段，是海洋觀測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，但是岸基雷達(dá)站多建在沿海地區(qū)的曠野、高山等位置，極易受到雷擊。雷擊可導(dǎo)致探測設(shè)備局部故障甚至系統(tǒng)癱瘓，輕則影響海洋觀測資料的獲取，重則威脅到工作人員的生命安全，因此雷達(dá)站的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)更加科學(xué)有效。

目前《海洋觀測雷達(dá)站建設(shè)規(guī)范》對岸基雷達(dá)站的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)有明確的要求，但是規(guī)范中只是籠統(tǒng)的要求遵照《建筑物雷電防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》等雷電防護(hù)的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，給出的指導(dǎo)意見缺乏具體的可操作性。

同時(shí)，上述雷電防護(hù)技術(shù)規(guī)范是針對一般建（構(gòu)）筑物和信息系統(tǒng)，普適性較強(qiáng)。對于岸基雷達(dá)站來講如果機(jī)械的按照其中的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定，首先極易出現(xiàn)忽略保護(hù)重點(diǎn)或者過度保護(hù)的問題；其次，規(guī)范中的大部分設(shè)計(jì)所需參數(shù)是基于對“雷暴日”觀測資料進(jìn)行計(jì)算處理后選定的，由于“雷暴日”觀測方法本身所限，導(dǎo)致選定的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)不夠精確。本文嘗試?yán)眯滦烷W電監(jiān)測資料的研究成果以及岸基雷達(dá)站的雷電防護(hù)需求特點(diǎn)，對海洋觀測岸基雷達(dá)站雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

1 新型閃電監(jiān)測資料的研究成果

2013年以前，閃電資料主要以“雷暴日”的觀測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，但是“雷暴日”的觀測方法誤差較大，隨著新型閃電監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用，傳統(tǒng)的“雷暴日”觀測已經(jīng)被替代。近些年我國氣象部門著力于閃電觀測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在全國范圍內(nèi)大量布設(shè)大氣電場儀和閃電定位儀，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，再結(jié)合日趨成熟的閃電觀測資料處理方法，閃電觀測資料逐漸豐富，準(zhǔn)確性也不斷提高。雖然我國新型閃電資料的積累工作起步時(shí)間比較晚，但是經(jīng)過多年的積累，已經(jīng)可以作為研究的參考。

如今基于新型閃電觀測資料的研究層出不窮，尤其是通過閃電資料對各省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行區(qū)劃的研究，如宋喃喃等人對天津市各行政區(qū)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行區(qū)劃；崔遜等人對江蘇省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行探討；劉垚等人對杭州市進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和分析；劉三梅等人對廣東省雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行研究；卜俊偉對四川省雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行分析。以天津地區(qū)為例，天津東臨渤海，北接燕山山脈，沿海地區(qū)較內(nèi)陸地區(qū)大氣和云中含有大量的鈉離子，閃電孕育的條件較為苛刻，導(dǎo)致閃電次數(shù)偏低，但是閃電強(qiáng)度較大。北部山丘地區(qū)暖濕氣流易在迎風(fēng)坡造成氣旋性輻合，當(dāng)伴有足夠的動(dòng)力抬升，并加之地形的推動(dòng)，容易促成雷電的發(fā)生發(fā)展。根據(jù)天津閃電監(jiān)測資料分析了天津區(qū)域2008- 2012 年地閃密度區(qū)劃分布（如圖1），整體來講天津地區(qū)地閃密度自西北向東南方向逐漸減小，沿海地區(qū)密度最小，雷擊大地密度N約為1.5次/km·a。

圖1：2008-2012年天津地區(qū)地閃密度區(qū)域分布

2 岸基雷達(dá)站雷電防護(hù)設(shè)計(jì)探討

岸基雷達(dá)站防雷設(shè)計(jì)要達(dá)到較完善的效果在采取全面的防護(hù)措施同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合其所在地的閃電規(guī)律和使用特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。本文結(jié)合新型閃電資料，通過計(jì)算確定雷達(dá)站防雷類別、外部防雷裝置的最經(jīng)濟(jì)方案、電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級，對岸基雷達(dá)站的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行探討。

2.1 岸基雷達(dá)站防雷類別

（1）岸基雷達(dá)站防雷類別的確定，直接關(guān)系到外部雷電防護(hù)措施的選擇，所以在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中，首先要確定的是防雷類別。在已有的防雷技術(shù)規(guī)范中對岸基雷達(dá)站的防雷類別并沒有明確規(guī)定，可根據(jù)表1確定。

岸基雷達(dá)站及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算：

其中：

N—建筑物每年預(yù)計(jì)遭受雷擊次數(shù)（次/a）；

N—建筑物入戶設(shè)施每年預(yù)計(jì)遭受雷擊次數(shù)（次/a）；

（2）雷達(dá)站年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N計(jì)算：

其中：

K—校正系數(shù)，可根據(jù)表2進(jìn)行取值；

表2：校正系數(shù)K與建筑物所處位置關(guān)系表

N—建筑物所處地區(qū)雷擊大地密度（次/km·a）；（可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算）

A—建筑物遭相同雷擊次數(shù)的等效面積（km）。

（3）雷達(dá)站等效截收面積A計(jì)算：

當(dāng)雷達(dá)站高度小于100m時(shí)，等效面積A應(yīng)按照下列公式計(jì)算：

其中：L、W、H—分別為建筑物的長、寬、高（m）。

當(dāng)雷達(dá)站高度大于100m時(shí)，等效面積A應(yīng)按照下列公式計(jì)算：

其中：L、W、H—分別為雷達(dá)站的長、寬、高（m）。

（4）入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N（次/km）計(jì)算：

其中：

N—建筑物所處地區(qū)雷擊密度（次/km·a）；（可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算）

A'—電源線纜入戶設(shè)施的截收面積（km），按表3計(jì)算；

A'—信號線纜入戶設(shè)施的截收面積（km），按表3計(jì)算。

表3：A'e1、A'e2計(jì)算表

（5）以天津沿海地區(qū)為例

如在天津沿海地區(qū)空曠處建設(shè)某岸基雷達(dá)站，該雷達(dá)站長30m、寬20m、高60m，進(jìn)入雷達(dá)站的低壓、高壓電源線路均架空敷設(shè)，進(jìn)入雷達(dá)站信號線路使用無金屬鎧裝和金屬芯線的光纖電纜，所處地區(qū)雷擊密度N約為1.5次/km·a，土壤電阻率ρ約為10Ω·m，可根據(jù)上述公式（1）—公式（5）進(jìn)行計(jì)算該岸基雷達(dá)站防雷類別，具體計(jì)算如下：

岸基雷達(dá)站及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)：

N=N+N=3.858（次/a），根據(jù)表1可知，該岸基雷達(dá)站N>0.05次/a，所以該岸基雷達(dá)站的外部防雷措施包括接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)以及引下線的設(shè)計(jì)應(yīng)至少按照防雷技術(shù)規(guī)范中的第二類防雷建筑物進(jìn)行防護(hù)。

表1：岸基雷達(dá)站防雷類別與預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N對照表

2.2 外部防雷裝置的最經(jīng)濟(jì)方案

岸基雷達(dá)站的雷電防護(hù)措施主要包括外部和內(nèi)部兩部分，外部防雷措施是由接閃器、引下線和接地裝置組成，其主要作用是接收直接雷閃擊、分散雷電流強(qiáng)度和泄放雷電流。外部防雷裝置的安裝工藝、材質(zhì)規(guī)格的選擇直接影響直擊雷防護(hù)安全效果，也決定著成本的投入。在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮外部防雷裝置的保護(hù)需求，也要考慮經(jīng)濟(jì)成本支出，不能一味的追求過度保護(hù)，而造成經(jīng)濟(jì)成本的提高。我們以接閃器、引下線和接地裝置的主要構(gòu)件鋼筋為例，同長度的接閃帶或者引下線，鋼筋直徑越大，成本投入越高。本文結(jié)合岸基雷達(dá)站防雷類別通過計(jì)算確定泄放雷電流的鋼筋直徑最小值，為外部防雷裝置最經(jīng)濟(jì)方案提供指導(dǎo)。

當(dāng)雷電擊中岸基雷達(dá)站外部裝置后，在接閃、分流和泄流的過程中，由于閃電熱效應(yīng)，泄放雷電流的鋼筋溫度會(huì)產(chǎn)生變化。由于雷電流經(jīng)過分流后降至很小的數(shù)值，所以雷電流流過構(gòu)件內(nèi)鋼筋或圓鋼后，其最高溫度按80-100℃考慮?，F(xiàn)取最終溫度80℃作為計(jì)算值，鋼筋的起始溫度取40℃，因此，導(dǎo)體鋼筋的溫度升高考慮為40℃，這是一個(gè)很安全的數(shù)值。

根據(jù)以下公式計(jì)算鋼筋直徑：

(θ-θ)-導(dǎo)體鋼筋的溫度升高（K）；

表4：首次雷擊的雷電流參數(shù)

ρ-導(dǎo)體鋼筋在環(huán)境溫度下的電阻率（Ω·m），對導(dǎo)體鋼筋，取其值為138x10Ω·m；

q-導(dǎo)體鋼筋的截面積（m）；

γ-物質(zhì)的密度（kg/m），對軟鋼，其值為7700kg/m；

C-熱容量〔J/(kg·K)〕，對軟鋼，其值為469〔J/(kg·K)〕。

在計(jì)算鋼筋直徑的過程中，最重要的是要確定岸基雷達(dá)站的防雷類別，可按照2.1節(jié)提出的計(jì)算方法，結(jié)合當(dāng)?shù)亻W電資料，精確計(jì)算出防雷類別，并表4的雷電參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出使用鋼筋的最小截面積，從而進(jìn)一步計(jì)算所使用鋼筋的最小直徑，以達(dá)到在泄放雷電流的過程中不會(huì)因?yàn)闇囟壬仙鴮?dǎo)致構(gòu)件損壞，也能為外部防雷措施的經(jīng)濟(jì)成本提供一定參考。

（1）仍以上述天津沿海地區(qū)某岸基雷達(dá)站為例，計(jì)算該雷達(dá)站泄放雷電流鋼筋最小直徑：

2.3 岸基雷達(dá)站內(nèi)部系統(tǒng)雷電防護(hù)等級劃分

岸基雷達(dá)站的電子信息系統(tǒng)是重要工作系統(tǒng)，是雷電防護(hù)的重要部分，電子信息系統(tǒng)的防護(hù)等級的確定，能夠?yàn)閮?nèi)部防雷裝置的安裝工藝和選擇提供指導(dǎo)，本文結(jié)合當(dāng)?shù)亻W電資料，精確計(jì)算雷達(dá)站防雷攔截效率E，從而確定雷達(dá)站內(nèi)部系統(tǒng)雷電防護(hù)等級。岸基雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級應(yīng)按表5確定。

表5：岸基雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級與攔截效率對照表

（1）防雷裝置攔截效率可根據(jù)以下計(jì)算公式計(jì)算：

其中：

N—雷達(dá)站可接受的年平均最大雷擊次數(shù)（次/a）；

N—雷達(dá)站及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算（次/a），根據(jù)公式（1），結(jié)合當(dāng)?shù)亻W電資料進(jìn)行精確計(jì)算。

（2）雷達(dá)站可接受的年平均最大雷擊次數(shù)N計(jì)算：

其中：

C—為岸基雷達(dá)站建筑物材料結(jié)構(gòu)因子，可根據(jù)表6進(jìn)行取值；

表6：岸基雷達(dá)站材料結(jié)構(gòu)因子取值表

C—信息系統(tǒng)重要程度因子，岸基雷達(dá)站取值為2.5；

C—電子信息系統(tǒng)設(shè)備耐沖擊類型和抗沖擊過電壓因子，可根據(jù)表7進(jìn)行取值；

表7：岸基雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)設(shè)備耐沖擊類型和抗沖擊過電壓因子取值表

C—電子信息系統(tǒng)設(shè)備所在防雷分區(qū)因子，可根據(jù)表8進(jìn)行取值；

表8：岸基雷達(dá)站電子電子信息系統(tǒng)設(shè)備所在防雷分區(qū)因子取值表

C—電子信息系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故后果因子，可根據(jù)表9進(jìn)行取值；

表9：岸基雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故后果因子取值表

C—表示雷達(dá)站所在區(qū)域雷暴等級因子，可根據(jù)表10進(jìn)行取值；

表10：岸基雷達(dá)站區(qū)域雷暴等級因子取值表

（3）計(jì)算雷達(dá)站可接受的年平均最大雷擊次數(shù)N各因子取值表。

（4）仍以上述天津沿海地區(qū)某岸基雷達(dá)站為例，計(jì)算該雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級：

因氣象部門“雷暴日”觀測業(yè)務(wù)已取消，所以區(qū)域雷暴日我們可以根據(jù)所屬區(qū)域閃電密度計(jì)算獲得，即

注：岸基雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)一般在LPZ2等后續(xù)分區(qū)

T=10×N

該地區(qū)年平均雷暴日：T=10×N=15天，屬于少雷區(qū)。

其中C取1.0、C取2.5、C取3.0、C取0.5、C取1.0、C取0.8。

該雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)應(yīng)按A級進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是規(guī)范中建議雷達(dá)站電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級按照B級進(jìn)行防護(hù)，所以該岸基雷達(dá)站的電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級要高于防雷技術(shù)規(guī)范中建議的等級，才能達(dá)到電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級需求。

3 結(jié)論與討論

（1）目前我國氣象部門和電力部門都在進(jìn)行閃電數(shù)據(jù)的探測，雖然閃電資料積累年限較短，但是隨著探測技術(shù)的成熟和全國閃電探測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，相信在不久的將來全國閃電數(shù)據(jù)完美對接實(shí)現(xiàn)真正的閃電大數(shù)據(jù)，為海洋觀測岸基雷達(dá)站的選址和雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

（2）岸基雷達(dá)站雷電防護(hù)是一項(xiàng)綜合工程，要充分考慮到雷達(dá)站可能出現(xiàn)的雷電災(zāi)害，采取全面的防護(hù)措施，不僅要參照防雷技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，還應(yīng)結(jié)合所在區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和閃電資料進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)計(jì)算，從而使更明確的指導(dǎo)雷達(dá)站的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。

（3）本文結(jié)合天津沿海地區(qū)的閃電資料，虛擬計(jì)算了天津某沿海地區(qū)海洋觀測岸基雷達(dá)站防雷類別、外部防雷裝置最經(jīng)濟(jì)方案、電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級，對比防雷技術(shù)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定要求更具操作性，不僅能夠滿足該岸基雷達(dá)站的雷電防護(hù)需求，也能為外部防雷裝置的經(jīng)濟(jì)方案提供參考。