1、 南 京 气 象 学 院毕 业 论 文 系 别 电子工程系 专 业 防雷专业 姓 名 刘 春 学 号 200405207 论文题目 雷达站的综合防雷 指导教师 梅 卫 群 二 O O 四 年 六 月雷达站的综合防雷摘要：本文介绍的是雷电的危害，雷电损坏设备的入侵渠道以及基本的防护方法。雷达站系统综合防雷设计关键词：雷达站，防雷技术一、前言：1.1 雷电探测技术在军事、科技领域的应用越来越广泛，它已经成为国防建设和国民经济建设手段。随着超大规模集成电路在雷达中的大量应用，雷达信息资料处理自动化程度的不断提高，使雷达的性能日益完善。但是，由于微电子技术的应用，以及为减少遮蔽角而把雷达架设在平原地区
2、的高大建筑物顶部或高山的原因，使得雷达设备的抗扰性能不能满足抑制或抵抗雷达设备所处环境中的自然电磁骚扰的需要，往往导致雷达设备性能下降甚至损坏。1.2 雷达设备所处环境的自然骚扰源主要是雷电。据报道，美国装备了一百多部先进的 88D 多普勒雷达，但几年来的使用表明，影响 88D 雷达安全运行的最主要因素是雷电。同样，我国军事，科技等领域使用的雷达，遭受雷电损坏的情况也比较严重。为此，我国气象防雷减灾机构组织力量对雷达站的防雷问题进行了长时间的研究。二、防护的原则：2.1 雷达站建筑物的外部防雷设计应按照 GB50057-94 第二类防雷建筑物的要求进行设计2.2 雷达站内部防雷设计应采用等电位
3、连接、屏蔽、隔离、合理布线、电涌保护和共用接地系统等现代雷电防护措施进行综合防雷。2.3 防雷装置应符合国务院主管机构规定的使用要求。三、天线的雷电防护：3.1 天线的直击雷防护图一 天线罩安装示意图雷达天线被安装在具有小遮蔽角的高大建筑物上，以 88D 雷达天线罩的直接雷防护为例。88D 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,.天线罩安装如图一（a ）所示，方形支撑铁架尺寸如图一（b）所示。天线罩安装在铁架上，如图一（c）所示 ，以下各图的长度单位均为 m.3.2 设计参数为:3.2.1 雷达站的防雷保护按第二类防雷建筑物设计，则滚球法半径 hr=4
4、5m；3.2.2 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。3.2.3 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采用的是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，其俯视图见图二。图二 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 =12.63m2EFhr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。
5、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：2APOh=hr-OP+1+13.24=45- +14.24=15.15m2945如图三所示：图三 针高计算有时会受到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=(4101010000)/(23)=6.67GS则磁场强度 H1=6.6779.6=531A/m, B0=2.22GS
6、如果要求在罩边缘处 B1=2.4Gs 即 H1=191A/m则 Sa=I/(2H)=10000(2191)=8.33m此时，B 0=1.4GS 见图四：图四：磁感应强度3.3 避雷针材料选择：顶端的接闪器采用 20 的不锈钢加工而成，已减少日后维护的工作量，长度一般为1m。支撑竖杆采用高强度玻璃管代替金属杆，已减少雷达回波损耗，并用螺栓分别与上下导体相连，其内使用截面积不少于 50mm的多股铜线实现顶端接闪器与避雷针引下线的电气连接。在楼顶天面沿女儿墙应敷设避雷带（材料为 10 以上的镀锌原钢或 L404 镀锌扁钢） 。避雷带架高一般是 1015cm，长度每隔 1m 应固定一次。在大楼天面女儿
7、墙上应每隔 18m 从结构柱主钢筋上预留长 200mm 的钢筋头，将水平避雷带或金属栏杆与之焊接。天线罩的机座导电部分应与屋面的避雷带钢筋相连，在天面安装微波天线，通信天线，以及较大的金属物体应良好的接地。3.4 直击雷防护引下线的设计要求应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，下部与基础地网靠的主钢筋焊接。3.5
8、雷电侧击的防护高层塔楼从距地面 45m 每隔 6m 在结构圈梁内的主钢筋应焊接连通并与防雷引下线焊接成一整体，外墙上的栏杆，金属门窗等较大的金属物体应焊接接地，以防侧击雷。铝合金门窗处应做预留接地端子，以做接地之用，各层玻璃幕墙的金属支架应电气连接接地。3.6 屏蔽3.6.1 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：外部屏蔽措施，线路埋地引入并敷设与合理的路径，内部线路屏蔽，内部线路应穿金属槽，管屏蔽或使用带屏蔽层的缆线，这些措施应联合使用。其屏蔽层至少在两端和防护区交界处做等电位连接。3.6.2 为改进电磁环境，所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属部件都应等电位连接，并与接地
9、装置相连。3.6.3 信息系统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。3.6.4 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传经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
10、次等电位连接后进入机房，在建筑物设计，施工时应预留穿管用的孔洞。3.6.5 雷达机房和控制室的外墙的钢筋宜适当加密，钢筋网孔直径不宜大于20mm20mm；雷达机房和控制室应使用金属板门窗，窗上应加设网孔不大于20mm20mm 的金属网。金属门和网与建筑物内的主钢筋应做可靠的电气连接。3.6.6 雷达机房和控制室内的设备距外墙及梁柱的距离一般不应小于 1000mm。3.7 等电位连接3.7.1 机房内设备的等电位连接如图五所示当采用 S 型等电位连接网络时,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,通常S 型等电位连接网络用于相对较小,限定在局部的系统,其
11、所有服务性设施和电缆仅在一点进入该信息系统.本网络因仅通过唯一的一 图五 等电位连接点(即 ERP)结合到共用接地系统当中去。在此情况下。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,已避免产生感应环路。由于采用唯一的一点进行等电位连接,故不会有与闪电有关联的低频电流进入信息系统,而信息系统内的低频干扰源也不会产生大地电流。做等电位连接的这唯一的点也是接浪涌保护器以限制传导来的过电压的理想的连接点, 如果采用的 M 型等电位连接网络 ,则该信息系统的各金属组件不应与接地系统的各金属组件绝缘,M 型等电位连接网络应通过多点结合到接地系统中去 ,通常,本网络用于延伸较大和开环的系
12、统。而且在设备之间敷设许多线路和电缆,服务性设施和电缆在几个点进入该信息系统。本网络用于各种高频均能得到一个低阻抗网络。此外,本网络的多重短路环对磁场将起到衰减环路的作用,从而在信息系统的邻近区域内减弱初始磁场。3.7.2 进入建筑物内金属导体的等电位连接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,因此在该雷达站建筑物的首层,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，如图六图六 汇流排3.7.3 屋面雷达天线、大金属物体的等电位连接在雷达站天面通常设有微波天线,通信铁塔,UHF 通信天线等 .等电位的的连接如图七：图七 屋面的等电位连接3.8 共用接地技术：3
13、.8.1 宜用建筑物的基础钢筋地网为共用接地系统。如建筑物没有达到基础钢筋地网或达不到要求时，宜在建筑物四周埋设人工垂直接地体和水平环形接地体，接地体的冲击电阻一般不应大于 4 欧。3.8.2 应利用建筑物的基础钢筋作为自然接地体，重要的电子的接地电阻在当地土壤电阻率小于 1000m 时，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 4040 的镀锌扁钢或大于等于12 镀锌圆钢与建筑物基础钢筋焊接，此时共用接地电阻可适当放宽。图八 雷达站进行等电位连接和接地示意图3.8.3 埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢，钢管，圆钢或接地模块，埋于
14、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 L40404，钢管壁厚不应小于3.5mm,人工垂直接地体的长度宜为 22.5m.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。当受到环境条件限制时可适当减少。人工接地在土壤中的深度不应小于 0.5m,接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响土壤电阻率升高的地方。雷达站进行等电位连接和接地如图八所示。3.9 综合布线为了防止遭到雷击时产生的雷电脉冲耦合到线缆中，传输到电子设备内而毁坏设备，在布线时应采用合理的布线原则
15、，不同的线缆间应有一个安全的距离。3.10 雷达站浪涌保护器 SPD 的选择与安装：如图九所示图九 雷达站浪涌保护器 SPD 的选择与安装3.10.1 在低压配电线路中，当变电所与雷达站合一时，必须采用 TN-S 系统，当分设两处时，宜采用 TN-C-S 接地系统。在不同的供电系统中 SPD 安装的数量类型不同。在不同等级的雷达站安装的保护级数也不同。3.10.2，选择的原则：不同等级的雷达站 SPD 参数选择应有所不同，如果是架空电源线路进入雷达塔楼的 SPD1 宜选择 I 级分类试验用冲击电流通过幅值电流 4010KA（10/350 s 波形）的开关型 SPD，也可选择 100-60kA(
16、8/20s 波形)的限压型 SPD；SPD2 宜选用6020KA（8/20s 波形）的限压型 SPD；SPD3 宜选用 2010KA（8/20 s 波形）的限压型 SPD；SPD4 为精细保护，主要是在强雷暴区需要对微电子设备或系统进行精保护时才安装，一般宜选用 105KA（8/20s 波形）的限压型 SPD。各级 SPD 的标称导称电压 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
17、老化作成短路。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。3.11 其他附属装置防护3.11.1 雷达天线顶部的航空障碍灯应使用屏蔽电缆供电，屏蔽层两端应做等电位连接，供电线路上应安装 SPD。3.11.2 雷达站建筑物外部安装的装饰用射灯，墙角灯，轮廓灯，彩灯等的电缆应均穿金属管屏蔽，两端应做等电位连接接地，并应安装 SPD 进行防护。3.11.3 雷达站顶的旗杆，标志牌，广告牌等金属物体进行等电位连接并可靠接地。4 参考文献1 新一带天气雷达气站防雷技术规范QX2-20002.建筑物防雷设计规范GB50057-19945 结束语目前我国的防雷水平还不是很高，这就要求我们在防雷工作的严格要求自己，在进行雷电防护和设计时，应根据雷达站的特点，进行全面规划，综合防治，优化设计，多重保护，技术先进，经济合理，定期检测，随机维护的原则进行综合设计，施工及维护。
