X波段双偏振相控阵天气雷达的防雷技术要点

李和捷，彭彪，蔡君，庞军，刘庆裕，徐启腾

（广州市气象公共服务中心，广东广州 511430）

新一代多普勒天气（CINRAD/SA）雷达在台风、暴雨、强对流等灾害性天气监测预警中发挥了重要作用，但随着探测距离增加，波束中心高度和波束宽度也随之增加，使得雷达在较远距离处的探测能力下降，加上地球曲率的影响，导致在低空区域特别是1 000 m以下的空域探测和预警存在很大的盲区。而中小尺度强对流天气系统，具有局地性、突发性、实时性强等特点且经常发生于低海拔区域，新一代天气雷达由于其在低空领域的局限性，无法满足对致灾性极强的中小尺度天气系统在低空频发区域的精细化监控和预警。另外新一代天气雷达完成一次体扫描需要6 min左右，而冰雹、龙卷、下击暴流、局地大风等小尺度天气系统从发生到发展一般持续只有约30 min左右，无法对此类生消变化迅速的中小尺度天气系统的有效精细监测预警。X波段双偏振相控阵天气雷达利用先进的相控阵技术实现快速的电子扫描功能，不但减少了天线快速转动时带来的波束形状发生变化以及指向不准确问题，而且提升了体扫时间分辨率，能够大幅度增加对生消变化迅速且极易造成重大灾害的强对流天气系统体扫的更新率，即更高的时间分辨率，并可利用偏振功能对粒子相态进行准确识别，从而为监测中小尺度灾害性天气提供精细化程度更高的观测手段［1-3］。为了加强对致灾性极强的中小尺度天气系统的监测预警，更好服务广州市特大中心城市建设，广州市气象局规划建设了X波段双偏振相控阵天气雷网［4］，目前已建成广州番禺观测场、佛山南海农气站、花都观测场、白云帽峰山顶、南沙黄山鲁山顶等5部雷达，据悉，深圳、珠海、佛山等地也拟布设该类型雷达。为更好服务该类型雷达建设，减低雷电灾害，本研究提出一些防雷技术要点，供同行参考。

1 接闪保护

根据X波段双偏振相控阵天气雷达小型化特点，雷达主机和天线直接置于塔顶，为尽可能确保雷达天线和主机不遭受直接雷击，应采用接闪杆加以保护，同时要最大限度避免接闪杆对雷达信号的遮挡。采用等高双针是其中有效接闪保护方式之一，可以不受金属塔下地形的限制，但对雷达信号存在2个方向的遮挡。如采用单针接闪保护方式，可以有效避免一个方向的信号遮挡，但有很大局限性，受到金属塔下地形和植被的限制，接闪杆的保护范围随地形和植被的起伏而变化，有可能达不到设计效果。为有效解决单针接闪保护范围受限的问题，设法将滚球平面提升至雷达主机安装的塔顶平面是简便有效方法之一。以四角方形铁塔为例，可在除单针安装外的其它3个角各水平安装3支接闪杆，即可将滚球平面提升至塔顶平面。对于六角铁塔、八角铁塔和圆形铁塔，均可在单针的情况下，通过水平安装2～3支接闪杆，将滚球平面提升至塔顶平面，见图1。

图1 塔顶接闪平面示意图

为最大限度减低接闪杆对雷达信号的遮挡，接闪杆在满足风压要求的情况下直径尽可能小，建议采用不小于ф16不锈钢圆钢或圆铜，长度1～2 m为宜，接闪杆以高强度中空玻璃钢为支架［5］，引下线从玻璃钢支架中空引下，建议采用截面积为50 mm2的带绝缘层的单股或多股铜线，套PVC管沿铁塔角位以最短路径敷设至最远处的环接地装置。

2 防雷接地

为最大限度减低雷电流分流过程导致的地电位抬升对雷达的反冲影响，可充分利用雷电流趋肤效应，采用与塔身绝缘的引下线将雷电流分流至互不相连的双环形接地装置外圈环形接地网上的雷电流分流法。双环形闭合接地装置加与塔身绝缘引下线分流雷电流法，已被郭在华等［6］、颜旭等［7］在野外雷电试验结果中所验证。

双环形闭合接地装置与塔身绝缘引下线分流雷电流法具体如图2所示。围绕铁塔基础设置互不相连的双环形闭合接地装置，内外两闭合环形接地装置间隔不小于20 m，内闭合环形接地装置距离铁塔基础5 m左右，充分利用铁塔基础内结构钢筋构成塔身环形闭合接地装置，该接地装置与内闭合环形接地装置充分等电位连接，保证至少4个方向的等电位连接。塔顶接闪杆引下线套PVC管沿塔身绝缘对称敷设引下，保持绝缘埋地敷设至外闭合环形接地装置上，并在引下点处设置垂直接地极，引下点宜在外闭合环形接地装置上均匀分布。

图2 双环形闭合接地装置示意图

受条件限制时，可采用单闭合环形接地装置，具体做法如下：围绕铁塔基础设置单环形闭合接地装置，单闭合环形接地装置距离铁塔基础5 m左右，充分利用铁塔基础内结构钢筋构成塔身环形闭合接地装置，该接地装置与单闭合环形接地装置充分等电位连接，保证至少4个方向的等电位连接。塔顶接闪杆引下线套PVC管沿塔身绝缘对称敷设引下，保持绝缘埋地敷设至外闭合环形接地装置上，并在引下点处设置垂直接地极，引下点宜在外闭合环形接地装置上均匀分布。

3 电源系统防雷保护

雷达采用220 V低压交流电源作为供电方式，为保障雷达及其辅助设施在断电情况时能够连续工作，一般采用在线式UPS电源供电。通常，于塔底设置总配电箱，电源就近引自建筑物（站、场）低压配电柜（箱），供UPS电源、空调等设备设施使用；于塔顶设置分配电箱，电源来自塔底UPS电源，供雷达等设施使用。

为防止雷电电磁脉冲在电源线路上感应引起电涌危害，应采取屏蔽、等电位连接、合理布线、安装电涌保护器等措施。屏蔽措施可采用屏蔽电缆或对非屏蔽电源线路采取屏蔽措施，考虑电缆的暴露度和降低施工难度，无论是总配电箱前端电缆，还是分配电箱前端电缆，均建议采用铠装电缆。等电位连接措施方面，总配电箱前端电缆可敷设在专设电缆沟内或套PVC管直接埋地敷设，铠装层两端与配电柜（箱）作等电位连接并良好接地；总配电箱和分配电箱间电缆沿塔身配线槽敷设，电缆铠装层两端分别与总配电箱和分配电箱作等电位连接。合理布线方面，强、弱电线路分开金属线槽敷设，以避免低频干扰；金属线槽设置在尽可能靠近铁塔中心部位处，以减低引下线周围电磁脉冲在线路上感应引起的电涌危害。安装电涌保护器方面，总配电箱电源就近引自建筑物（站、场）低压配电柜（箱），建议安装一级试验的电涌保护器，冲击电流值不小于12.5 kA，电压保护水平不大于2.5 kV，分配电箱内安装2级试验的电涌保护器，标称放电电流值不小于 5 kA［8］。

自塔顶分配电箱至雷达主机的电缆为雷达专用接口电缆，带有屏蔽层，宜敷设在金属线槽内或穿金属管敷设，金属线槽或金属管保持电气连续性，两端分别与分配电箱和主机金属外壳作等电位连接。

信号传输全程采用光纤，光端设备均置于金属箱体内，需将光端设备可靠接地，将光纤金属加强芯、金属挡潮层等两端做好等电位连接或作绝缘接头，则可将雷电电磁脉冲的危害降低至最小。

4 结论

1）竖向单针结合横向多针的接闪方法，可将滚球平面提升至塔顶平面，既解决了单针保护范围受限的问题，又避免了双针接闪杆对雷达信号的遮挡。

2）利用雷电流趋肤效应，双环形闭合接地装置加与塔身绝缘引下线分流雷电流法，可一定程度避免塔身分流导致的地电位反击。

3）电源系统是易受雷电电磁脉冲影响薄弱环节，应综合采用屏蔽、等电位连接、安装电涌保护器等措施加强防护。

现阶段，我国X波段双偏振相控阵天气雷达的建设刚刚起步，随着雷达组网观测的进行，其对中小尺度天气系统的监测预警作用的显现，建设规模会不断扩大。其防雷设计、施工、检测、验收等均只能参考《新一代天气雷达站防雷技术规范》（QX/T 2-2016），适用程度存在偏差，故出台针对性行业标准迫在眉睫。