海岛高山天气雷达地网的设计_钟雨珊.pdf

44卷气象研究与应用引言雷达系统的接地是保障雷达整机可靠、稳定工作，消除电磁干扰的主要措施之一12。一般要求接地电阻值43。对于在高山等高土壤电阻率地区建设的雷达，其地网建设往往需要很大的经费投入和存在一次设计无法满足要求的情况。对于高土壤电阻率地区地网的建设，已经有不少的研究成果。赵显泽4研究给出高土壤电阻率山地风电场的降阻措施为敷设外引接地体、深埋式接地体、置换电阻率较低的介质、采用防腐离子接地极和互联接地；白永胜5在高山地区变电站接地网的设计中，采用防腐离子接地体和铜带接地网以及换土、回填降阻剂的方法解决地网设计问题；钟山等6基于CDEGS建模研究换土、深井接地极、外引接地体、离子接地极的降阻率及其应用条件。这些研究成果给出各种接地降阻措施，但技术经济性存在商榷的地方。阴晓龙7采用深井式接地体为主，结合降阻剂、离子接地极、外引接地极措施，解决鲁南高铁东段东邢家庄牵引变电所地网的降阻问题；邢玥等8在集通铁路线的好鲁库牵引变电所地网降阻采用深井接地，接地体深入地下水层的方法；郭振兴9利用增设水下接地网、外引深井接地体的方法解决泸定水电站枢纽接地网降阻问题；陈海宏等10在浙江平阳35KV山门变电站接地改造工程；朱敏捷等11在浙江220KV楠江变电站的接地改造工程，张辰等12在广西和宁波某110KV变电站接地网改造工程，均采用电解离子接地系统。出现这些地网改造工程，很大可能的原因是在地网第一次设计时没有很好进行接地网的理论计算，或者理论计算时所获取和选取的相关参数与实际相差太大。本文基于广东上川岛天气雷达建设项目的地网工程，研究得出一种海岛高山天气雷达地网设计方法。该雷达项目是中国气象局、广东省政府合作确定的广东平安海洋气象保障工程重点项目。建设内容包括雷达系统主机设备及附属设备，风雨场校验系统，雷达塔楼、值班用房，雷达信息接收处理中心及台站配套基础设施，配套道路、供水、供电、通信、防雷及绿化等基础设施。收稿日期：2022-10-05基金项目：江门市气象局科学技术研究项目（202213）作者简介：钟雨珊（1979），女，工程师，主要从事防雷工程服务。Email：791756285qqcom*通讯作者：陈景荣（1970），男，高级工程师，主要从事防雷工程服务。Email：13602732442139com海岛高山天气雷达地网的设计钟雨珊1，陈景荣2*，吴剑斌3，张桥容4（1江门市气象局，广东 江门529000；2广东省气候中心，广州510641；3江门市气象服务中心，广东 江门529000；4广东省五华县气象局，广东 五华514400）摘要：基于广东上川岛天气雷达建设项目的地网工程，总结海岛高山天气雷达地网一种设计方法。通过在计算雷达塔楼基础接地电阻的基础上确定需要增加附加地网的阻值，所需增加地网通过计算比对采用常规的角钢和扁钢接地体设计方案、深井钢管垂直接地体主导的设计方案和深井接地离子棒垂直接地体为主导的设计方案，得出采用以深井离子接地棒作为垂直接地体占主导的地网设计；按照所确定的方案实施后实测接地电阻满足设计要求。关键词：雷达；地网；防雷；接地设计；深井接地极中图分类号：TN959.4文献标识码：Adoi：10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.2.21钟雨珊，陈景荣，吴剑斌，等海岛高山天气雷达地网的设计J气象研究与应用，2023，44（2）：120124Zhong Yushan，Chen Jingrong，Wu Jianbin，et al.Design of Island High Mountain Weather Radar Ground NetworkJ Journal ofMeteorological Research and Application，2023，44（2）：120124第44卷第2期气象研究与应用Vol.44 No.22023年6月JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATIONJun.20231202期1资料来源1.1地勘情况雷达地网工程是雷达建设项目的重要组成部分，由于雷达项目建设地为通过削平山顶所得，平台面积小、土壤电阻率高且四周陡峭，为使地网满足雷达设备的要求，基于建设用地实际情况对地网设计深入研究成为项目建设的需求，同时研究的成果可供类似环境条件下设备接地的设计作为参考。根据建设单位提供的地质勘探报告显示，场地地貌单元属丘陵地带，场地位于海岛山顶，面积较小且四周陡峭，场地内只有燕山期（）基岩一大类，场地基底岩石为燕山期侵入岩，岩性为花岗岩，属硬质岩，呈中粗粒花岗结构，块状构造。在场地内共完成6个勘探钻孔，孔深均为20m，在揭露深度范围内，按其风化程度可划分为强风化、中风化2个岩带。（1）强风化岩带（层号11）ZK3孔被中风化 岩相间成2层，顶面高程3353234050m，直接分布于地表，层厚或揭露厚度5901010m，平均783m。呈褐黄色，岩芯呈土夹岩块状、碎块状，局部短柱状，遇水易软化，局部存在中风化岩块，ZK1孔顶部040m为坡积土。（2）中风化岩带（层号12）中风化岩带均有揭露，顶面高程3272233350m，顶面埋深5901010m，揭露厚度5001410m，平均1087m。呈褐黄、褐灰色，岩体较破碎较完整，岩芯呈不完整短柱状柱状，局部块状，岩质较硬，节理裂隙发育，局部存在强风化岩软夹层及微风化岩硬夹层。1.2土壤电阻率为准确获取地网设计需要的土壤电阻率，在山顶平台平整后（大约削去5m），现场实测的土壤电阻率如表1所示。2地网设计2.1计算方法根据由建设单位提供的雷达建设场地地质勘探报告、雷达塔楼基础结构设计图和建设用地红线图、现场实测的土壤电阻率数据等进行地网设计研究。211雷达塔楼基础接地电阻的计算垂直圆柱形钢筋混凝土接地体的接地电阻（在均质土壤中的接地电阻）计算公式表示为R=12l（1K1ln4ld+-1K2ln4ld1）（1）式（1）中，（单位：m）为土壤电阻率；1（单位：m）为混凝土的电阻率；d（单位：m）为接地体（圆柱形混凝土体内钢筋体）的直径；d1（单位：m）为圆柱形混凝土体的直径；l（单位：m）为接地体（钢筋体或圆柱形钢筋混凝土体）埋设在地面下的长度；K1和K2为接地体和混凝土体计算系数，参考苏邦礼等编著雷电与避雷工程表47。利用公式（1）计算单一独立钢筋混凝土基础接地体的接地电阻，土壤电阻率取实际测试值的平均值，季节系数取11得出为101357m；混凝土的电阻率取苏邦礼等编著 雷电与避雷工程 表41埋在潮湿土壤中的平均值150m；混凝土体的等效直径为057m（基础深度内长宽均取05m）；混凝土体内钢筋体的等效直径为047m（钢筋保护层均取40mm）；钢筋混凝土体埋设在地面下的长度为20m；参考苏邦礼等编著雷电与避雷工程表47，K1、K2均为1。代入以上数据，计算（估算）得出1基独立钢筋混凝土基础接地体的接地电阻为21596，数量为25基（A型和B型总和），考虑基础相互之间的距离和基础的埋深、基础的数量，利用系数取05，得出独立基础并连后总的接地电阻约为1728。212圆形钢筋混凝土接地体的接地电阻计算R=12llnd1d+2l（lnl2d1h+A)（2）式（2）中：h（单位：m）为接地体（钢筋体或圆柱形钢筋混凝土体）的埋深；l（单位：m）为接地体的长度（接地体成闭合矩形时为周长）；A为闭合矩形接地体的形状系数，参考苏邦礼等编著雷电与避雷工程表48。根据实际情况，基础梁标高为015m（埋深h为序号 间距/m 土壤电阻率/Om 1 1 733 2 2 990 3 3 1081 4 4 1050 5 5 936 6 6 854 7 7 806 表1土壤电阻率实测值（测试时间2021-11-12）钟雨珊，陈景荣，吴剑斌，等：海岛高山天气雷达地网的设计12144卷气象研究与应用015m）；基础梁（宽高）为300700mm，算得总长度1约为310m；形状系数A为169；为101357m；1为150m；计算d1为052m（等效直径）；d为039m（钢筋保护层为50mm）。代入公式（2）计算得基础梁接地电阻为821。213雷达基础地网电阻计算将独立基础总接地电阻的计算结果1728与基础梁接地电阻的计算结果821并联，利用系数取05，得出雷达塔楼基础的接地电阻约为1113。214需要增加附加地网电阻计算设计要求接地电阻为4，根据地网并网的计算公式，以及两地网的相互位置及规模，地网利用系数取085，则需要增加的附加地网接地电阻为490。2.2常规设计方案可行性判断根据实际雷达站征地红线图，四周长度分别约为80m、53m、80m和40m。估算采用常规设计方案，采用404热镀锌扁钢作为水平接地体和505热镀锌角钢作为垂直接地体，水平接地体网格为55m，垂直接地极单根长25m。根据水平接地体占主导的复合式接地网接地电阻估算公式为R=122S（3）式（3）中，为土壤电阻率，S为地网面积。雷达站的占地红线面积约为3720m2，土壤电阻率取实测平均值92143m，季节系数取11，如接地电阻R为490，则需要的地网占地面积为1074125m2，现有红线范围面积无法满足要求。2.3附加地网设计由于雷达建设平台采取削平山顶所形成，周围很陡峭，且周围均为山体无低电阻率区域，不具备外引接地体措施条件，大面积换土由于土建地基建设不允许，以及地处海岛和山顶所造成的高成本，因此考虑深井接地极和施放降阻剂的降阻措施。统筹考虑地网占地面积、垂直接地体的利用系数、高土壤电阻率、岩石土质等，采取深井间距为深井接地极长度2倍左右原则进行布设，地网以深井垂直接地极为主导的设计。231采用深井钢管接地极主导的地网设计（1）单一垂直接地体的电阻（ld）Rc=2lln4ld（4）式中：为土壤电阻率，m；l接地体的长度，m；d接地体的直径或等效直径，m。（2）几个并联的相同垂直接地体的接地电阻Rnc=Rcnc（5）式中：c垂直接地体的利用系数；n垂直接地体的数量。（3）水平接地体的接地电阻Rp=2l（lnl2hd+A）（6）式中：土壤电阻率，m；l接地体的长度，m；h水平接地体埋深，m；d接地体的直径或等效直径，m；A水平接地体的形状系数。（4）水平接地网与垂直接地网并联的电阻R=RncRpRnc+Rp1（7）式中：地网并联的利用系数。利用以上接地电阻计算公式，从地网的技术经济考虑，深井接地极沿平台四周建设红线内布设1314，保持相邻深井接地极之间的间距为其长度的2倍左右，这样可以得到采用不同长度接地极时对应的接地极数量，见表2。接地极采用直径为60mm热镀锌钢管，水平接地体采用404mm热镀锌扁钢，土壤电阻率取实测平均值92143m，季节系数取11，垂直接地体的利用系数取075，水平接地体的形状系数取169，总长度为305m（不同的方案比对时水平接地体不变，仅调整深孔接地极的深度和数量），埋设10m，代入式（6）计算得水平接地网的接地电阻为902。根据表2的“深井接地极长度”和“深井接地极数量”数据，水平地网和垂直地网并联的利用系数取065，得出不同设计方案时的计算电阻值，见表2。从表2可以看出，在采用深井钢管接地极方案时，各方案均无法达到490的设计要求。232采用深井离子棒接地极主导的地网设计在深井钢管接地极方案的基础上，深井接地极采用接地离子棒替代镀锌钢管，考虑到海岛地网腐蚀的问题，水平接地体采用404mm紫扁铜带替换热镀锌扁钢，地网的布局、接地极长度和数量与表2相同，分别计算其接地电阻。（1）水平接地体的接地电阻计算结果与231计算结果相同，为902。（2）一组电解离子接地极的接地电阻计算公式为1516：R1=kH（8）1222期序号 深井接地极长度/m 深井接地极数量/个 计算电阻值/1 6 16 8.17 2 9 9 8.98 3 12 8 8.60 4 15 6 8.92 5 18 5 9.01 表2以垂直接地极为主导的方案比对结果（钢管）式中：k为离子接地极接地系统效率，长度为312m时，k085；1230m，k075；306