高山微波站的防雷

通天雷神

高山微波站的防雷

河北省长途电信传输局支援中心    张芳斌

   高山微波站一般都处在海拔一千多米的山峰上，由于山高树木少，极易造成雷击的目标。山上土少石头多，接地电阻很难降得很低，有的站达20Ω-30Ω，使雷电流的泄放造成很大困难。也有的站地线没有形成一个环形封闭网，难以做到电位均衡。因此各高山微波站均不同程度的遭受过雷击，如二七站在98年连续两次受到雷击，造成断相保护器损坏，配电盘有的部件击坏。承德市微波站在97年遭雷电袭击造成造成监控系统损坏。二五微波站99年又遭雷击。

? 为保证电路传输，减少雷击现象，根据我省高山微波站特点，采用切实可行的防雷措施。

? 从富兰克林发明避雷针至今已二百多年，以避雷针为主体的传统防雷技术，在人类社会200多年来的防雷史上起到了积极有效的保护作用，但随着社会的发展，时代的进步和实践的深化，其局限性越来越显露出来，通过多年实践，人们发现雷电作为一种破坏因素时，其呈现的形式不是单一的，有直击雷、有感应雷、有雷电入侵波等，而雷电对现代某一特定对象的破坏渠道也不是单一的，有空间通道、馈线通道、信号通道、供电通道、地电位反击通道、地电流反冲通道和落雷点高位冲击通道等。而人类社会发展至今，防雷技术水平还局限于任何一个单一的防雷器件，都无法保证所有保护对象的防雷安全，而采用综合治理、整体防范、多重保护、层层设防的防治雷害的方针是行之有效的，或者说采用各种特定的防雷器件，构成特定的工程网络，在某一特定的保护空间的一切进雷通道上，采用引、泄、堵、消、防、避的方法，来保护被保护对象(通信设备、人身、房屋)安全。而网络的设计和网络工程的规模又和当地的技术经济条件，所处地域的雷暴日数，保护对象性质，配置器件的连接方式，及遭雷击历史等有密切关系。要保证设备群体安全、操作人员安全必须在该整体的一切进雷通道上消散、疏导、抑制掉直击雷、感应雷和雷电入侵波。

一、避雷针防雷

?1752年富兰克林发明了世界上第一根避雷针，当时认为避雷针在雷雨云的感应下，产生尖端放电，能中和雷雨云中所带的电荷，从而避免雷击，而经过多次实验表明，避雷针在雷雨云的电场作用下，所释放的电量一般只有几个微安到几十个微安，而一次中等的雷电能释放大约25-30库仑的电量，相当于几千根避雷针在几十分钟内放电的总电量，从而指出，避雷针在雷暴期间放电电流太小了，它的作用是把闪电引向自身，并沿着它流入大地。而避雷针所产生的二次效应，即感应过电压和反击过电压，避雷针本身无法解决。传统的阀式避雷器，真空放电管等，也已不适应现代通信设备的避雷要求，已停用。氧化锌避雷器由于导通性能好，导通时间快而被广泛应用，但它的残压较高对高速率或精密设备仍难以胜任防雷需要。例如：当di/dt=100KA/2.6μs时避雷针的二次雷击效应在附近平行导线上产生的感应电压：

?Vj=0.2［λn(1000/a-1/2］*di/dt×10-6?

?式中a为避雷针至平行导线的距离

?经计算平行导线感应电压与距离a的关系为：

 a(m)        5      10     100    200    300    400    500   600

 Vj(KV/m)   36.9  31.6    13.9   8.5    5.4     3.2   1.49  0.08

通过避雷针的雷电流产生的高电位反击效应：

?Vx=L0H(di/dt)+ir+iR

?r为测试点至接地体的电阻      ?i通过引下线的雷电流100KA

?L0为引下线单位长度电感    L0= (1.67μH/m)

?H为测试点距大地的高度，取H=10      ?R为接地电阻

?当r=0,R=10Ω时，Vx=1.6MV

?当r=0,R=0Ω时，Vx=0.6MV

?   从以上情况看，避雷针局限性集中反映在di/dt上，如想法减少di/dt时，即减少△i，增加dt值，都会使避雷的效果提高。目前，常用的避雷针有几种基本形式，一是传统的避雷针，主要是吸引雷电流，通过良好的接地将雷电流传导到地，来保护特定目标。二是提早电流发射终端，它的曲率半径较大，有更强的积累电荷的能力，由于这个积累，它将在更远的距离内击穿空气发射电流，因此更易于与雷击的步进先导放电接通，拦截了附近目标的雷击，如接闪器就是利用这个道理。三是电子流延缓发射装置，它的曲率半径小，积累电荷很少时就会尖端放电，放散电荷形成电晕，降低目标顶端电势，避免或延缓离子化通道的形成，减少雷击的几率。还有根据阻抗限流和箱位分流原理开发的避雷针。避雷的关键是引雷入地，入地好就可以减少或避免雷击，引雷入地传统的方法用扁铁引雷入地，也有的用铜线引雷入地，还有的用引线电缆引雷入地，这是较好的方法，同轴电缆特性阻抗低，使雷电流直接入地，同时有两层屏蔽，大大减少了雷电的感应电压，保护了特定防雷目标。

?微波通信天线比较高，馈线较长，馈线接地良好是避雷的良好措施之一，因此要求馈线在天线端、中间、进机房前采取三处接地处理，馈线较长的可在中间增加接地点，保证接地良好，以进行多级防护。

?目前，有些厂家为满足现代化设备的防雷需要，研究开发了新型避雷针装置，如中光的ZGZ繁列、ZGU系列，易事达接闪器和引线电缆装置等。

?二、接地电阻的降低

?在传统的接地工程中，通常使用扁铁、铜棒等作接地材料，山区沙石或高阻土壤使用时，需加入食盐、木炭等，后发展为化学降阻剂以及非金属接地模块，均使接地电阻有所降低。

?1、非金属接地模块具有较强的保湿性，吸湿性，充分发挥了接地体中电解质的导电作用，增大了接地体和土壤的接触面积，从而增大了接地体本身的散流面积，减少了接地体和土壤的接触电阻。

?2、化学降阻剂是普遍使用的一种接地材料，接地电阻降低效果比较显著。因化学降阻剂中，主要合成高分子材料占5-8%，电解质物质占8-9%，水成份占80%左右，所以它的粘度较低，凝固前渗透性极强，在灌到接地体坑内，几分钟就可以通过沙石缝向土壤深层渗透。凝固后，它紧紧包裹在接地体周围，并与土壤紧密连接，形成一个较大的导电体，且导电体在大地中出现树枝状的延伸体，产生树枝效应，这样就可以大大降低接地电极与土壤表面的接触电阻，起到降阻的功效。

?使用了化学降阻剂增大了接地极尺寸，降低了接地电阻值： R=(ρ/2πL)〔λn(L2/dh)+K〕

?式中 ρ为土壤的电阻率    ?L为水平接地体的总长度?H为水平接地体的埋设深度

?D为水平接地体的直径或等效直径?K为水平接地体的形状系数(一般在0-8之间)

?显然对于一定土质P值是一定的，因而要降低接地电阻值就只能增大电极的几何尺寸，化学降阻剂总成份是电解质水溶液，渗透率较强，当凝固后，与金属接地体紧密连在一起，相当加大了电极尺寸，再加上其树枝效应，使接地体体积大大增大，从而降低了接地电阻数值。如二七微波站在地线改造中，对旧坑进行了改造，更换了化学降阻剂，又增了新坑2个，使用化学降阻剂近2000公斤，增加接地体长度560M左右。经过地线改造后，接地电阻有明显改善，原来测试接地电阻20多欧姆，现能降到10Ω以下，个别地方降到2Ω左右。

?3、地线形成封闭的闭合环路

?正确的连接和接地可有效的防止地电位的变化，对通信设备造成危害。所谓连接就是将设备所有电气和金属物体连接起来，使其电位一致。这种连接就叫等电位连接，起到均衡电位的作用，即雷电发生时，通过连接，使设备之间电位等值变化，防止了因设备之间电位大小不一致，对人体和设备的危害。所谓接地就是将设备连接在一起，通过接地体与大地相通，随时将雷电流泄放入地，确保设备和人身的安全。玛斯特公司推荐采用单点接地电位基准，我们通信单位也是这样做的。所谓单点接地电位基准就是所有站内设备接地点在一点上，即所有站内设备取单一接地点的电位作为电位基准，且仅取自一点。如图所示：

?外部埋设均衡环

?所有站内设备都连接到接地母线上，最好每一机架用一根接地直接连接到母线上，雷电发生时，跨越通信设备的跨步电压仍然会有，但由于所有设备外壳电位取自一点，设备之间不存在电位差，从而避免损坏设备。

?地线的埋设要形成一个闭合的封闭环路，可以使电位均衡，不存在电位差，可以避免设备和人身遭受雷击。

?三、电源线路的避雷

?雷鸣电闪，用肉眼观察，雷电只是瞬间一闪，实际上它是由一系列的放电过程组成的，放电约1/1000秒，停止约2/100秒，再放电，再停止……，此脉冲一直持续到电位差不足以再维持其放电。雷击时的通断作用在雷击点产生感生电流，也叫雷电冲击波。供电线路是地球表面分布最广，金属材料最多的线路之一，大量供电线路仍以架空为主体，雷电冲击波容易从供电线路侵入，并破坏电源设备，甚至损坏通信系统。根据我省雷害事故的统计分析，在雷害事故中约60%以上是因供电线路防雷效果差而引入雷击的，因而供电线路防雷是整个系统防雷的关键之一，从27微波站几次雷击情况看，也是供电线路引起雷击造成断相保护部分电源配电设备损坏。

?高压输电线路虽有高压避雷器(阀型避雷器)但由于动作慢(动作时间是微秒级)残压高，该特性会引起低压输电线路过电压，也就是暂太过电压(浪涌电压)可以采用分阶层安装浪涌控制设备，首先在主进线上安装一个高容量浪涌抑制器，再在主配电盘负载侧安装浪涌抑制器，抑制外来的浪涌电压，考虑到云对云的放电也能在内部线路感应产生暂态过电压，再增加一级浪涌抑制器，为了保护敏感的大规模集成电路设备，可在负荷侧再加一组浪涌抑制器。

   现在各厂生产的避雷设备较多，如中光公司的EGB1电源系列电子避雷器，易事达的并联浪涌抑制器，玛斯特公司的浪涌抑制器，DK公司的系列电源避雷箱等。易事达还生产一种串联式浪涌抑制滤波器，它带有高能钳位器件和特别的滤波电路，也是当今较先进的浪涌衰减技术。(但价格较昂贵)。目前，经常使用的电源浪涌防护产品一般为金属氧化物压敏电阻材料，它的特点是一旦电压超过了箝位电压时，它立即进入箝位状态，限制了电压升高，从而保护了设备，每当进入箝位状态，就会有1MA左右的电流通过压敏电阻入地。

?同时，也要加强高低压避雷阀的维护和测试，采取多种形式的避雷防护，保证电源供电线路路感应雷的雷击。

四、电话线、信号线的防雷

?随着信息产业的技术发展，科学技术不断进步，高速率、数字化、智能化、微型化、大容量通信越来越普及，而微电子数字通信系统集成化程度较高，承受脉冲的能力比较弱，而信号线引进的雷电冲击波强度较大，往往遭受雷电袭击而损坏设备，造成通信线路中断，影响设备安全运行。为防止雷电侵入信号线路，在线路上把雷电脉冲泄放掉或堵住宅，一般信号避雷器采用分流，多级泄放、引流入地技术，当信号线受雷电感应电压超过一定值时，避雷器将限制电压变化，并将雷电能量或其它干扰信号释放入地，从而保证通信设备的安全，信号线避雷器主要工作原理是当没有雷电时，防雷元件呈高阻状态对电路信号没有任何影响，一旦输入端出现感应雷电波时，该防雷器件很快从高阻状态跃变为低阻状态，将雷电泄放到大地，防止了雷电波的侵入，保护了设备和人身安全。

?总之，雷电的发生是没有规律性的，是随机的事件，我们要高度重视，采取多种手段进行综合性防治，使雷害减少到最低限度，保证通信设备的安全和人身安全。

 

西山一狐

福建联通的6个微波站我99年做的，到现在还很好，比较幸运，因为联通的和广电的站在一起，当时广电的所有设备不接地，每年平均坏2，3个变压器，很恐怖！

昆雷

在云南电力系统有几十座电力微波站（有的还与通信、电视转播合站）装了我所研制的金属少长针消雷器（或称多针防雷系统），十几二十年来，共运行500多台年，至今尚无受雷击，或失效的纪录。

通天雷神

哦？先生可有用户的运行报告？有的话好办很多。

new4

谢谢你的文章

昆雷

有云南电力调度所的一个证明文件。

通天雷神

哦……如果方便能mail给我看看吗？

昆雷

当然可以，很高兴给你看看。等我扫描后寄给你。

通天雷神

感谢！另外有没有更详细一点的技术说明资料？有的话也给我看看行吗？

昆雷

我已邮寄给你一篇文章和两个证明材料。