[转帖] 高山微波站的防雷改造及效果

通天雷神

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高山微波站的防雷改造及效果

技术支援中心    袁宪章

引言

雷电的危害属于自然灾害，以预防为主。一般来说，北方雷电日比南方少，长江以南年平均雷电日大于40日，长江以北年平均雷电日大约15?0日，但具体到某一个地区特殊情况，不一尽然，依据地形、地貌的不同而定，有的局部地区的雷害亦不亚于南方。近几年来，雷害对现代化电子设备危害很大，人们纷纷起来研究，各种防雷产品也应运而生。究其原因主要有两点：一是人们现在已步入信息时代，全程网络化管理，一个局(站)设备遭雷击，影响全网正常运行，严重时会使计算机系统数据丢失，程序混乱，甚至于整体电路瘫痪，由于其相互依赖性很大，影响面广，所以务必重视。二是现代化电子设备中采用了大规模集成电路，其工作电压只有几伏(典型工作电压值5V)，抗雷电冲击能力大大降低，设备很容易遭受雷电过电压的冲击而击穿损坏。

六十年代，电子设备一般使用电子管，其抗冲击电压为几百伏，甚至上千伏，对通信机房在防雷电、防静电方面无特殊要求。而今天的数字微波机房则必须考虑防静电措施，对机房的温度、湿度进行严格控制，值机维护人员在操作时必须戴防静电手链，以免人身上的静电击穿损坏机盘。通信设备的防雷性能的好坏直接影响到传输的质量。因此，认真对待通信设备的雷击防止护问题，便 成为各级领导引为注意的事情。

微波站为中继通信，尤其高山微波站遭受雷击的机率更高，因它建于海拔几百米，甚至上千米的山顶，天线有的架设在机房顶部，有的在山顶上建立一座几十米的铁塔，因地势高，加之土质差(多为岩石结构)，地阻率高，地网难做等因素，高山微波站在防雷上难度更大些。如何做好高山微波站的防雷，就具有了典型性。

一、雷电危害对我省微波通信的影响

我省位于长江以北，较南方雷电所造成的危害少些，对雷电的防护工作也比较重视，但设备遭雷击的现象还是时有发生，有时一年会发生几次。现仅举近几年的事故，可见其严重性：97年5月24日，石-唐数字微波林南仓站发生雷击，造成RTU数据桥及外围控制损坏，收R8站发R6站二波道告警(在微波设备损坏的同时，邮电支局机房整流器停机，程控电话中断)，造成数万元损失；94年8月京-沈微波承德县站遭受雷击，电力电源配电屏保险烧断，生活区30米电源线烧毁，一台电视机烧坏，二个日光灯管炸碎；97年4月31日承德市内站遭雷击，电力高压线路终端杆落下一个火球，击坏微波监控前端机盘和监控主机；98年6月，027高山微波站遭雷击，电力交流配电屏上的继电器、断相保护器均被烧坏；同时9月该站又遭雷击，烧坏电源盘一部，电话机4部，市电倒换出现故障，供不上市电；98年9月14日，石-涞SDH数字微电路白石山站，(海拔2090米，无人站)遭雷击，烧坏电源自动控制盘、ATTC盘，调制盘2块；99年5月26日、8月3日又是白石山站，连续遭受雷击二次，损坏PCU盘、SCU盘、ATTC盘、调制解调盘等设备，从以上例举的事例来看，雷害不单给我们造成直接经济损失(被损的机盘有些属进口设备，维修费用较高)，而且直接威胁着电路正常运行的安全。我省地处京、津外围，有不少微波站，其中有些是高山站，是多方向的高山微波站，电路一旦中断，传向山东、上海、福建、广东、云南、四川等地的中央一套电视节目就要中断，将影响北京以南大半个中国的通信。影响之大，不允许我们有半点粗心大意。从实事和经验中知道，高山微波站雷击较平原严重，所以我们选定027高山微波站进行防雷试验站。如果成功，可以指导全省微波站防雷的开展。

二、我省微波站防雷设施的现状

1.避雷针

不论70年代还是90年代建的微波站，从铁塔设计上都考虑安装有传统式避雷针(富兰克林针)，它的结构是一根镀锌铁管上端焊一个铜尖头，下端和铁塔焊接。其工作原理是根据尖端放电理论，把雷电引向自身，并沿着本身流入大地，因避雷针安装在较高位置，保护了其下方一定范围的建筑设施。这种传统的避雷针从富兰克林1752年发明至今，已经使用了二百多年。我们不少微波站还在使用。90年代初，国内外一些防雷公司推出了一些新型避雷针，我们也进行了试装，象承德微波局94年安装了国内DK公司生产的伞状型限流避雷器。15年后的今天，该公司发现产品的固有缺点，又进行了改进，推出了新型的DK雷电限流器，原伞状型限流器已属更新换代产品。自95年开始，我们又陆续安装了一些美国爱劳公司生产的半导体消雷器，这种消雷器的防雷效果不很明显，此技术众说纷纭，97年邮电部发文，对此类消雷器停止使用。

2、避雷器

微波站通信系统普遍安装了避雷器。有的机架在出厂时就已经装配有避雷器。在电力变压器高压侧安装高压避雷器，在变压器的低压侧或在整流器(开关电源)进线端(380V输入)安装低压避雷器，对于高压避雷器的保养维护各局已经重视，每年定期将高压避雷器送到电力部门进行检测，质量不合格的进行更换。低压避雷器一般由各局维护中心自行测试。这种高、低压避雷器器大多是老式的氧化锌避雷器，对雷电流反映速度低，残压高，一般都大于1500V，当雷电流冲击时，不能有效的防护，机器设备经常损坏，也就是说，现在用的大多数避雷器虽然起到一定作用，但也属于落后的更新换代产品。

3、接地系统

防雷一项主要内容就是所有设备都要接地良好，并且要求要联合接地，工作地线，保护地线、建筑物防雷地线接在一起。这项工作各站基本上都能实现。但有的微波站地网锈蚀严重，地阻达不到要求指标，97年宁晋站把锈蚀的地网全部从土里挖出，重新敷设新的热镀锌扁钢，才把地阻降到指标值以内(＜5?)。对防雷泄放电流而言，接地电阻的大小是个主要指标，微波维护规程要求“机房地线和保护地线，室外高压避雷地线，天馈线及铁塔的保护地线等接地电阻应不大于5?(高山站应不大于10?)”。各微波站每年春季都进行地阻测试，平原站因土质好，都能达到指标以内。而有些高山站，因石多土少，少雨缺水，地阻一般不能达到指标，象027站春季测试地阻大于30?，有时大的测不出来。远远大于指标值(10?)。地阻高，雷电流来时无法迅速泄放，雷电二次反向电压，就可能把设备烧毁损坏。?微波馈线的接地，“规程”要求在进机房口处接一次地，在天线背后接一次地，该项技术要求各站都能做到，所以从馈线串入的雷电虽有发生，但数量较少。

4、电话线避雷

各微波站通信联络用的电话线，平原站市话线不要求加装避雷器，高山站电话线要求安装避雷器。高山站因电话线多是架空明线长达几公里，是引雷入站的一个主要途径，从电话线串入的雷电烧坏电话机的事时有发生。这不但损坏了设备，也直接危胁到打电话人的人身安全。从检查的情况看，也有少数高山站没有安装电话避雷器，需进一步完善避雷措施。

三、目前国内外防雷情况

目前国内外对防雷电大多采用综合防护措施，不是简单的安装上一根避雷针或加装几组避雷器就能凑效的，而是根据具体情况(根据雷电日多少、建筑物或铁塔的高度、地形地貌、地网状况、馈线信号线的布放、电力线的引入方式等)综合考虑，设计一个方案，对避雷针的安装位置、高度、选用什么型号、避雷针(接闪器)的引导体的截面、绝缘、屏蔽等都要有一定的要求。对地网的连接方式，地阻的大小及降阻的方法，电力线、信号线、电话线，安装什么型号的避雷器及其残压、通流量及做几级保护等都有统一的考虑。全面防雷应贯彻“综合治理、整体防御、多重保护、层层设防”十六字方针，严格遵循“控制雷击点(采用高效接闪体)，安全引雷电流入地，完善低电阻地网，消除地面回路，电源浪涌保护，信号及数据线瞬变保护”六项基本防雷方案。

人们对于雷电的认识、研究、预防发展很快，国内外一些大公司纷纷建立模拟雷电波测试中心，对一些防雷器件进行各种性能指标的测试、鉴定、研究、改进，使防雷害工作进入到了一个前所未有的迅速发展的阶段。

四、027高山微波站防雷改造情况

027高山微波站，海拔1100米，机房基础为岩石结构，地阻较大，3、4月份测试值大于30。电力电源有两路市电，架空100KV高压线上有1000米防雷击架空地线，电力变压器高、低压侧分别安装高、低压氧化锌避雷器。铁塔建在机房南侧，高度42米，塔上安装北京爱劳公司的半导体消雷器。该站每年遭受雷击，98年选择该站为防雷试验站，进行防雷改造。98年8月请邮电部郑州设计院防护中心进行勘察、设计，99年三月份施工。同年四月底完成防雷改造更新工程。

1、完善接地网

(1)微波机房和铁塔接地网

微波机房原有的防雷接地系统相互衔接不够，(见图2中虚线所示)原接地系统是将各个接地点用扁钢连接起来，呈带状接地系统，根据地网地阻计算公式：

R=0.5p/√s?p---土壤系数       s----地网面积

可以知道，带状形结构不成面积，其等效面积很小，所以当雷电流冲击时，其等效阻抗就较高，这次设计中把原先地网的接地点及机房、天线、铁塔的接地系统，铁塔附近的接地坑，用40×40的热镀锌扁钢焊接相连为环形接地系统(见图2实线表示)，

再辅以长效液态降阻剂，使接地电阻降到10Ω以下。?

垂直接地体用40×40×4，长1.5-2.5米深埋，垂直接地体与水平接地体互相焊接并防腐处理(见图2)。

(2)变压器配电室敷设新的地网

站门口电力变压器配电室原先只有一条接地扁钢，没有接地网。微波机房接地网距变压器相距500米，因雷电流是高频率、大电流、高电压，在地面传播距离不会很远，所以微波机房地网也不可共用。根据统计，历年经高压电力线引入的雷电较多，交流配电屏上器件损坏情况严重。必须在变压器配电室处做好地网。其设计方案为一个棋盘格形状(见图3)，向南敷设两条20米长的辐射线，增大地网的等效面积，在做地网时也填充型号为LRCP长效液态降阻剂，使地阻降低到10Ω以下。

2、架空高压电力线路的防雷接地

027站有两路专用市电，一路10KV高压线由秀林变电站送出，架空线路全长40公里，另一路10KV高压线由微水变电站送出，架空线路60多公里。从几十公里外的变电站架空引入站内。

我们知道，沿山沟或山坡架设的高压电力线是一条良好的导电带和引雷带，当在几公里以外，云对云和云对地雷击放电时，在雷击点的周围空间就会产生一个强大的电磁场。这个电磁场就会在邻近的电力线或电话线上产生很高的感应电压(上千伏以上)(参见图4)，这个感应电压，称为感应雷电压。将沿站着电力线侵入变压器、并通过变压器传递到变压器次级低压电力系统，同样，如果雷电直接对电力线雷击放电，这个雷电高压也会沿电力线路传到变压器及其次级的电力系统，损坏电子设备。据统计，感应雷对设备的危害约占总雷害的80%。试想，在一个山头上一年落几个直击雷就不算少，(直击雷：即雷电直接击到某物体上称为直击雷)，而在方圆几公里内一年落几十个直击雷则不算多，但这远在几公里外的直击雷作为感应雷的方式都可能沿着电力线侵入设备，造成危害，所以感应雷的危害更大些。该站交流配电屏上继电器经常损坏，有时没有听到雷声，继电器也损坏，分析认为，这正是沿电力线侵入的感应雷所致。

《微波站防雷与接地设计暂行技术规定》“2.0.10微波站的架空高压电力线路，其进站端上方宜设架空避雷线，长度300-500米，避雷线的保护角应不大于25°，避雷线宜每杆作一次接地，为确保安全，宜在避雷线终端杆的前一杆上，增装一组氧化锌避雷器”。027站的原高压电力线架空避雷线和变压器的防护见图5，架空高压电力线架空避雷线，电力部门已经架设，长度约1000米，终端杆上也安装了氧化锌高压避雷器。问题是在终端杆的前一杆上未装氧化锌避雷器和每杆作接地时，地线不是就近最短接地，而是在杆身上缠绕两圈入地，因此在设计中补上了在终端杆的前一杆上增装了一组型号为YH10WS-12.7/50氧化锌高压避雷器X3。在杆身上缠绕的地线要求取直入地，经分析知道，雷电波中的频率谐波很丰富(10Hz-1MHz)。其中含有很多高频成份，而且电流很大(上百KA)，地线在杆体上缠绕两圈就相当于一个电感线。高频电流在电感中流动时，其阻抗为XL=ωL。频率越高，阻抗越大，即使电感很少，但由于大电流，高频率，也会产生一个很高的电压，U=Ldi/dt(参见图6)，也就是说，在电杆上缠绕两圈的地线，不但增加了直流电阻，而且产生了较大的感抗，会阻碍雷电流迅速泄放入地。当雷电流无路入地时，就会向电子设备中流入，损坏设备。所以设计中要求地线从杆身上取直入地。

3、变压器及电力低压线路的防雷

《微波站防雷与接地设计暂行技术规定》“2.0.8，微波站交流电力变压器高压侧的三根相线，应分别就近对地加装氧化锌避雷器；电力变压器低压侧的每根相线应分别就近对地加装氧化锌无间隙避雷器，变压器的机壳，低压侧的交流零线，以及与变压器相连的电力电缆的金属外层，应就近接地，”在027站电力变压器的高压侧安装有老式的氧化锌高压避雷器(见图5)，为了提高防雷效果，这次设计中，把原先三个老式的高压避雷器更换为新型的高效高压避雷器(型号为YH10WS)；在变压器的低压(380V)侧，每根相线加装澳大利亚GLT公司生产的高性能氧化锌避雷器(型号为TDS180-4S-277)。各类地线及电力电缆金属外层都牢靠接地(见图7)。为了观察防雷效果，在变压器的次级安装了雷电流记录仪。

因该站生活区准备搬迁到靠近机房西侧新建的二层楼上，交流配电屏也从山下搬到山上油机发电室。交流配电屏搬迁到油机室对防雷有利。第一交流配电输出后直接供给整流器(〖FL)〗开关电源)，因没有长距离电力传输线路，交流配电屏与整流器之间不用增加防雷措施，第二从山下到山上油机室交流配电屏用铠装直埋电缆，长度约500米，因雷电是高电压，大电流，高频率，总是就近泄放入地，500米电缆会对雷电流阻挡、消耗，使其波头减弱，同时，电缆深埋，两端金属外层接地，对雷电流起到一良好的屏蔽。

考虑到并联氧化锌避雷器残压较高(标称值1300V)，根据027站每年交流配电屏上继电器和断相保护器损坏情况，结合“多重保护，层层设防”的方针，决定在交流配电屏的两路市电进线口安装两个澳大利亚LGT公司生产的串联型避雷器(型号为TDS-SRF3125)，(如图8所示)。串联型避雷器的特点是残压低，TDS-SRF系列残压只有240V，可以很安全的保护下一级设备免遭雷电的冲击而损坏。从电路的整体结构来看，微波电力系统的电路连接方式，即串入了一个设备，一旦串联设备出现故障，市电就可能中断。与整体安全有关，对此我们是这样考虑的，027站有两路市电专线供电，两台油机，两组电池，假如一个串联型避雷器出现故障，一路市电中断，还有另一路市电可用，假如两路市电同时中断，还有两台油机发电，两组2500AH电池可以缓冲，在最危急时，还可以人工将串联型避雷器拆掉直接短接，鉴于整体供电系统安全系数较大，在设计中选择了串联型避雷器，串接在交流配电屏的两路市电进线处，阻挡由电力线侵入的感应雷。

TDS-SRF器件电原理如图9所示，现在简述其工作原理及电流参数的选择。

雷击波形的特点是具有非常陡峭的前沿及能量极高的长尾波形，(如图10所示)雷电流的频率分布在10Hz-1MHz之间，主要能量一般情况下分布在100Hz-KHz，在雷电的前峰头，由于前沿极陡，其中含有很多的高频成份，最高1MHz级。

并联型避雷器在接入电路时，是并接在被保护设备的输入端(如图11所示)。避雷器有一个箝位电压，雷电峰头(脉冲)达到避雷器的门限值时，如图12所示A点时，避雷器导通，并且维持这个箝位电压不变，使设备免受高电压击穿损坏。我们知道，从物理意义讲，任何物体都有惯性，或称惰性，当雷电压增高到A点(275V)时，避雷器由于惰性并不马上导通，而仍然维持截止状态，直到雷电压增高到B点时，避雷器无法维持截止状态，才被击穿导通，导通后迅速下降到门限值A点，并且一直维持这个电平(275V)，雷电压从O点上升到B点的电压，就是避雷器的残压，可以看到残压并不是箝位电压，残压比箝位电压高的多，残压的高低主要决定于器件中的所用材料的反响速度，即灵敏性。器件越灵敏其残压越低。国际上规定标准为1300V，残压低于1300V为合格，但这个1300V的尖峰(残压)一旦侵入电子电路，就可能损坏半导体器件和集成电路。所以残压越低越好。目前国际上一些大公司已把并联避雷器的残压值降到了600V，但600V电压对集成电路来说也是一个威胁。

现在我们再来看串联型避雷器。如果在雷电流入口处，串入一个电感，情况会怎样呢?电感的阻抗XL=ωL(2πfL)，频率越高，阻抗越大，正好把含有丰富高频的雷电波的前沿峰头挡住。合理的选择电感量，使在工频50Hz时，阻抗很低，在高频1K-1MHz时，阻抗最大，就可以有效的阻挡住雷电流的峰值，而让工频市电50Hz顺利通过。从图9中可见，SRF系列避雷器输出端还接有一个电容，这是典型的低通滤波器，在其输入端火线对地，输出端火线对零线，和地对地又接有并联保护器件，把雷电压的主要能量箝位入地，即电感和电容组成的低通滤波器阻挡雷电流的峰值电压，并联避雷器短路雷电流的低频能量，SRF系列避雷器残压很低(240V)，比市电单相220V只高出10%，对整流器(开关电源)已在指标允许之内。

TDS-SRF串联避雷器电流值的计算，027站380V市电实际负载电流50A，100KVA电力变压器每相可供出200A电流(P=3U线I线)。考虑到该站以后设备扩容，按变压器容量计算选用TDS-SRF避雷器标称值125A，即TDS-SRF3125。

4、微波天线、馈线、铁塔及机房建筑的防雷

这主要是防直击雷。铁塔上安装有北京爱劳公司生产的半导体消雷器，这种消雷器理论说是应用半导体进行放电，在雷电没有形成之前，把空中的正负电荷中和掉，使雷电不能在划定的范围内形成，达到消雷的目的。这种消雷器实用效果不明显。科技界和高压工作者对此尚有争论，反对消雷器的人的理论是“半导体中和电荷的能力微乎其微，无法阻挡雷电形成，一旦当雷电形成在此高处尖端放电时，因半导体电阻较大，雷电泄放不畅，反而容易击坏设备。”96年邮电部下文要求“停止使用消雷器”。027站值机人员曾看到过打雷时，有一个火球从波导口窜入，半导体消雷器的尖针也被雷击烧坏过。也就是说，铁塔确是个雷电引入的主要渠道，必须进行防护。但装什么样的避雷针确不好选择。鉴于消雷器不让再装，我们采用了一个折中的方法，原先的消雷器不拆，另外安装一个高度超过消雷器的传统式避雷针。另敷设一条扁钢做避雷针引下线，下端与铁塔地网相连接。馈线按要求两次接地，在上端微波天线1米处接地一次，馈线进机房入口处接地一次。机房建筑顶上，设有多个传统式避雷针，避雷带，基本上形成网状结构。能有效地防止直击雷。

5、电话线防雷

原电话机上未安装避雷器，从当地邮电局到027站专用架空电话线，长度几十公里，最容易引雷入站。电话机经常遭雷击损坏。98年6月一次雷击就损坏4部电话机。同时也严重的危及打电话人的人身安全。这次设计中也综合考虑，在机房、生活区三部电话上均加装电话避雷保护器。

五、027站防雷改造后的防雷效果

027站经过防雷改造后，防雷效果明显，地阻测试符合微波维护规程指标，

从今年4月底装机到目前，雷电计数仪上已记录显示6次，也就是说已有6次雷电从电力线侵入该站。但通信设备未损坏。99年5月25日夜里2点，在电力变压器处落一雷(估计可能是直击雷)，雷电流强度很大，高压线上三个高压跌落保险，一个烧焦一头，两个击穿一个孔洞。但微波通信设备和微波电力设备未损坏。现在正是雷雨季节，027站工作人员正在密切观察，如果今年能安全渡过雷电日，没有遭受雷击。则说明这项综合性的防雷改造是可行的。

六、结束语

027站的防雷改造具有高山微波站的典型性，从中总结出共性的东西才有指导意义。防雷害应综合治理，多渠道防护，我们认为，防雷大体上可以用“避、疏、泄、截、屏”五个字来概括。避，即躲避，在初建站选择传输路由和站址时，有意避开雷电活动频繁的地区。疏，即疏导，无法避开雷电活跃区或已建成的老站，就要想法把雷电疏导、分流，其办法就是选择合适的位置，安装避雷针或高效接闪器，使雷电在避雷针上放电入地，保护住天线、铁塔、机房免遭雷击。泄，即泄放，搞好雷电泄放入地的通路。主要是做好接地网，降低地阻(包括使用降阻剂)，当雷电流到来时，能够迅速泄放掉，保护通信设备。截，即拦截，当雷电流到来时，不但要想法迅速泄放雷电流，而且要在通信设备的通路中进行拦截，阻挡雷电流侵入通信设备。安装避雷器是主要拦截方法。避雷器种类繁多，从电压高低分，有高压避雷器、低压避雷器；从接入方式分，有并联式避雷器、串联式避雷器；从器件材料上分，有氧化锌避雷器、热敏电阻、齐纳二极管、阻抗元件、电感线圈等；从使用功能上分，有电源保护器、电话保护器、计算机网络保护器等；从保护级别上分，有一级保护、二级保护、三级保护。根据不同地方的雷害具体情况，合理的设计安装这些避雷器。屏，即屏蔽，把机房、设备屏蔽起来，当雷电波到来时，由于设备被屏蔽的作用，不受雷电电磁波的干扰、损坏。主要方法是做好联合接地(即通信设备的工作接地、保护接地、防雷接地均接在一起)，也可以把机房四周敷设环形地网，机房顶敷设避雷带，机房内墙布置垂直地线，设备外壳连接在接地汇流条上，汇流条与环形地网接通，当高频雷电波到来时，机房等效为一个“法拉第笼”模式，起到防雷电的作用。至于联合接地防雷电原理，可以这样来想，当强大的雷电流流入大地时，大地的电位要随即升高，因所有地线都联接在一起，设备的地电位跟随大地一起升高，地与地之间不存在电位差，不会因雷电反击损坏设备，有点像水涨船高的意思。?总之，人们对雷电的认识越来越深入，防雷害的方法也越来越多，值得一提的是027站人员在这次防雷改造工程中，做了很多工作，包括现在还在密切观察，认真测试。相信在不远的将来，人们就会战胜雷电这一自然灾害。