高山微波站的防雷

张芳斌

(河北省长途电信传输局)

   

我省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，极易成为雷击的目标。山上土少石头多，接地电阻很难降得很低，有的站达20--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。为保证电路传输，减少雷击现象，应根据我省高山微波站特点，采用切实可行的防雷措施。

    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、感应雷、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，如防雷技术水平还局限于任何一个单一的防雷器件，就无法保证所有保护对象的防雷安全。采用综合治理、整体防范、多重保护、层层设防的综合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。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[λn1000／a-l／2]di／dt×l0^-6

    式中a为避雷针至平行导线的距离

算出平行导线感应电压与距离的关系：

    通过避雷针的雷电流产生的高电位反击效应：

    Vx＝LoHdi／dt十ir十iR

    式中：

    r为测试点至接地体的电阻

    i通过引下线的雷电流100kA

    Lo为引下线单位长度电感

    Lo＝1．67／μH／m

    H为测试点距大地的高度，取H＝l0

    R为接地电阻

    当r＝0，R＝10Ω时，Vx＝1．6MV

当r＝0，R＝0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钳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系列、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、铜捧等作接地材料，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。

    l、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／(2∏L)〔λnL²／(dh)十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ρ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l0欧姆以下，个别地方降到2欧姆左右。

    3、地线形成封闭环路

    正确的连接和接地可有效地防止由于地电位的变化对通信设备造成的危害。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。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线直接连接到母线上，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，实际上是由一系列的放电过程组成的，放电约l／l000秒，停止约2／l00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，也就是暂态过电压(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。

    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钳位电压时，它立即进入钳位状态，限制了电压升高，从而保护了设备，每当进入钳位状态，就会有lMA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，保证电源供电线路安全。

    四、电话线和信号线的防雷

    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它，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。