高山微波站的防雷

1、高山微波站的防雷 河北省長途電信傳輸局支援中心 張芳斌 高山微波站一般都處在海拔一千多米的山峰上，由于山高樹木少，極易造成雷擊的目標(biāo)。山上土少石頭多，接地電阻很難降得很低，有的站達(dá)20-30，使雷電流的泄放造成很大困難。也有的站地線沒有形成一個環(huán)形封閉網(wǎng)，難以做到電位均衡。因此各高山微波站均不同程度的遭受過雷擊，如二七站在98年連續(xù)兩次受到雷擊，造成斷相保護(hù)器損壞，配電盤有的部件擊壞。承德市微波站在97年遭雷電襲擊造成造成監(jiān)控系統(tǒng)損壞。二五微波站99年又遭雷擊。 為保證電路傳輸，減少雷擊現(xiàn)象，根據(jù)我省高山微波站特點(diǎn)，采用切實(shí)可行的防雷措施。 從富蘭克林發(fā)明避雷針至今已二百多年，以避雷針為主體的

2、傳統(tǒng)防雷技術(shù)，在人類社會200多年來的防雷史上起到了積極有效的保護(hù)作用，但隨著社會的發(fā)展，時代的進(jìn)步和實(shí)踐的深化，其局限性越來越顯露出來，通過多年實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)雷電作為一種破壞因素時，其呈現(xiàn)的形式不是單一的，有直擊雷、有感應(yīng)雷、有雷電入侵波等，而雷電對現(xiàn)代某一特定對象的破壞渠道也不是單一的，有空間通道、饋線通道、信號通道、供電通道、地電位反擊通道、地電流反沖通道和落雷點(diǎn)高位沖擊通道等。而人類社會發(fā)展至今，防雷技術(shù)水平還局限于任何一個單一的防雷器件，都無法保證所有保護(hù)對象的防雷安全，而采用綜合治理、整體防范、多重保護(hù)、層層設(shè)防的防治雷害的方針是行之有效的，或者說采用各種特定的防雷器件，構(gòu)成特定的

3、工程網(wǎng)絡(luò)，在某一特定的保護(hù)空間的一切進(jìn)雷通道上，采用引、泄、堵、消、防、避的方法，來保護(hù)被保護(hù)對象(通信設(shè)備、人身、房屋)安全。而網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)工程的規(guī)模又和當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)條件，所處地域的雷暴日數(shù)，保護(hù)對象性質(zhì)，配置器件的連接方式，及遭雷擊歷史等有密切關(guān)系。要保證設(shè)備群體安全、操作人員安全必須在該整體的一切進(jìn)雷通道上消散、疏導(dǎo)、抑制掉直擊雷、感應(yīng)雷和雷電入侵波。 一、避雷針防雷 1752年富蘭克林發(fā)明了世界上第一根避雷針，當(dāng)時認(rèn)為避雷針在雷雨云的感應(yīng)下，產(chǎn)生尖端放電，能中和雷雨云中所帶的電荷，從而避免雷擊，而經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)表明，避雷針在雷雨云的電場作用下，所釋放的電量一般只有幾個微安到幾十個微

4、安，而一次中等的雷電能釋放大約25-30庫侖的電量，相當(dāng)于幾千根避雷針在幾十分鐘內(nèi)放電的總電量，從而指出，避雷針在雷暴期間放電電流太小了，它的作用是把閃電引向自身，并沿著它流入大地。而避雷針?biāo)a(chǎn)生的二次效應(yīng)，即感應(yīng)過電壓和反擊過電壓，避雷針本身無法解決。傳統(tǒng)的閥式避雷器，真空放電管等，也已不適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的避雷要求，已停用。氧化鋅避雷器由于導(dǎo)通性能好，導(dǎo)通時間快而被廣泛應(yīng)用，但它的殘壓較高對高速率或精密設(shè)備仍難以勝任防雷需要。例如：當(dāng)di/dt=100KA/2.6s時避雷針的二次雷擊效應(yīng)在附近平行導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓： Vj=0.2n(1000/a-1/2*di/dt10-6 式中a為避雷針

5、至平行導(dǎo)線的距離 經(jīng)計(jì)算平行導(dǎo)線感應(yīng)電壓與距離a的關(guān)系為： 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 通過避雷針的雷電流產(chǎn)生的高電位反擊效應(yīng)： Vx=L0H(di/dt)+ir+iR r為測試點(diǎn)至接地體的電阻 i通過引下線的雷電流100KA L0為引下線單位長度電感 L0= (1.67H/m) H為測試點(diǎn)距大地的高度，取H=10 R為接地電阻 當(dāng)r=0,R=10時，Vx=1.6MV 當(dāng)r=0,R=0時，Vx=0.6MV 從以上情況看，避雷針局限性集中反映在di/dt上，如想法減

6、少di/dt時，即減少i，增加dt值，都會使避雷的效果提高。目前，常用的避雷針有幾種基本形式，一是傳統(tǒng)的避雷針，主要是吸引雷電流，通過良好的接地將雷電流傳導(dǎo)到地，來保護(hù)特定目標(biāo)。二是提早電流發(fā)射終端，它的曲率半徑較大，有更強(qiáng)的積累電荷的能力，由于這個積累，它將在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)擊穿空氣發(fā)射電流，因此更易于與雷擊的步進(jìn)先導(dǎo)放電接通，攔截了附近目標(biāo)的雷擊，如接閃器就是利用這個道理。三是電子流延緩發(fā)射裝置，它的曲率半徑小，積累電荷很少時就會尖端放電，放散電荷形成電暈，降低目標(biāo)頂端電勢，避免或延緩離子化通道的形成，減少雷擊的幾率。還有根據(jù)阻抗限流和箱位分流原理開發(fā)的避雷針。避雷的關(guān)鍵是引雷入地，入地好就可

7、以減少或避免雷擊，引雷入地傳統(tǒng)的方法用扁鐵引雷入地，也有的用銅線引雷入地，還有的用引線電纜引雷入地，這是較好的方法，同軸電纜特性阻抗低，使雷電流直接入地，同時有兩層屏蔽，大大減少了雷電的感應(yīng)電壓，保護(hù)了特定防雷目標(biāo)。 微波通信天線比較高，饋線較長，饋線接地良好是避雷的良好措施之一，因此要求饋線在天線端、中間、進(jìn)機(jī)房前采取三處接地處理，饋線較長的可在中間增加接地點(diǎn)，保證接地良好，以進(jìn)行多級防護(hù)。 目前，有些廠家為滿足現(xiàn)代化設(shè)備的防雷需要，研究開發(fā)了新型避雷針裝置，如中光的ZGZ繁列、ZGU系列，易事達(dá)接閃器和引線電纜裝置等。 二、接地電阻的降低 在傳統(tǒng)的接地工程中，通常使用扁鐵、銅棒等作接地材料

8、，山區(qū)沙石或高阻土壤使用時，需加入食鹽、木炭等，后發(fā)展為化學(xué)降阻劑以及非金屬接地模塊，均使接地電阻有所降低。 1、非金屬接地模塊具有較強(qiáng)的保濕性，吸濕性，充分發(fā)揮了接地體中電解質(zhì)的導(dǎo)電作用，增大了接地體和土壤的接觸面積，從而增大了接地體本身的散流面積，減少了接地體和土壤的接觸電阻。 2、化學(xué)降阻劑是普遍使用的一種接地材料，接地電阻降低效果比較顯著。因化學(xué)降阻劑中，主要合成高分子材料占5-8%，電解質(zhì)物質(zhì)占8-9%，水成份占80%左右，所以它的粘度較低，凝固前滲透性極強(qiáng)，在灌到接地體坑內(nèi)，幾分鐘就可以通過沙石縫向土壤深層滲透。凝固后，它緊緊包裹在接地體周圍，并與土壤緊密連接，形成一個較大的導(dǎo)電體

9、，且導(dǎo)電體在大地中出現(xiàn)樹枝狀的延伸體，產(chǎn)生樹枝效應(yīng)，這樣就可以大大降低接地電極與土壤表面的接觸電阻，起到降阻的功效。 使用了化學(xué)降阻劑增大了接地極尺寸，降低了接地電阻值： R=(/2L)n(L2/dh)+K 式中 為土壤的電阻率 L為水平接地體的總長度H為水平接地體的埋設(shè)深度 D為水平接地體的直徑或等效直徑K為水平接地體的形狀系數(shù)(一般在0-8之間) 顯然對于一定土質(zhì)P值是一定的，因而要降低接地電阻值就只能增大電極的幾何尺寸，化學(xué)降阻劑總成份是電解質(zhì)水溶液，滲透率較強(qiáng)，當(dāng)凝固后，與金屬接地體緊密連在一起，相當(dāng)加大了電極尺寸，再加上其樹枝效應(yīng)，使接地體體積大大增大，從而降低了接地電阻數(shù)值。如二七

10、微波站在地線改造中，對舊坑進(jìn)行了改造，更換了化學(xué)降阻劑，又增了新坑2個，使用化學(xué)降阻劑近2000公斤，增加接地體長度560M左右。經(jīng)過地線改造后，接地電阻有明顯改善，原來測試接地電阻20多歐姆，現(xiàn)能降到10以下，個別地方降到2左右。 3、地線形成封閉的閉合環(huán)路 正確的連接和接地可有效的防止地電位的變化，對通信設(shè)備造成危害。所謂連接就是將設(shè)備所有電氣和金屬物體連接起來，使其電位一致。這種連接就叫等電位連接，起到均衡電位的作用，即雷電發(fā)生時，通過連接，使設(shè)備之間電位等值變化，防止了因設(shè)備之間電位大小不一致，對人體和設(shè)備的危害。所謂接地就是將設(shè)備連接在一起，通過接地體與大地相通，隨時將雷電流泄放入地

11、，確保設(shè)備和人身的安全?，斔固毓就扑]采用單點(diǎn)接地電位基準(zhǔn)，我們通信單位也是這樣做的。所謂單點(diǎn)接地電位基準(zhǔn)就是所有站內(nèi)設(shè)備接地點(diǎn)在一點(diǎn)上，即所有站內(nèi)設(shè)備取單一接地點(diǎn)的電位作為電位基準(zhǔn)，且僅取自一點(diǎn)。如圖所示： 外部埋設(shè)均衡環(huán) 所有站內(nèi)設(shè)備都連接到接地母線上，最好每一機(jī)架用一根接地直接連接到母線上，雷電發(fā)生時，跨越通信設(shè)備的跨步電壓仍然會有，但由于所有設(shè)備外殼電位取自一點(diǎn)，設(shè)備之間不存在電位差，從而避免損壞設(shè)備。 地線的埋設(shè)要形成一個閉合的封閉環(huán)路，可以使電位均衡，不存在電位差，可以避免設(shè)備和人身遭受雷擊。 三、電源線路的避雷 雷鳴電閃，用肉眼觀察，雷電只是瞬間一閃，實(shí)際上它是由一系列的放電過程

12、組成的，放電約1/1000秒，停止約2/100秒，再放電，再停止，此脈沖一直持續(xù)到電位差不足以再維持其放電。雷擊時的通斷作用在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生感生電流，也叫雷電沖擊波。供電線路是地球表面分布最廣，金屬材料最多的線路之一，大量供電線路仍以架空為主體，雷電沖擊波容易從供電線路侵入，并破壞電源設(shè)備，甚至損壞通信系統(tǒng)。根據(jù)我省雷害事故的統(tǒng)計(jì)分析，在雷害事故中約60%以上是因供電線路防雷效果差而引入雷擊的，因而供電線路防雷是整個系統(tǒng)防雷的關(guān)鍵之一，從27微波站幾次雷擊情況看，也是供電線路引起雷擊造成斷相保護(hù)部分電源配電設(shè)備損壞。 高壓輸電線路雖有高壓避雷器(閥型避雷器)但由于動作慢(動作時間是微秒級)殘壓高，

13、該特性會引起低壓輸電線路過電壓，也就是暫太過電壓(浪涌電壓)可以采用分階層安裝浪涌控制設(shè)備，首先在主進(jìn)線上安裝一個高容量浪涌抑制器，再在主配電盤負(fù)載側(cè)安裝浪涌抑制器，抑制外來的浪涌電壓，考慮到云對云的放電也能在內(nèi)部線路感應(yīng)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，再增加一級浪涌抑制器，為了保護(hù)敏感的大規(guī)模集成電路設(shè)備，可在負(fù)荷側(cè)再加一組浪涌抑制器。 現(xiàn)在各廠生產(chǎn)的避雷設(shè)備較多，如中光公司的EGB1電源系列電子避雷器，易事達(dá)的并聯(lián)浪涌抑制器，瑪斯特公司的浪涌抑制器，DK公司的系列電源避雷箱等。易事達(dá)還生產(chǎn)一種串聯(lián)式浪涌抑制濾波器，它帶有高能鉗位器件和特別的濾波電路，也是當(dāng)今較先進(jìn)的浪涌衰減技術(shù)。(但價格較昂貴)。目前，經(jīng)

14、常使用的電源浪涌防護(hù)產(chǎn)品一般為金屬氧化物壓敏電阻材料，它的特點(diǎn)是一旦電壓超過了箝位電壓時，它立即進(jìn)入箝位狀態(tài)，限制了電壓升高，從而保護(hù)了設(shè)備，每當(dāng)進(jìn)入箝位狀態(tài)，就會有1MA左右的電流通過壓敏電阻入地。 同時，也要加強(qiáng)高低壓避雷閥的維護(hù)和測試，采取多種形式的避雷防護(hù)，保證電源供電線路路感應(yīng)雷的雷擊。 四、電話線、信號線的防雷 隨著信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，高速率、數(shù)字化、智能化、微型化、大容量通信越來越普及，而微電子數(shù)字通信系統(tǒng)集成化程度較高，承受脈沖的能力比較弱，而信號線引進(jìn)的雷電沖擊波強(qiáng)度較大，往往遭受雷電襲擊而損壞設(shè)備，造成通信線路中斷，影響設(shè)備安全運(yùn)行。為防止雷電侵入信號線路，在線路上把雷電脈沖泄放掉或堵住宅，一般信號避雷器采用分流，多級泄放、引流入地技術(shù)，當(dāng)信號線受雷電感應(yīng)電壓超過