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。山上土少石頭多，接地電阻很難降得很低，有的站達20Ω-30Ω，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，采用切實可行的防雷措施。
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作用，但隨著社會的發(fā)展，時代的進步和實踐的深化，其局限性越來越顯露出來，通過多年實踐，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對象的防雷安全，而采用綜合治理、整體防范、多重保護、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)成特定的工程網(wǎng)絡(luò)，在某一特定的保護空間的一切進雷通道上，采用引、泄、堵、消、防、避的方法，來保護被保護對象(通信設(shè)備、人身、房屋)安全。而網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)工程的規(guī)模又和當?shù)氐募夹g(shù)經(jīng)濟條件，所處地域的雷暴日數(shù)，保護對象性質(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，當時認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)過多次實驗表明，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安，而一次中等的雷電能釋放大約25-30庫侖的電量，相當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。而避雷針所產(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di/dt=100KA/2.6μs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=0.2［λn(1000/a-1/2］*di/dt×10-6 式中a為避雷針至平行導(dǎo)線的距離 經(jīng)計算平行導(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= (1.67μH/m) H為測試點距大地的高度，取H=10 R為接地電阻 當r=0,R=10Ω時，Vx=1.6MV 當r=0,R=0Ω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，來保護特定目標。
二是提早電流發(fā)射終端，它的曲率半徑較大，有更強的積累電荷的能力，由于這個積累，它將在更遠的距離內(nèi)擊穿空氣發(fā)射電流，因此更易于與雷擊的步進先導(dǎo)放電接通，攔截了附近目標的雷擊，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，保護了特定防雷目標。 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、進機房前采取三處接地處理，饋線較長的可在中間增加接地點，保證接地良好，以進行多級防護。 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，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，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，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=(ρ/2πL)〔λn(L2/dh)+K〕 式中 ρ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，當凝固后，與金屬接地體緊密連在一起，相當加大了電極尺寸，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。如二七微波站在地線改造中，對舊坑進行了改造，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10Ω以下，個別地方降到2Ω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，確保設(shè)備和人身的安全。瑪斯特公司推薦采用單點接地電位基準，我們通信單位也是這樣做的。所謂單點接地電位基準就是所有站內(nèi)設(shè)備接地點在一點上，即所有站內(nèi)設(shè)備取單一接地點的電位作為電位基準，且僅取自一點。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，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，實際上它是由一系列的放電過程組成的，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，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，首先在主進線上安裝一個高容量浪涌抑制器，再在主配電盤負載側(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，為了保護敏感的大規(guī)模集成電路設(shè)備，可在負荷側(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，也是當今較先進的浪涌衰減技術(shù)。(但價格較昂貴)。目前，經(jīng)常使用的電源浪涌防護產(chǎn)品一般為金屬氧化物壓敏電阻材料，它的特點是一旦電壓超過了箝位電壓時，它立即進入箝位狀態(tài)，限制了電壓升高，從而保護了設(shè)備，每當進入箝位狀態(tài)，就會有1MA左右的電流通過壓敏電阻入地。
同時，也要加強高低壓避雷閥的維護和測試，采取多種形式的避雷防護，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，而信號線引進的雷電沖擊波強度較大，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)，當信號線受雷電感應(yīng)電壓超過一定值時，避雷器將限制電壓變化，并將雷電能量或其它干擾信號釋放入地，從而保證通信設(shè)備的安全，信號線避雷器主要工作原理是當沒有雷電時，防雷元件呈高阻狀態(tài)對電路信號沒有任何影響，一旦輸入端出現(xiàn)感應(yīng)雷電波時，該防雷器件很快從高阻狀態(tài)躍變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，將雷電泄放到大地，防止了雷電波的侵入，保護了設(shè)備和人身安全。
總之，雷電的發(fā)生是沒有規(guī)律性的，是隨機的事件，我們要高度重視，采取多種手段進行綜合性防治，使雷害減少到最低限度，保證通信設(shè)備的安全和人身安全。
