徐亮(福建省無線通信分公司 350002 福州)
摘 要 從現(xiàn)代防雷理論及福建省無線通信局開展的防雷改造實際效果方面，論述了高山微波站防雷改造中采用的“高壓電纜埋地”、“雙向多級分流”兩項措施具有的科學(xué)性、先進性、經(jīng)濟性和可推廣性。
關(guān)鍵詞 防雷技術(shù) 防雷接地 雙向多級分流
前言
隨著現(xiàn)代通信設(shè)備的更新?lián)Q代，集成芯片的廣泛應(yīng)用，這一方面加強了設(shè)備的使用功能，使得系統(tǒng)的控制功能更加靈活；另一方面，由于集成元器件的抗沖擊能力較低，造成設(shè)備受雷電影響及損壞的機率增大。
福建省高山微波站實行無人值守以來，雷擊障礙成為影響高山微波站正常運行的最大隱患。據(jù)歷年資料統(tǒng)計，1995年～1997年，全省微波電路障礙10次，其中由于雷擊造成的電路障礙5次，占50%。而212站作為全省海拔最高的高山微波站，雷害更為嚴重。資料顯示，212站1995年雷擊次數(shù)2次，1996年雷擊次數(shù)3次，1997年雷擊次數(shù)2次 。特別是1997年3月16日的雷擊，造成該站2臺進口油機、2套整流器、4個高頻開關(guān)電源模塊以及全套監(jiān)控系統(tǒng)故障，微波通信設(shè)備遭受巨大損壞。因此，防雷改造勢在必行 。本文結(jié)合福建省無線通信分公司1997年以來在閩西北線各高山微波站開展的一系列防雷改造活動，就高山微波站的防雷技術(shù)進行研究及探討。
1 高山微波站遭雷擊的主要原因
實行無人值守后，福建省高山微波站的防雷接地系統(tǒng)均嚴格按照郵電部頒發(fā)的《微波通信站防雷接地規(guī)程》進行了改造。但是，從1994年以來，各站的雷害日趨嚴重。根據(jù)全省高山微波站的實際情況，機房內(nèi)設(shè)備遭雷擊主要有以下幾種可能的原因 ：
(1)站區(qū)內(nèi)鐵塔接閃時，雷電流沒有完全入地，部分雷電流沿天饋線侵入機房，造成設(shè)備損壞。
(2)高壓架空線路進線端或遠端遭受直擊雷，雷電波由供電線路侵入機房，造成設(shè)備損壞。
根據(jù)高山微波站的設(shè)備之間連接情況，如果雷電流是沿著第一種可能的途徑侵入機房，那么微波通信設(shè)備首當(dāng)其沖。這是因為一方面通信設(shè)備直接與天饋線相連，另一方面，通信設(shè)備中的電路集成度較高，抗過電壓的能力較弱。在這種情況下，如果雷電流足夠大，還可能沿直流供電線路對機房內(nèi)的整流設(shè)備造成損壞。
如果雷電流是沿著第二種可能的途徑侵入機房，那么機房內(nèi)的供電設(shè)備首當(dāng)其沖 。油機房內(nèi)的調(diào)壓器、備用機組、油機市電轉(zhuǎn)換屏必遭損壞，另外，主機房內(nèi)的整流設(shè)備也會受損。由于整流回路中串聯(lián)著變壓器及濾波電感，在其直流輸出端雷電波將受到很大的減弱，但是仍有可能使部分抗過電壓能力較弱的直流用電設(shè)備遭受損壞。
對表1進行分析，可以看出：在1994年～1997年的28次雷擊故障中，微波通信設(shè)備都未發(fā)生損壞；有19次故障與供電設(shè)備有關(guān)，占故障總數(shù)的67.8%；有9次故障僅為監(jiān)控系統(tǒng)故障，占故障總數(shù)的32.2%。因此可以得出以下結(jié)論：
(1)鐵塔接閃時，雷電流并未對機房設(shè)備造成損壞。因此第一種可能的雷擊途徑并非高山微波站發(fā)生雷擊故障的主要原因。
(2)212站在1997年3月16日發(fā)生的雷擊故障中設(shè)備損壞相當(dāng)嚴重，大部分供電設(shè)備都遭受不同程度的損壞。經(jīng)過現(xiàn)場的事故分析，基本可以斷定是由于高壓線進線端遭雷擊引起的。因此高壓線進線端遭雷擊將對高山站的各種設(shè)備造成極為嚴重的損壞。
(3)除了212站在1997年3月16日發(fā)生的雷擊故障以外，其余27次的雷擊故障（約96.4%的雷擊故障）基本認定為高壓電力線遠端遭受直擊雷，雷電波由供電線路侵入機房，造成設(shè)備損壞。因此，高壓電力線遠端遭受直擊雷，雷電波由供電線路侵入機房 ，是高山微波站發(fā)生雷擊故障的主要原因。
根據(jù)這3項結(jié)論可以確定：高壓供電線路是高山微波站遭雷擊的主要途徑。根據(jù)實際情況應(yīng)著手解決以下三個問題：
(1)如何最大限度減小高壓電力線進線端遭直擊雷的概率。
(2)如果雷電波沿供電線路侵入機房，采取何種防護措施。
(3)在解決以上兩個問題時，如何兼顧經(jīng)濟投入的問題。
2 防雷改造方案及論證
2.1 最大限度減少高壓線進線端遭雷擊概率
當(dāng)直擊雷直接擊中電力線時，雖然被擊中點的電位與雷云電位相等，即具有數(shù)百萬伏的電位，但是當(dāng)雷電流沿著導(dǎo)線向兩邊傳播時，高電壓每經(jīng)過電桿，電桿上的瓷瓶就會發(fā)生閃絡(luò)，并將部分雷電流分流入地。參照《電子設(shè)備雷擊試驗方法GB3452-83》以及《電子設(shè)備雷擊試驗導(dǎo)則GB3483-83》，直擊雷在經(jīng)過兩根電桿后沿導(dǎo)線繼續(xù)向前傳播的雷電流幅值將減小2/3。參照《GB50057-94防雷規(guī)范》中對直擊雷大小的統(tǒng)計（見表2），80%的直擊雷電流幅值不超過50kA。那么當(dāng)電力線第二根電桿以外的電力線遭雷擊時（假設(shè)電流為50kA），經(jīng)過瓷瓶閃絡(luò)后，流入站區(qū)的雷電流將小于20kA ，通過后續(xù)分流處理后，正常情況下不會對設(shè)備造成損壞。所以只要距離高壓線進線端到第二根電桿之間的電力線不遭直擊雷，就可以大大減小雷擊的損壞。在實際情況中，由于高山微波站往往設(shè)在某一區(qū)域的制高點，電力線往往是沿低處向上架設(shè),因此進線端到第二根電桿之間的電力線既是直擊雷發(fā)生概率最大的部位，也是防護的重點 。最大限度減少該段電力線遭雷擊概率，就在很大程度上避免了直擊雷對站區(qū)設(shè)備的損壞。
按照傳統(tǒng)的解決方法，通常是在高壓線進線端上方架設(shè)架空避雷線（見圖1）。對于新架設(shè)電力線，該方法較為簡單。但是對于電力線已架設(shè)好的地區(qū)，則存在較多困難，主要表現(xiàn)在：
(1)在原有的電桿上加裝2米高（直擊雷電流小于50kA時不發(fā)生反擊）、跨度300多米的架空線，需對電桿機械支撐強度作重新計算。根據(jù)大部分站點的實際情況，強度都難以達到，因此需重新立桿, 這將是一筆不小的費用。以212站為例，按照架空避雷線方案作預(yù)算，施工預(yù)算金額高達9.3萬元。
(2)即使架設(shè)了架空避雷線，減小了直擊雷對電力線的直接打擊，但同時也存在架空線路對電力線的反擊。
考慮到以上原因，提出以下改造方案：將架空線進線段改用鎧裝埋地電纜入站，電纜兩端安裝高壓氧化鋅避雷器；將原架空線兩端接地，作為埋地電纜架空避雷線(見圖2)。
采用以上改造方案后，無需在原電桿上增加載重，因此無需重新考慮電桿機械支撐強度，可以節(jié)省不小的經(jīng)濟費用。以212站站為例，按照以上改造方案后，施工決算金額合計6.5萬元。另外，由于架空避雷線與埋地電纜距離較大，發(fā)生反擊的可能性極小，可以不予考慮。下面對“架空避雷線方案”以及“埋地改造方案”的防雷效果進行分析：
假設(shè)實施改造前，進線段遭雷擊概率為P0。
如果實施“架空避雷線方案”，進線段遭雷擊概率P為：
P=PZ+PF
式中：PZ表示保護范圍內(nèi)直擊雷概率，取3%；PF表示保護范圍內(nèi)反擊概率。按照設(shè)計容量，避雷線受到50kA以上的雷擊時，會對電力線產(chǎn)生反擊。由表2可知，50kA以上的雷擊概率為（10%+7%+3%），因此：
P=3%×P0+（10%+7%+3%）×P0=23%P0
如果實施“高壓電纜埋地引入改造方案”，進線段遭雷擊概率P通過以下計算得出：
P=PZ+PF
式中：PZ表示保護范圍內(nèi)直擊雷概率，取3%PF表示保護范圍內(nèi)反擊概率，其值為0。
P=3%×P0=3%P0
通過表5中兩種方案的比較，可知高壓電纜埋地改造方案比傳統(tǒng)方案資金少投入30.10%, 而防直擊雷的概率卻減小了86.95%。因此該方案比傳統(tǒng)方案更為科學(xué)、經(jīng)濟 、有效。
2.2 雷電波沿供電線路侵入機房時的防護措施
雖然對高壓進線段作了防雷保護，但是保護段以外的電力線仍有遭雷擊的可能。一旦出現(xiàn)這種情況，部分雷電波仍會沿電力線侵入機房。
按照傳統(tǒng)的做法，一般是采用單向多級分流的辦法，見圖3。即在變壓器低壓側(cè)、油機房進線端以及主機房進線端的相線與地線間各安裝一組氧化鋅無間隙避雷器(1995年以前多使用閥式避雷器)。對于該防雷方案，在實際維護中不難發(fā)現(xiàn)以下幾個問題：
(1)防雷系統(tǒng)整體保護不完整。如果市電倒換屏的輸出電纜遭雷擊，雷電波將侵入倒換屏，對屏內(nèi)設(shè)備以及備用機組造成損壞。另外，直流輸出到直流負載間無防雷保護措施，如果侵入的雷電波經(jīng)過前三道分流后仍未完全入地，則會對設(shè)備造成損壞。
(2)防雷系統(tǒng)局部保護不完整。從圖3中可以看到，三道避雷器都只接在相線與地線之間，也就是說局部只有對相—地的過電壓進行抑制(縱向保護)。由于即使是同一型號的避雷器，其動作時間也不會完全相同。因此當(dāng)某相避雷器失效或者動作時間不一致時，就會發(fā)生相間過電壓現(xiàn)象。
針對以上傳統(tǒng)的單向多級分流方案的缺陷，筆者在進行防雷改造時提出了雙向多級分流方案，見圖4。
(1)防雷系統(tǒng)局部保護時，不但要進行縱向過電壓保護，而且要進行橫向(雙向）過電壓保護, 即不僅在相—地間要進行過電壓保護，相—相間也要進行過電壓保護。
(2)防雷系統(tǒng)整體保護上，除了在原有的變壓器高低壓側(cè)、市電倒換屏、交流配電屏輸入端進行防雷保護，另外在市電倒換屏的輸出端、直流母線的遠端和近端也安裝避雷器。
(3)對于抗過電壓能力差的負載， 如高頻開關(guān)電源，在其輸入端也要進行防雷保護。
(4)對于多輸入、多輸出的直流負載，特別是監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)以往設(shè)備損壞的情況 ，對雷擊故障率高的設(shè)備要進行保護，例如，在信號采集器上安裝信號避雷器。在以上的雙向多級分流方案中，各級使用的防雷器件要嚴格按照保護對象的抗過電壓等級進行選擇，即：
U殘＜U抗
其中：U抗表示設(shè)備最大抗過電壓，一般取設(shè)備工作電壓峰值的2倍；U殘表示防雷器件的殘壓。
另外參照GB11032—89規(guī)定，防雷元器件還應(yīng)滿足以下指標：
U額＜U動
其中：U額表示設(shè)備最大工作電壓；U動表示防雷器件的動作電壓。
各級使用的防雷器件指標如表6。
進行以上改造后，假設(shè)由電力線侵入的雷電流I=20kA（8/20μs），此時機房內(nèi)設(shè)備能承受的最大電壓以及設(shè)備端的最大工作電壓，即避雷器的殘壓。表7為改造后避雷器及設(shè)備指標。
從表7可以得出結(jié)論，改造后設(shè)備與避雷器均能正常工作，并且改造后的防雷系統(tǒng)分流能力可以達到20kA(8/20μs)。
2.3 經(jīng)濟方面的考慮
在防雷改造中解決以上兩個問題后，還需兼顧經(jīng)濟投入的問題。因此，可采取以下方案。
(1)雷害次數(shù)多的站點先改造。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，1997年以前大窠、212、仁隔山等站雷害較嚴重，可先進行改造。
(2)故障概率高的設(shè)備先改造。在對各站監(jiān)控系統(tǒng)防雷改造時，理論上每個采集點都有遭雷擊的可能，但是根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，四號采集器上的采集點遭雷擊的概率最大，因此先對四號采集器進行改造。
(3)根據(jù)發(fā)生概率最大的雷電流值進行改造。理論上，在防雷系統(tǒng)防護手段齊全的前提下，只要防雷系統(tǒng)通流量足夠大，就可以抵抗任何強度的雷擊，但這需要巨大的經(jīng)濟投入。經(jīng)過高壓電纜埋地改造后，電力線侵入的雷電流小于20kA，因此確定系統(tǒng)改造要達到的最大通流量為20kA。
3 高山站防雷改造實例
依據(jù)以上提出的防雷改造措施，結(jié)合福建省無線通信各站點的實際情況，我們在1997年7月份完成了212微波站的防雷系統(tǒng)改造。圖5為212站防雷改造示意圖。改造前近站區(qū)的高壓線路沿著山脊，這是高壓線路容易遭雷擊的一個主要因素。當(dāng)雷電由高壓架空線路進入站區(qū)時，線路上起分流作用的器件只有四道閥式避雷器，而閥式避雷器動作時間較慢（μs級），殘壓較高，無法對低壓通信設(shè)備發(fā)揮有效的防雷保護作用。
根據(jù)以上提出的兩項防雷改造措施，結(jié)合該站的實際情況，我們制訂了如圖5所示改造方案：
(1)對10kV架空明線的進線段（約300米）進行埋地處理。
(2)在電纜入地端以及變壓器的高壓端加裝氧化鋅高壓避雷器。
(3)將變壓器低壓側(cè)原有的閥式避雷器改為德國LA60-B避雷器。該避雷器動作時間為納紗級，殘壓為900V，通流量可達30kA。雷擊發(fā)生時，大部分的雷電流由此分流入地。
(4)在油機房進、出線端以及主機房進線端加裝德國OBO V25/4避雷器。該避雷器動作時間為納秒級，殘壓為600V，通流量可達10kA。安裝在變壓器低壓側(cè)的LA60-B避雷器與油機房進線端的OBO V25/4避雷器配合，可以將侵入油機房的雷電波瞬間電壓抑制在600V以下，滿足了IEEC62.41的規(guī)定。
�。�5)在主機房24V直流系統(tǒng)中安裝兩套KOREA直流避雷器，將直流母線間的瞬間過電壓抑制在50V以下。
(6)對采集器以及環(huán)控器上的信號線加裝信號避雷器，避免信號線產(chǎn)生耦合雷電過電壓對監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生損壞。
(7)在高頻開關(guān)電源前端加裝ESP-415避雷器。高頻開關(guān)電源抗過電壓能力較弱,所以要加以特別保護。
以上改造方案中對監(jiān)控系統(tǒng)的防雷改造，充分考慮到了經(jīng)濟原則。由于高山無人職守站的監(jiān)控點較多，理論上每個監(jiān)控點都可能是雷電流余波的侵入點，如果對所有監(jiān)控點都進行分流改造，每個點需2000元，這樣將花費巨大資金。我們通過分析后發(fā)現(xiàn)電源部分的監(jiān)控點是雷擊的主要入侵點，雷擊概率較大，因此僅對電源監(jiān)控點作了分流改造。
另外，依據(jù)現(xiàn)代防雷理論中的耐用、可靠的原則，一方面在防雷元器件的選型上嚴把質(zhì)量關(guān)，嚴格挑選動作時間短、通流量大、殘壓符合要求的防雷器件；另一方面 ，制訂切實可行的防雷接地系統(tǒng)維護作業(yè)計劃，保證防雷接地系統(tǒng)在雷擊時能發(fā)揮有效的保護作用。
4 改造效果分析
212站經(jīng)過以上改造后，至今2年多來，雖然該站區(qū)內(nèi)雷擊現(xiàn)象頻繁，但站內(nèi)設(shè)備均未發(fā)生損壞。另外，我們先后還在其他幾個雷害較為嚴重的站點做了試驗性改造，從表6改造前后的比較中，可以進一步驗證改造是有效的。
