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(shí)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(jí)分流”兩項(xiàng)措施具有的科學(xué)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和可推廣性。
關(guān)鍵詞 防雷技術(shù) 防雷接地 雙向多級(jí)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(qiáng)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(jī)率增大。
福建省高山微波站實(shí)行無人值守以來，雷擊障礙成為影響高山微波站正常運(yùn)行的最大隱患。據(jù)歷年資料統(tǒng)計(jì)，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(yán)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(tái)進(jìn)口油機(jī)、2套整流器、4個(gè)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(dòng)，就高山微波站的防雷技術(shù)進(jìn)行研究及探討。
1 高山微波站遭雷擊的主要原因
實(shí)行無人值守后，福建省高山微波站的防雷接地系統(tǒng)均嚴(yán)格按照郵電部頒發(fā)的《微波通信站防雷接地規(guī)程》進(jìn)行了改造。但是，從1994年以來，各站的雷害日趨嚴(yán)重。根據(jù)全省高山微波站的實(shí)際情況，機(jī)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(shí)，雷電流沒有完全入地，部分雷電流沿天饋線侵入機(jī)房，造成設(shè)備損壞。
(2)高壓架空線路進(jìn)線端或遠(yuǎn)端遭受直擊雷，雷電波由供電線路侵入機(jī)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(jī)房，那么微波通信設(shè)備首當(dāng)其沖。這是因?yàn)橐环矫嫱ㄐ旁O(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(duì)機(jī)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(jī)房，那么機(jī)房內(nèi)的供電設(shè)備首當(dāng)其沖 。油機(jī)房內(nèi)的調(diào)壓器、備用機(jī)組、油機(jī)市電轉(zhuǎn)換屏必遭損壞，另外，主機(jī)房內(nèi)的整流設(shè)備也會(huì)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(duì)表1進(jìn)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(shí)，雷電流并未對(duì)機(jī)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(yán)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(jìn)線端遭雷擊引起的。因此高壓線進(jìn)線端遭雷擊將對(duì)高山站的各種設(shè)備造成極為嚴(yán)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(rèn)定為高壓電力線遠(yuǎn)端遭受直擊雷，雷電波由供電線路侵入機(jī)房，造成設(shè)備損壞。因此，高壓電力線遠(yuǎn)端遭受直擊雷，雷電波由供電線路侵入機(jī)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(xiàng)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(shí)際情況應(yīng)著手解決以下三個(gè)問題：
(1)如何最大限度減小高壓電力線進(jìn)線端遭直擊雷的概率。
(2)如果雷電波沿供電線路侵入機(jī)房，采取何種防護(hù)措施。
(3)在解決以上兩個(gè)問題時(shí)，如何兼顧經(jīng)濟(jì)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(jìn)線端遭雷擊概率
當(dāng)直擊雷直接擊中電力線時(shí)，雖然被擊中點(diǎn)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(shí)，高電壓每經(jīng)過電桿，電桿上的瓷瓶就會(huì)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(yàn)方法GB3452-83》以及《電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)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(duì)直擊雷大小的統(tǒng)計(jì)（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(shí)（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(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。所以只要距離高壓線進(jìn)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(shí)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(diǎn)，電力線往往是沿低處向上架設(shè),因此進(jìn)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(hù)的重點(diǎn) 。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(duì)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(jìn)線端上方架設(shè)架空避雷線（見圖1）。對(duì)于新架設(shè)電力線，該方法較為簡單。但是對(duì)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(shí)不發(fā)生反擊）、跨度300多米的架空線，需對(duì)電桿機(jī)械支撐強(qiáng)度作重新計(jì)算。根據(jù)大部分站點(diǎn)的實(shí)際情況，強(qiáng)度都難以達(dá)到，因此需重新立桿, 這將是一筆不小的費(fèi)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(dá)9.3萬元。
(2)即使架設(shè)了架空避雷線，減小了直擊雷對(duì)電力線的直接打擊，但同時(shí)也存在架空線路對(duì)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(jìn)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(jī)械支撐強(qiáng)度，可以節(jié)省不小的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。以212站站為例，按照以上改造方案后，施工決算金額合計(jì)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(duì)“架空避雷線方案”以及“埋地改造方案”的防雷效果進(jìn)行分析：
假設(shè)實(shí)施改造前，進(jìn)線段遭雷擊概率為P0。
如果實(shí)施“架空避雷線方案”，進(jìn)線段遭雷擊概率P為：
P=PZ+PF
式中：PZ表示保護(hù)范圍內(nèi)直擊雷概率，取3%；PF表示保護(hù)范圍內(nèi)反擊概率。按照設(shè)計(jì)容量，避雷線受到50kA以上的雷擊時(shí)，會(huì)對(duì)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(shí)施“高壓電纜埋地引入改造方案”，進(jìn)線段遭雷擊概率P通過以下計(jì)算得出：
P=PZ+PF
式中：PZ表示保護(hù)范圍內(nèi)直擊雷概率，取3%PF表示保護(hù)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(jì) 、有效。
2.2 雷電波沿供電線路侵入機(jī)房時(shí)的防護(hù)措施
雖然對(duì)高壓進(jìn)線段作了防雷保護(hù)，但是保護(hù)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(huì)沿電力線侵入機(jī)房。
按照傳統(tǒng)的做法，一般是采用單向多級(jí)分流的辦法，見圖3。即在變壓器低壓側(cè)、油機(jī)房進(jìn)線端以及主機(jī)房進(jìn)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(duì)于該防雷方案，在實(shí)際維護(hù)中不難發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：
(1)防雷系統(tǒng)整體保護(hù)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(duì)屏內(nèi)設(shè)備以及備用機(jī)組造成損壞。另外，直流輸出到直流負(fù)載間無防雷保護(hù)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(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。
(2)防雷系統(tǒng)局部保護(hù)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(duì)相—地的過電壓進(jìn)行抑制(縱向保護(hù))。由于即使是同一型號(hào)的避雷器，其動(dòng)作時(shí)間也不會(huì)完全相同。因此當(dāng)某相避雷器失效或者動(dòng)作時(shí)間不一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生相間過電壓現(xiàn)象。
針對(duì)以上傳統(tǒng)的單向多級(jí)分流方案的缺陷，筆者在進(jìn)行防雷改造時(shí)提出了雙向多級(jí)分流方案，見圖4。
(1)防雷系統(tǒng)局部保護(hù)時(shí)，不但要進(jìn)行縱向過電壓保護(hù)，而且要進(jìn)行橫向(雙向）過電壓保護(hù), 即不僅在相—地間要進(jìn)行過電壓保護(hù)，相—相間也要進(jìn)行過電壓保護(hù)。
(2)防雷系統(tǒng)整體保護(hù)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(jìn)行防雷保護(hù)，另外在市電倒換屏的輸出端、直流母線的遠(yuǎn)端和近端也安裝避雷器。
(3)對(duì)于抗過電壓能力差的負(fù)載， 如高頻開關(guān)電源，在其輸入端也要進(jìn)行防雷保護(hù)。
(4)對(duì)于多輸入、多輸出的直流負(fù)載，特別是監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)以往設(shè)備損壞的情況 ，對(duì)雷擊故障率高的設(shè)備要進(jìn)行保護(hù)，例如，在信號(hào)采集器上安裝信號(hào)避雷器。在以上的雙向多級(jí)分流方案中，各級(jí)使用的防雷器件要嚴(yán)格按照保護(hù)對(duì)象的抗過電壓等級(jí)進(jìn)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(biāo)：
U額＜U動(dòng)
其中：U額表示設(shè)備最大工作電壓；U動(dòng)表示防雷器件的動(dòng)作電壓。
各級(jí)使用的防雷器件指標(biāo)如表6。
進(jìn)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(shí)機(jī)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(biāo)。
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(dá)到20kA(8/20μs)。
2.3 經(jīng)濟(jì)方面的考慮
在防雷改造中解決以上兩個(gè)問題后，還需兼顧經(jīng)濟(jì)投入的問題。因此，可采取以下方案。
(1)雷害次數(shù)多的站點(diǎn)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(yán)重，可先進(jìn)行改造。
(2)故障概率高的設(shè)備先改造。在對(duì)各站監(jiān)控系統(tǒng)防雷改造時(shí)，理論上每個(gè)采集點(diǎn)都有遭雷擊的可能，但是根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，四號(hào)采集器上的采集點(diǎn)遭雷擊的概率最大，因此先對(duì)四號(hào)采集器進(jìn)行改造。
(3)根據(jù)發(fā)生概率最大的雷電流值進(jìn)行改造。理論上，在防雷系統(tǒng)防護(hù)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(qiáng)度的雷擊，但這需要巨大的經(jīng)濟(jì)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(dá)到的最大通流量為20kA。
3 高山站防雷改造實(shí)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(diǎn)的實(shí)際情況，我們?cè)?997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(gè)主要因素。當(dāng)雷電由高壓架空線路進(jìn)入站區(qū)時(shí)，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(dòng)作時(shí)間較慢（μs級(jí)），殘壓較高，無法對(duì)低壓通信設(shè)備發(fā)揮有效的防雷保護(hù)作用。
根據(jù)以上提出的兩項(xiàng)防雷改造措施，結(jié)合該站的實(shí)際情況，我們制訂了如圖5所示改造方案：
(1)對(duì)10kV架空明線的進(jìn)線段（約300米）進(jìn)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(dòng)作時(shí)間為納紗級(jí)，殘壓為900V，通流量可達(dá)30kA。雷擊發(fā)生時(shí)，大部分的雷電流由此分流入地。
(4)在油機(jī)房進(jìn)、出線端以及主機(jī)房進(jìn)線端加裝德國OBO V25/4避雷器。該避雷器動(dòng)作時(shí)間為納秒級(jí)，殘壓為600V，通流量可達(dá)10kA。安裝在變壓器低壓側(cè)的LA60-B避雷器與油機(jī)房進(jìn)線端的OBO V25/4避雷器配合，可以將侵入油機(jī)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(jī)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(duì)采集器以及環(huán)控器上的信號(hào)線加裝信號(hào)避雷器，避免信號(hào)線產(chǎn)生耦合雷電過電壓對(duì)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(hù)。
以上改造方案中對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的防雷改造，充分考慮到了經(jīng)濟(jì)原則。由于高山無人職守站的監(jiān)控點(diǎn)較多，理論上每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都可能是雷電流余波的侵入點(diǎn)，如果對(duì)所有監(jiān)控點(diǎn)都進(jìn)行分流改造，每個(gè)點(diǎn)需2000元，這樣將花費(fèi)巨大資金。我們通過分析后發(fā)現(xiàn)電源部分的監(jiān)控點(diǎn)是雷擊的主要入侵點(diǎn)，雷擊概率較大，因此僅對(duì)電源監(jiān)控點(diǎn)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(yán)把質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格挑選動(dòng)作時(shí)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(shí)可行的防雷接地系統(tǒng)維護(hù)作業(yè)計(jì)劃，保證防雷接地系統(tǒng)在雷擊時(shí)能發(fā)揮有效的保護(hù)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(gè)雷害較為嚴(yán)重的站點(diǎn)做了試驗(yàn)性改造，從表6改造前后的比較中，可以進(jìn)一步驗(yàn)證改造是有效的。
