浅析微波站防雷系统建设

萨如拉

内蒙古新闻出版广电局微波传输总站 内蒙古 呼和浩特市 010050

1 雷击综述

1.1 雷击的产生

雷击是带电的云层之间或是带电云层对大地间的迅猛的放电，这种迅猛的放电过程常常产生强烈的闪光并伴随着巨大的声音。

云层带电原因主要是空气的运动使空气中的水蒸汽随之上升、下降的运动过程中，水分子被大气电场所电离而变成带有电极性的离子。在电场的作用下，同种极性电荷的离子聚集在一起，形成强大的电场能量。

当云层中的电离子累积到一定数量时，其与大地间的电场强度上升到足以击穿空气的强度，这样就产生了雷击放电的现象。根据电场理论，在物体的尖端部分电子受到同性电荷向外排斥的力量最强，容易被排斥离开物体而形成电子流与云层中随云粒或水成物向地面靠拢的带电微粒形成先导放电通道，并最终形成放电主通道，即雷击。

1.2 雷击的主要表现形式

1.2.1直击雷

雷云对大地或大地上某一物体间的直接放电，比如对铁塔、房屋等，雷电流通过物体向大地中泄放时电流产生的机械力造成被击中物体的严重破坏。

1.2.2 雷电电磁脉冲

在直击雷发生或雷云间放电时，由于静电感应作用在地面某一范围内形成的静电荷失去电场力束缚，或雷击放电通道周围一定范围内因瞬变的大电流产生的电磁脉冲感应都会在地面物体上产生非常高的电位，进而形成电流向其他物体放电或沿金属物体向远处传播。

1.2.3 球形雷

在雷击中偶然出现的各种颜色、大小不同的“火球”，在空中或平移或滚动，通常持续几秒到十几秒时间。火球能通过地沟、电缆井等各种途径进入室内，或是消失或是发生剧烈的爆炸，碰到人、畜将会造成严重的烧伤或死亡事故。由于其发生机会少、持续时间短，到目前为止，尚未对其产生的原因及防护措施形成权威的科学论证。

1.3 雷电活动及雷击的选择性

雷电活动从季节来讲以夏季最为活跃，冬季最少。评价某一地区雷电活动的强弱，通常用“雷电日”来表示，即以一年当中该地区有多少天发生过人耳能听到的雷鸣来记录雷电活动的情况，雷电日的天数越多，表示该地区的雷电活动越频繁。我国年平均雷电日的分布情况大致可分为四个区域：一是西北地区，年平均雷电日在15天以下；二是华北及东北地区，年平均雷电日在15～40天；再有是长江以南地区，通常在40天以上。呼和浩特地区，年平均雷暴为39天/年。

雷击有很强的不确定性，无法预先判断每一次雷击的放电通道的位置。同时，它还具有一定的选择性，一些具有一定特征的建筑或地面物体相比较而言容易遭受雷击，经过观察及实验，总结出雷击的频繁程度与下列一些特点有很大的关系。

（1）土壤电阻率的大小。雷击通常发生在土壤电阻率较小的地方，而邻近的高土壤电阻率的地方相对较少。

（2）水（包括地上及地下）含量的多少。如湖泊、低洼地区及地下水位高的地方。

（3）地形、地貌的不同。山区、金属矿区、河岸、地下水出口处等与周围其他地带地形、地貌不同处。

（4）地面上的设施情况。地面上较高的或孤立的建筑物、铁塔等金属结构或内部较潮湿的机房等均是雷击的主要目标。

1.4 雷电的破坏作用

1.4.1 雷电流的热效应

强大的雷电流通过被击中的物体时会产生热量，根据焦耳定律，其热量。雷电流的放电时间很短，在较大的放电通道电阻及电流强度的作用下，雷电流产生的热量来不及散发，将会使被击中物体内的热量迅速上升、水分蒸发汽化而膨胀产生巨大的爆炸力而使物体被破坏。

1.4.2 雷电的冲击波效应

冲击波有两种，一是雷电对周围空气的加热使空气膨胀而向四周迅速扩散压缩周围的冷空气而形成的激波；另一种是雷击后伴随产生的频率只有几赫兹的“次声波”。这两种冲击波都会对人或动物造成不同程度的影响甚至死亡。

1.4.3 雷电的电动力效应

当雷电流通过多条平等的导体或带有小角度转角的导体时，因电磁力的作用会使两条导体向中间靠拢，或是在导体的转角两侧会受到另外一侧的电磁力的影响而使导体折断。

另外，还有静电感应、电磁感应及高电位引入造成的破坏。

1.5 过电压的产生

近年微波站或发射台发生过的雷害多是雷击电磁脉冲对电子设备造成的破坏。为什么雷击并没有直接击中也会破坏设备呢？这主要是因为雷击在一定范围内产生了过电压所导致的。在分析被损失设备时发现，微波设备的损坏绝大多数是因过电压或过电流造成了设备内部电子元件的烧毁或击穿，还有一部分是不明原因的设备工作不稳定或性能下降。

从雷电的发生机理和雷击的特点来分析，雷电产生过电压或过电流主要有以下几种方式：

（1）静电感应

当台站上空出现带电雷云时，雷云的下方带有某种极性的电荷，在下方的地面或上会因静电感应而带有异性电荷，在电场力的引力作用下这些电荷被束缚在一定的区域内。当雷云与其他雷云间或对地面某一物体间形成放电通道时，电荷对电荷迅速中和，此时地面上某此局部的感应电荷失去电场力的束缚后没有低阻抗的通道泄放入地，而形成很高的电位，特别是在金属线路（电源、信号等）上感应产生的静电荷会沿着导线向两端移动，形成很大的电位差而形成叠加于工作电流之上的过电流。此电流如通过电路中的电子元件形成回路将呈现大电流，如遇高阻抗则在元件两端呈现高电位差，最终的结果使电子元件无法承受大电流或过电压而损坏。

（2）电磁脉冲

与静电感应不同，电磁脉冲是以电磁波的形式在空中以雷击点为中心向四周传播，影响范围较静电感应大，影响程度也大于静电感应的危害。产生的主要原因是电－磁－电的相互转换，使雷击电流的能量一部分转换为瞬变的磁场能量，变化的磁场中的磁力线与磁场中的金属物体形成切割磁力线的运动，在金属物中产生感应电动势而形成过电压或过电流（视金属物是闭合或是开路）。对电子电气设备来说，电磁波是无孔不入的，从与设备连接的各种导线、设备内部的电路板和集成电路，都有可能被电磁波感应而产生高出正常工作电压数十倍甚至更高的电压，从而使设备部分电路失效或永久损坏。

（3）高电位引入

现代建筑对直击雷的防御已经有了十分成熟的规范标准，按标准设施、施工的建筑结构被雷电击中的可能性被降至最低，而被击中的往往是保护建筑物的防雷接闪装置（接闪装置自发明以来就是以引雷向自身的方式来保护被保护对象的），接闪装置必须有一个可靠的电流能量泄放通道才能将雷电能量安全地泄放入地，防雷的引下线及接地装置是整个直击雷防护系统中不可缺少的组成部分。在现代的建筑中，多数情况下防雷接地无法与其他接地装置保持安全的距离或是与整个建筑的电力系统接地装置、设备保护接地装置等共用建筑基础结构钢筋作为接地体的，接地装置的接地电阻在通过接闪器引下的雷电流时会产生瞬间的电位升高，该电位会沿着与其相通的电气设备工作、保护接地线反击至设备处，使设备接地的部分与其他线路或接口间产生反向的高电位差，而使元件击穿造成故障。

2 系统防御雷电灾害的主要措施

2.1 接闪及分流

接闪装置是针对建筑物或铁塔等设施防护直接雷击的最有效措施。它是利用安装在铁塔之上的避雷针等装置将雷电流引向自身并通过地线将雷电能量泄放入大地，从而使其保护范围内的建筑或设施免受雷击。

接闪装置的主要形式有避雷针、架空避雷线（网）、安装于建筑物上的避雷带（网）等几种。根据国内的防雷标准，不同的建筑或其附属的设施所配置的接闪装置形式、安装位置及高度应按被保护物的特点进行选择，相同设施处于不同类别的防雷建筑时的接闪装置参数的计算是不同的（详细内容参阅GB50057－94（2000）版、IEC61024等相关标准）。需要说明的是，即使按最严格的防护设施的计算方法确定的防雷装置，其对被保护物的防护也不可能达到100%，因为装置的有效性与雷电的随机发生情况有直接关系，它的确定是按可接受的雷击事故概率为基础的。大气变化是大规模的，雷云的发生也是大规模的，而且雷云的移动受很多可变因素支配，条件是随机的。避雷装置只能大大减少被雷击的可能性，但不能100%地消除雷击现象。

例如，以“滚球法”对避雷针的高度计算中的“滚球半径”就与雷电流的大小成对应关系：。确定了滚球半径也就确定了避雷针可防护的雷电流的最小值，当发生的雷电流小于其对应数值时就有可能失去防护能力而造成雷电对被保护物的直接放电。但是这个概率很低，而且雷电流的能量对被保护物的破坏程度比较小。

分流是将接闪装置接收的雷电能量泄放入大地的通道，要求其能以最短的途径、最快的速度将雷电流导向接地体。由于雷电流是一个具有很强瞬间功率的电流源，在其通过的不足1秒的时间内如果导体的截面积不够大就有可能使泄放通道产生局部过热、变形甚至断裂，造成防雷装置的失效。为此，应将接闪装置与大地的连接采用尽可能多的通道分配能量，使每一个通道通过的雷电能量尽量地小，这样就能在通过雷电流的同时保证防雷装置的安全。同时，分流还能使各引下线的对地电位降低，减小人员误触时的电击危险；减小因导体通过大电流而产生的二次电磁感应的强度，降低对建筑物内部的金属物、设备的电磁脉冲危害。

分流多是采用单独敷设的引下线或钢筋混凝土框架结构建筑中的主钢筋等上下贯通的金属物，两端分别与接闪装置及接地装置以焊接的方式连接。

2.2 屏蔽

从雷电发生的原理我们可以知道，雷电在放电过程中实际是一个具有很大瞬间功率的电流源，无论是云间放电还是云－地放电都会产生强大的电流。根据电磁学的理论，当一个电流通道通过变化的电流时将产生变化的电磁场，而这个电磁场的最大强度与电流的大小成正比，电磁场产生后以电磁波的形式向四周传播，在空间某一位置的电磁场强度除了与该电磁场的最大强度有关外还与该处距电流通道的距离成反比。由雷电产生的电磁波对周围的电磁影响范围可达1km以上，甚至可达到3km。并且，电磁波的传播可以不借助任何可见载体。可见，在雷雨季节我们不能保证某一建筑物肯定不会受雷电电磁脉冲的干扰，特别是在当今社会大量使用微电子信息设备或精密电子仪器的情况下更不能掉以轻心。

对于电子设备来说，各种不同设备对电磁波的干扰是具有一定的抗干扰能力的，但如果设备处的电磁干扰强度超出了其抗干扰能力就可能使设备工作失效或损坏内部器件。随着科技的进步，大量的超大规模集成电路的广泛应用，设备的工作频率及功耗在不断增加。电子设备生产商为降低设备的整体功率及发热量、保证系统的稳定，不断地降低设备内部电路的工作电压，这也同时降低了设备抗电磁干扰及过电压的能力。根据美国通用公司的研究报告，电子计算机在0.07GS的磁场中就会发生错误，当磁场强度达2.4GS时将造成芯片的损坏。

对于包括雷电在内的多种电磁脉冲波的干扰抑制最简单、有效的方法，是利用金属屏蔽的方式使电磁干扰的能量耦合在金属屏蔽层上形成能量的衰减，将电磁波能量转换为电、热等形式的能量释放入空中或大地，并在屏蔽体中产生反电动势而削减电磁波对金属物的电磁感应强度。

屏蔽从形式上分为建筑物屏蔽、建筑物内或建筑物间线路的屏蔽。不同的屏蔽措施应按建筑所处位置、特点、发生大电流雷击的可能性来确定，原则上应综合应用多种屏蔽措施达到抑制电磁脉冲的目的。

2.3 接地

接地作为直击雷保护的能量泄放通道的最后环节、屏蔽措施的感应电荷释放通道以及电子电气设备和对人员的安全保护，都是至关重要的安全系统组成部分。接地是各种与电气相关的安全措施的基础，接地质量的优劣直接影响到安全保护措施的效果。

对于雷击的保护，接地装置承担着雷电流的泄放任务。雷电流具有脉冲的特性，它在接地装置及大地中的情况是不能按常规的直流或工频特点分析的。因此，在防雷的标准中引入了“冲击接地电阻值”，它与工频接地电阻不同，在不同的雷电流波形及不同的土壤环境中有很大差别。简单说，因土壤在冲击电流的情况下会发生局部击穿的情况，冲击接地电阻值在数值上常常小于工频接地电阻值，这对我们测量、判断一个接地装置的冲击接地电阻值是否符合要求提供了理论基础（在现有测量设备的条件下直接测量冲击接地电阻较困难，只能测量工频接地电阻值）。工频接地电阻与冲击接地电阻的换算可依据GB50057－94（2000）版中的相关内容。

防雷保护的接地装置还要求其能迅速将雷电能量泄放入地，同时还要考虑到雷电流泄放时的土壤电位（跨步电压），要求接地装置具有足够的电流流散面。从某种意义上说，防雷接地装置的结构比接地电阻值更加重要。为了达到均衡电位、快速泄放电流的目的，同时考虑到多分流引下线的接地问题，将接地装置围绕被保护建筑设为闭合的环形是比较科学、有效的。现代的高层建筑多采用钢筋混凝土结构，其深埋于地下的基础是由钢筋及混凝土组成的，实验证明，多数混凝土在地下潮湿的环境中电阻率是很小的，可以将其当作接地装置使用，这样既节省了单独设置接地装置的麻烦与浪费，又能保证整个建筑不同位置就近接地的需要。同时，基础钢筋在混凝土中的防腐性能大大提高、接地装置的有效面积通常与建筑相同，保证了接地装置的稳定性、抗腐蚀性及散流面积。

当没有可利用的基础接地装置或基础接地装置的面积、阻值等不符合设计要求时，应考虑增设人工接地体作为辅助接地达到设计要求。平原等土质较好土壤电阻率较低，可选用普通材质的人工接地体，如镀锌钢材、铜材等。土壤电阻率较高的环境、山区、城区中，环境因素导致施工面积小，采用普通接地材料施工难度大，很难达到设备或防雷等对接地系统的要求，则需要选择新型材料作为人工接地体，如离子接地系统。

2.4 均压等电位

雷击造成人员伤害及设备损坏的原因除直接击中外，最主要的原因就是雷电在不同的位置产生的电位差引起的。例如，人员在触及两个没有电气连接的金属物时，触及的金属管线在流过雷电流时将产生不同的感应电压降（特别是分流引下线的电位除感应电压降，还与接地装置的电位升相加），人的不同部位之间形成电位差，使一部分电流通过人体形成接地通道，当此电流达到人体耐受极限时就会发生电击事故，造成人员伤亡。再比如，两台靠近的设备之间存在一定距离的空气间隙，如果两台设备的金属外壳是通过各自的接地系统作保护，当雷击时可能发生两个接地装置电位不同的情况，不同的电位通过设备接地线在两台设备的金属外壳上体现，一旦电位差达到一定的程度就会使空气间隙击穿而放电形成设备间的电击，而造成设备的损坏。特别是防雷装置的分流引下线在通过雷电流时的电位是很高的，对邻近的金属物或设备放电的可能性非常大。

为了消除金属物间的电位差造成的对人和设备的危害，最有效的办法是将无法与人员隔离的区域内采取等电位连接的方法，以最短的导体多次连接非带电金属体，使各个位置的金属物具有相同或近似的电位，消除或减小电位差，达到安全的目的。这个区域可以是整个建筑也可以是建筑中的局部。

从上述角度分析，对于防雷接地系统在保证等电位的要求下应尽量采用共用接地系统，以达到消除电位差的目的。但有些特殊设备对接地的要求是独立接地，这主要是考虑到一些精密设备的抗干扰要求，因为如果采用共用接地系统，那么必然将交流接地、直流接地、设备保护接地、防雷接地、计算机逻辑接地等不同的接地线都连接在同一组接地体上。当有设备漏电或其他原因就会造成接地线的电位不为零，或者说是接地线中有干扰电流的情况，接地线的干扰对精密设备来说是不允许出现的。因此，对这种情况应在保证安全的前提下，通过接地装置的结构合理设计来避免接地干扰问题的出现。

2.5 过电压保护

过电压保护主要是针对与建筑物内电气设备连接的各种带电或传输信号的线路与设备接地系统间，因各种原因产生的高于正常工作值电压的抑制措施。这些原因包括：雷电直接击中建筑外的架空或埋地线路；远处雷击及本建筑物防直击雷装置接闪后，产生的电磁场在金属线路中的感应；直击雷保护接地体通过雷电流时的电位升高等。在采取必要的分流、屏蔽措施的基础上，这些带电的金属导体是不能直接采用等电位连接的方式接地的，需要通过安装电涌保护器的方式使线路与接地系统间形成暂态等电位，通过电涌保护器将线路中的雷电流泄放入地，将线路与接地系统间的电位差控制在设计的范围内，使其最终小于设备的耐冲击过电压水平，而达到保护设备的目的。

安装的电涌保护器按其应用范围分为电源电涌保护器、有线信号类电涌保护器、无线传输馈线电涌保护器等几种，不同类型的线路根据其特点采用不同的电涌保护器。通常，与设备连接的线路是穿过不同的电磁场强度的区域的，这些不同电磁场的区域在防雷专业中称为雷电防护分区，以LPZ来表示。由于金属线路是连贯的，要想将一个区域的电磁场强度有效地抑制，除了屏蔽外还应在电磁分区界面处将通过导线传入的大电流泄放才能达到可靠抑制电磁场的要求。为此，各种线路安装电涌保护器的原则均是在防雷分区界面处安装不同参数的保护器，一般是在外层（线路进入建筑的位置）安装具有大通流能力的保护器，在线路的中间和末端安装电压保护水平与该区域的设备耐冲击过电压水平相匹配的保护器，前后多级相互配合达到完整的保护目的。

3 高山微波站防雷建设

根据内蒙古高山现场环境和防雷的现状，参照YD5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》第8章微波、卫星地球站的防雷与接地和第9章通信局（站）雷电过电压保护设计，微波站雷电防护建设通常是直击雷防护设计、感应雷的防护设计和接地系统的改造三部分。

3.1 直击雷的防护

铁塔顶部安装避雷针1支。

3.2 感应雷的防护

电源避雷器：第一级安装100KA避雷器1套；第二级安装65KA避雷器2套；第三极安装40KA避雷器2套。其中，两台设备各安装直流电源避雷器2套，电源进一分三处安装避雷器1+2套。

3.3 接地系统的改造

YD5098-2005中要求，地网由机房地网、铁塔地网、变压器地网及地面均压网组成联合地网。

接地材料一般选用离子接地单元。它的长效离子填充剂能有效地降低接地极周围的土壤电阻率，并隔绝金属接地极与周围土壤、空气的接触，避免了金属接地极在恶劣环境中的腐蚀，同时它还能吸收并保存土壤中的水分，使自身的有效成分持续向周围土壤渗透。接地单元的金属接地极是由铜合金制成，自身导电性能优异，在空气中的腐蚀氧化速度极慢，内部填充与外层填充剂有效成分要同的填充物，通过底部的小孔向外缓慢渗透，不断补充外层填充剂随土壤中水分流失的有效降阻成分。单套接地单元的使用寿命应达到30年以上，且接地电阻值须常年保持稳定。各接地单元间的连接采用大截面铜质导线作为水平接地体，将多组接地单元连接为大型接地网后，足以保证接地的效果符合系统要求并免去日后的大量维护工作量与资金投入。

单根普通钢材垂直接地电阻值R=ρ/l，其中l为接地体长度，ρ为土壤电阻率。长效离子接地单元的单个产品的垂直接地电阻Rc＝0.068·ρ/l。根据现场的土壤电阻率2500Ω·M计算，用长度为2米的接地单元，单支接地极用垂直埋设的方法接地电阻为85Ω。按多支接地极并联后接地电阻计算公式Rnc=，其中n为接地极数量，η为并联调整系数（接地极数量为40支左右时可取0.4～0.5）。依据此公式及接地电阻小于4Ω的要求，计算得到所需接地单元数量约为43套。由于现场环境的地址条件较差，土壤层较薄，土壤层下的电阻率可能达到3000Ω·M，故接地单元的数量确定为50套。在实际施工过程中可灵活掌握，当接地电阻值达到或低于要求值时，考虑并分析施工测量时的季节、天气及土壤潮湿程度等多因素对接地电阻值的影响，决定是否再增加或减少接地单元的数量。当全部安装后测量电阻值与要求值间有所偏差时，如果偏差较大可酌情增加接地极数量；如偏差较小（在5Ω以下时），可等候一周至两周时间再做测量，电阻值可达到要求。因产品在安装后当时填充料与接地极和周围土壤间的接触并不十分紧密，在经过一段时间后，填充料自身略有膨胀，与内外接触变得紧密后，其间的接触电阻将大幅度下降，同时填充料内的有效离子成分溶解于地下水向土壤中扩散，在一定范围内使土壤中导电离子大量增加，从而直接降低土壤的电阻率，而接地电阻的主要决定因素就是接地材料与周围土壤间的接触电阻和局部土壤的电阻率。接地电阻在安装后一段时间内会明显下降，并最终趋于稳定。