国外某露天矿山通信塔防雷系统设计

肖长亮

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

伴随着通信行业的飞速发展，无线及微波通信塔广泛应用于工农业各个场景。但由于各类破坏性天气的影响，特别是雷电对通信塔及设备的影响十分严重。对于由众多电子设备组成的通信铁塔来说，提高其抗雷电干扰的性能就显得尤为重要。因此，在通信铁塔建设初期就需要进行防雷设备的安装。

对于通信铁塔的防雷设计需要充分考虑众多因素的影响，包括通信塔结构、通信塔所处的地理位置以及当地气候条件等诸多因素。通信塔主要的组成部分为动力电源系统、无线，有线通信传输系统以及其它系统设备[1]。而动力供电系统又可分为电缆、发电机组、变压器以及配电部分；通信传输系统分为信号的有线，无线收发、光纤以及其它通信设备等，这些系统相互关联组成整个通信塔的信号传输系统。

对于通信塔的防雷，考虑到其可能遭受的雷击危害种类比较多，通常可以分为：直击雷、感应雷、电磁辐射以及雷击高电压反击等种类的雷击，对于通信塔来说，遭受任何一种雷击，都会对通信塔正常运行造成影响。

1 矿山概况

KBK Mine 矿区位于巴布亚新几内亚（PNG）的Madang 省，西南方向75 km 的Kurmbukari 地区。矿山隶属于RAMU NICO 公司，是巴布亚新几内亚最大的红土镍矿项目，已探明可采镍矿石储量为7 800万t，总资源量达1.4 亿t，设计服务年限20 年。在露天矿生产过程中，需要无线通讯基站进行大量数据传输。

当地全年受赤道海洋气团控制并受太阳辐射及大气环流影响，降水类型多属于雷阵雨、对流雨。矿山区所处位置较高，地形相对平缓，周围没有突出高山，所以发生雷击危险几率较大。同时受到海洋性热带气候影响，气象腐蚀比较严重。

2 雷电基本理论

2.1 雷 击

雷击是在带电的空云和地球之间具有异构载荷的一种放电现象，它通常有3 种形式：①敏感地雷：是在地面上空某一区域加载多种载荷带电云；②直射闪电：是带电云和地球上某一点之间存在1 个填埋场；③球形雷：是雷雨天气时天空中可能会出现的紫色、红色、蓝色的“火球”，这些火球从天空降落之后，可能会通过大地上的某一个缝隙中钻进去，或钻入室内，或潜入大地[2]。

2．2 雷电的电流参数

1）雷电流幅值表示放电过程中的最大电流值，一般防雷设计中的最大电流值为150 kA。

2）雷电流陡度指电流变化速度，是矿井电流随时间变化的部分，矿井电流的陡坡随时间变化。

3）雷云内部的平均电场为10 kV/m，云一旦到达地面局部场附近电执势可达10 ～3 kV/cm，空气就会排出。

4）雷电波阻抗用于计算闪电点的额定电流。可将雷的效果投射到1 个明亮的物体上，并用产生的效果替代。

2．3 避雷器保护原理

各种电器设备之所以能够在电压波动的范围内正常工作，是因为它们具有一定的耐受电压水平，若能将过电压降低到设备耐受压范围以内，设备就能正常工作，而避雷器正是利用这个原理，其保护动作的完成主要是依靠其灵活的动作电压，一旦避雷器两端的电压达到或者超过动作电压，避雷器就会导通，对过电压进行抑制，直至过电压降低到避雷器的正常保护电压[3]。避雷器保护电器设备示意图如图1。

3 通信塔综合防雷设计

3.1 外部防雷

根据GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范中相关公式可以计算出建筑物每年可能遭遇的雷击次数，公式可以表达为：

图1 避雷器保护电器设备示意图

式中：N 为建筑物每年预计的雷击次数，次/a；k 为计算建筑物遭受雷击次数所取修正系数，一般情况下取值为1，当所考虑的建筑物周围无其它较高建筑的单独建筑取值为2，当所考虑建筑物地处比较潮湿区域的建筑物取值为1.5，当所考虑建筑物为金属构件并结合木结构的建筑取值为1.7；Ng为建筑物所处地区发生雷击的历史年平均密度，次/（km2·a-1）；Ag为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，km2。

建筑物的等效面积需要按照建筑物的扩张面积进行计算[4]，对于计算原则需要符合如下规定。

1）当建筑物建筑高度低于100 m 的情况下，所考虑的建筑物对应的每一个边的等效扩大长度以及等效以后的面积计算方法需要按照如下公式进行：

式中：D 为建筑物每边的扩大宽度，m；L、W、H 分别表示的是建筑物的长、宽、高，m。

2）当建筑物高度不小于100 m 的时候，针对其等效面积计算应按照如下公式进行：

3）当所考虑的建筑物外形不规则时，需要根据所考虑建筑物每一个边的外延进行每点计算出等效扩大长度，而在对其等效面积进行计算时，需要按照建筑物边的对应扩大后的最外边界每点形成的边界连接线组成的物理图形进行计算。通过上述公式计算以后可以计算出建筑物每年预计遭受的雷击次数。

露天矿山通信塔的顶端目标较小，很容易遭受到直击雷，除此之外，还要想办法抑制二次雷击效应。建议采用中光优化避雷针，它克服了传统避雷针的限制，在这2 方面都有所突破。它通过应用气体间隔位置和阻抗极限电流等合成技术改变了电流的放电过程，能够有效地扩大闪电波形，使波头平静下来，降低振幅值[5]。同时，能够容纳较大的雷电通流，衰减倍率高，可以说是露天矿山通信塔的直击防雷接闪器最为理想的设备。

3．2 接闪器

当高空中的云层积聚了大量的电荷时，在静电感应的作用下，会使大地带上相反的电荷，为感应雷创造了条件。而接闪器一般位于建筑物的最高处，一般高于一切地面上的其他建筑或设施。这就造成了接闪器附近的电场强度很大，将雷电吸引过去，从而使接闪器附近较为矮小的建筑物或人员不会受到雷击。

为了能够实现直接雷保护，在信号塔的上方需要进行避雷针的安装。接闪器的高度及保护范围按照GB 50057—2010 国家标准建筑物防雷设计规范中的相关要求计算。对于本工程所涉及的通信塔，由于其建设位置为其它建筑物的顶部，因此在对其进行防雷设计时，需要另外考虑建筑物的女儿墙，对其进行安装直径为12 mm 的热镀锌圆钢进行防雷保护。如果不能完全覆盖建筑物，还需要利用屋顶的钢筋作为避雷网，从而对建筑物形成进一步的防雷保护[6]。

3．3 引下线

由于在信号塔建设之初，已经对信号塔进行了良好的接地处理，因此可以利用信号塔本身作为引下线。因此在进行避雷针安装的时候，只需要保证避雷针与信号塔能够保持良好的电气连接就可以。通过信号塔4 个角以及建筑物混凝土构造进行连接即可。考虑到当地气候条件，需要对连接部位做好防腐处理。对于机房以及建筑物的防雷引下线同样可以利用建筑物内的钢筋作为引下线，另外作为建筑物结构本体的钢筋混凝土同样可以起到与均压环相同的作用。

3．4 接地网

对于通信塔的机房部分接地设计，可以通过建筑物结构本身的钢筋作为直接接地体。框架结构中的混凝土钢筋作为垂直接地体，地梁内的混凝土钢筋作为水平接地体，通过彼此的连接形成均匀地网。按照GB 50689—2011 通信局站防雷与接地工程设计规范相关要求中规定，对于土壤电阻率小于700 Ω·m 的情况，在进行地网设计时可以将接地电阻保证不大于10 Ω；对于土壤电阻率700 Ω·m 的情况，在进行地网设计时，无需对接地电阻做量化标准，但是需要尽可能保证地网设计的等效半径大于20 m，另外还应该保证在设计地网的周围辐射20～30 m 的水平接地体。因当地土壤电阻率较大，故考虑利用降阻剂。

联合接地的主要目的就是形成等电位连接，在形成良好的联合接地以后，需要对信号塔内部等电位连接进行全面分析。以往的等电位连接是将直流工作地、设备保护地、安全接地以及防雷接地共同连接在总接地汇流排上，这对于正常防雷击是不利的。设计考虑将等电位连接分成2 部分，2 部分都采用40 mm×4 mm 的扁铜带与机房地网相连接。并且2 个部分保证等电位连接前提下与机房地网相连接的点需要远离信号塔地网，并且距离上应在5 m 以上。等电位连接结构示意图如图2。

图2 等电位连接结构示意图

对于接地引入线的设计，需要保证其与机房内的接地汇流排进行可靠连接，并且需要作出充分的物理防腐以及电化防腐措施；在机房内部所涉及到的直流工作地、系统保护接地以及安全接地需要通过1 组接地汇集线可靠连接到一起；而对于一级电源避雷器接地、二级电源避雷器接地、光缆加强芯以及金属防护层接地系统，需要可靠连接到另外设计的接地回流线，同时对接地导线以及布局进行最优设计。

3．5 电源系统防雷

通信塔电源线分布广泛，受到雷击的可能性最大。在总配电柜、分配电柜和设备处分别安装SPD，电源系统防雷安装示意图如图3。

图3 电源系统防雷安装示意图

其中第1 级保护要求释放大部分闪电能量，因此将其设计在外部电力线进入总配电柜之前，必须为大通流量安装1 个馈线片[7]。在进行设备选择时，需要满足的泄放电流额定值为40 kA，系统的最低相应时间不高于100 ns，系统额定保护电压为500 V 以上。为了能够起到吸收低能雷电电流作用并且能够抑制雷电形成的浪涌过电压，设计了第2 级保护，在进行器件选择时应满足泄放电流额定值为40 kA，系统动作响应时间不大于20 ns，额定保护电压值为350 V 以上，并且需要选用限压型SPD 器件。为了能够更好的抑制雷电形成的低能雷电流以及浪涌过电压对供电系统的影响，设计了第3 级保护，需要选用限压型器件，需要保证泄放电流额定值为20 kA，系统动作响应时间不大于20 ns，额定保护电压值为320 V 以上。

4 结 语

为保障通信系统不受雷电的搅扰和毁坏。在地面网络中建立完善的低阻抗地面网络，采用输出等比特连接，并根据矿山具体情况提出可行的解决方案。提高通信塔的总体防雷能力，防止闪电造成的损坏，确保了设备的安全运行。