徐亮(福建省无线通信分公司 350002 福州)
摘 要 从现代防雷理论及福建省无线通信局开展的防雷改造实际效果方面，论述了高山微波站防雷改造中采用的“高压电缆埋地”、“双向多级分流”两项措施具有的科学性、先进性、经济性和可推广性。
关键词 防雷技术 防雷接地 双向多级分流
前言
随着现代通信设备的更新换代，集成芯片的广泛应用，这一方面加强了设备的使用功能，使得系统的控制功能更加灵活；另一方面，由于集成元器件的抗冲击能力较低，造成设备受雷电影响及损坏的机率增大。
福建省高山微波站实行无人值守以来，雷击障碍成为影响高山微波站正常运行的最大隐患。据历年资料统计，1995年～1997年，全省微波电路障碍10次，其中由于雷击造成的电路障碍5次，占50%。而212站作为全省海拔最高的高山微波站，雷害更为严重。资料显示，212站1995年雷击次数2次，1996年雷击次数3次，1997年雷击次数2次 。特别是1997年3月16日的雷击，造成该站2台进口油机、2套整流器、4个高频开关电源模块以及全套监控系统故障，微波通信设备遭受巨大损坏。因此，防雷改造势在必行 。本文结合福建省无线通信分公司1997年以来在闽西北线各高山微波站开展的一系列防雷改造活动，就高山微波站的防雷技术进行研究及探讨。
1 高山微波站遭雷击的主要原因
实行无人值守后，福建省高山微波站的防雷接地系统均严格按照邮电部颁发的《微波通信站防雷接地规程》进行了改造。但是，从1994年以来，各站的雷害日趋严重。根据全省高山微波站的实际情况，机房内设备遭雷击主要有以下几种可能的原因 ：
(1)站区内铁塔接闪时，雷电流没有完全入地，部分雷电流沿天馈线侵入机房，造成设备损坏。
(2)高压架空线路进线端或远端遭受直击雷，雷电波由供电线路侵入机房，造成设备损坏。
根据高山微波站的设备之间连接情况，如果雷电流是沿着第一种可能的途径侵入机房，那么微波通信设备首当其冲。这是因为一方面通信设备直接与天馈线相连，另一方面，通信设备中的电路集成度较高，抗过电压的能力较弱。在这种情况下，如果雷电流足够大，还可能沿直流供电线路对机房内的整流设备造成损坏。
如果雷电流是沿着第二种可能的途径侵入机房，那么机房内的供电设备首当其冲 。油机房内的调压器、备用机组、油机市电转换屏必遭损坏，另外，主机房内的整流设备也会受损。由于整流回路中串联着变压器及滤波电感，在其直流输出端雷电波将受到很大的减弱，但是仍有可能使部分抗过电压能力较弱的直流用电设备遭受损坏。
对表1进行分析，可以看出：在1994年～1997年的28次雷击故障中，微波通信设备都未发生损坏；有19次故障与供电设备有关，占故障总数的67.8%；有9次故障仅为监控系统故障，占故障总数的32.2%。因此可以得出以下结论：
(1)铁塔接闪时，雷电流并未对机房设备造成损坏。因此第一种可能的雷击途径并非高山微波站发生雷击故障的主要原因。
(2)212站在1997年3月16日发生的雷击故障中设备损坏相当严重，大部分供电设备都遭受不同程度的损坏。经过现场的事故分析，基本可以断定是由于高压线进线端遭雷击引起的。因此高压线进线端遭雷击将对高山站的各种设备造成极为严重的损坏。
(3)除了212站在1997年3月16日发生的雷击故障以外，其余27次的雷击故障（约96.4%的雷击故障）基本认定为高压电力线远端遭受直击雷，雷电波由供电线路侵入机房，造成设备损坏。因此，高压电力线远端遭受直击雷，雷电波由供电线路侵入机房 ，是高山微波站发生雷击故障的主要原因。
根据这3项结论可以确定：高压供电线路是高山微波站遭雷击的主要途径。根据实际情况应着手解决以下三个问题：
(1)如何最大限度减小高压电力线进线端遭直击雷的概率。
(2)如果雷电波沿供电线路侵入机房，采取何种防护措施。
(3)在解决以上两个问题时，如何兼顾经济投入的问题。
2 防雷改造方案及论证
2.1 最大限度减少高压线进线端遭雷击概率
当直击雷直接击中电力线时，虽然被击中点的电位与雷云电位相等，即具有数百万伏的电位，但是当雷电流沿着导线向两边传播时，高电压每经过电杆，电杆上的瓷瓶就会发生闪络，并将部分雷电流分流入地。参照《电子设备雷击试验方法GB3452-83》以及《电子设备雷击试验导则GB3483-83》，直击雷在经过两根电杆后沿导线继续向前传播的雷电流幅值将减小2/3。参照《GB50057-94防雷规范》中对直击雷大小的统计（见表2），80%的直击雷电流幅值不超过50kA。那么当电力线第二根电杆以外的电力线遭雷击时（假设电流为50kA），经过瓷瓶闪络后，流入站区的雷电流将小于20kA ，通过后续分流处理后，正常情况下不会对设备造成损坏。所以只要距离高压线进线端到第二根电杆之间的电力线不遭直击雷，就可以大大减小雷击的损坏。在实际情况中，由于高山微波站往往设在某一区域的制高点，电力线往往是沿低处向上架设,因此进线端到第二根电杆之间的电力线既是直击雷发生概率最大的部位，也是防护的重点 。最大限度减少该段电力线遭雷击概率，就在很大程度上避免了直击雷对站区设备的损坏。
按照传统的解决方法，通常是在高压线进线端上方架设架空避雷线（见图1）。对于新架设电力线，该方法较为简单。但是对于电力线已架设好的地区，则存在较多困难，主要表现在：
(1)在原有的电杆上加装2米高（直击雷电流小于50kA时不发生反击）、跨度300多米的架空线，需对电杆机械支撑强度作重新计算。根据大部分站点的实际情况，强度都难以达到，因此需重新立杆, 这将是一笔不小的费用。以212站为例，按照架空避雷线方案作预算，施工预算金额高达9.3万元。
(2)即使架设了架空避雷线，减小了直击雷对电力线的直接打击，但同时也存在架空线路对电力线的反击。
考虑到以上原因，提出以下改造方案：将架空线进线段改用铠装埋地电缆入站，电缆两端安装高压氧化锌避雷器；将原架空线两端接地，作为埋地电缆架空避雷线(见图2)。
采用以上改造方案后，无需在原电杆上增加载重，因此无需重新考虑电杆机械支撑强度，可以节省不小的经济费用。以212站站为例，按照以上改造方案后，施工决算金额合计6.5万元。另外，由于架空避雷线与埋地电缆距离较大，发生反击的可能性极小，可以不予考虑。下面对“架空避雷线方案”以及“埋地改造方案”的防雷效果进行分析：
假设实施改造前，进线段遭雷击概率为P0。
如果实施“架空避雷线方案”，进线段遭雷击概率P为：
P=PZ+PF
式中：PZ表示保护范围内直击雷概率，取3%；PF表示保护范围内反击概率。按照设计容量，避雷线受到50kA以上的雷击时，会对电力线产生反击。由表2可知，50kA以上的雷击概率为（10%+7%+3%），因此：
P=3%×P0+（10%+7%+3%）×P0=23%P0
如果实施“高压电缆埋地引入改造方案”，进线段遭雷击概率P通过以下计算得出：
P=PZ+PF
式中：PZ表示保护范围内直击雷概率，取3%PF表示保护范围内反击概率，其值为0。
P=3%×P0=3%P0
通过表5中两种方案的比较，可知高压电缆埋地改造方案比传统方案资金少投入30.10%, 而防直击雷的概率却减小了86.95%。因此该方案比传统方案更为科学、经济 、有效。
2.2 雷电波沿供电线路侵入机房时的防护措施
虽然对高压进线段作了防雷保护，但是保护段以外的电力线仍有遭雷击的可能。一旦出现这种情况，部分雷电波仍会沿电力线侵入机房。
按照传统的做法，一般是采用单向多级分流的办法，见图3。即在变压器低压侧、油机房进线端以及主机房进线端的相线与地线间各安装一组氧化锌无间隙避雷器(1995年以前多使用阀式避雷器)。对于该防雷方案，在实际维护中不难发现以下几个问题：
(1)防雷系统整体保护不完整。如果市电倒换屏的输出电缆遭雷击，雷电波将侵入倒换屏，对屏内设备以及备用机组造成损坏。另外，直流输出到直流负载间无防雷保护措施，如果侵入的雷电波经过前三道分流后仍未完全入地，则会对设备造成损坏。
(2)防雷系统局部保护不完整。从图3中可以看到，三道避雷器都只接在相线与地线之间，也就是说局部只有对相—地的过电压进行抑制(纵向保护)。由于即使是同一型号的避雷器，其动作时间也不会完全相同。因此当某相避雷器失效或者动作时间不一致时，就会发生相间过电压现象。
针对以上传统的单向多级分流方案的缺陷，笔者在进行防雷改造时提出了双向多级分流方案，见图4。
(1)防雷系统局部保护时，不但要进行纵向过电压保护，而且要进行横向(双向）过电压保护, 即不仅在相—地间要进行过电压保护，相—相间也要进行过电压保护。
(2)防雷系统整体保护上，除了在原有的变压器高低压侧、市电倒换屏、交流配电屏输入端进行防雷保护，另外在市电倒换屏的输出端、直流母线的远端和近端也安装避雷器。
(3)对于抗过电压能力差的负载， 如高频开关电源，在其输入端也要进行防雷保护。
(4)对于多输入、多输出的直流负载，特别是监控设备，根据以往设备损坏的情况 ，对雷击故障率高的设备要进行保护，例如，在信号采集器上安装信号避雷器。在以上的双向多级分流方案中，各级使用的防雷器件要严格按照保护对象的抗过电压等级进行选择，即：
U残＜U抗
其中：U抗表示设备最大抗过电压，一般取设备工作电压峰值的2倍；U残表示防雷器件的残压。
另外参照GB11032—89规定，防雷元器件还应满足以下指标：
U额＜U动
其中：U额表示设备最大工作电压；U动表示防雷器件的动作电压。
各级使用的防雷器件指标如表6。
进行以上改造后，假设由电力线侵入的雷电流I=20kA（8/20μs），此时机房内设备能承受的最大电压以及设备端的最大工作电压，即避雷器的残压。表7为改造后避雷器及设备指标。
从表7可以得出结论，改造后设备与避雷器均能正常工作，并且改造后的防雷系统分流能力可以达到20kA(8/20μs)。
2.3 经济方面的考虑
在防雷改造中解决以上两个问题后，还需兼顾经济投入的问题。因此，可采取以下方案。
(1)雷害次数多的站点先改造。根据表1中的数据，1997年以前大窠、212、仁隔山等站雷害较严重，可先进行改造。
(2)故障概率高的设备先改造。在对各站监控系统防雷改造时，理论上每个采集点都有遭雷击的可能，但是根据表1中的数据，四号采集器上的采集点遭雷击的概率最大，因此先对四号采集器进行改造。
(3)根据发生概率最大的雷电流值进行改造。理论上，在防雷系统防护手段齐全的前提下，只要防雷系统通流量足够大，就可以抵抗任何强度的雷击，但这需要巨大的经济投入。经过高压电缆埋地改造后，电力线侵入的雷电流小于20kA，因此确定系统改造要达到的最大通流量为20kA。
3 高山站防雷改造实例
依据以上提出的防雷改造措施，结合福建省无线通信各站点的实际情况，我们在1997年7月份完成了212微波站的防雷系统改造。图5为212站防雷改造示意图。改造前近站区的高压线路沿着山脊，这是高压线路容易遭雷击的一个主要因素。当雷电由高压架空线路进入站区时，线路上起分流作用的器件只有四道阀式避雷器，而阀式避雷器动作时间较慢（μs级），残压较高，无法对低压通信设备发挥有效的防雷保护作用。
根据以上提出的两项防雷改造措施，结合该站的实际情况，我们制订了如图5所示改造方案：
(1)对10kV架空明线的进线段（约300米）进行埋地处理。
(2)在电缆入地端以及变压器的高压端加装氧化锌高压避雷器。
(3)将变压器低压侧原有的阀式避雷器改为德国LA60-B避雷器。该避雷器动作时间为纳纱级，残压为900V，通流量可达30kA。雷击发生时，大部分的雷电流由此分流入地。
(4)在油机房进、出线端以及主机房进线端加装德国OBO V25/4避雷器。该避雷器动作时间为纳秒级，残压为600V，通流量可达10kA。安装在变压器低压侧的LA60-B避雷器与油机房进线端的OBO V25/4避雷器配合，可以将侵入油机房的雷电波瞬间电压抑制在600V以下，满足了IEEC62.41的规定。
（5)在主机房24V直流系统中安装两套KOREA直流避雷器，将直流母线间的瞬间过电压抑制在50V以下。
(6)对采集器以及环控器上的信号线加装信号避雷器，避免信号线产生耦合雷电过电压对监控系统产生损坏。
(7)在高频开关电源前端加装ESP-415避雷器。高频开关电源抗过电压能力较弱,所以要加以特别保护。
以上改造方案中对监控系统的防雷改造，充分考虑到了经济原则。由于高山无人职守站的监控点较多，理论上每个监控点都可能是雷电流余波的侵入点，如果对所有监控点都进行分流改造，每个点需2000元，这样将花费巨大资金。我们通过分析后发现电源部分的监控点是雷击的主要入侵点，雷击概率较大，因此仅对电源监控点作了分流改造。
另外，依据现代防雷理论中的耐用、可靠的原则，一方面在防雷元器件的选型上严把质量关，严格挑选动作时间短、通流量大、残压符合要求的防雷器件；另一方面 ，制订切实可行的防雷接地系统维护作业计划，保证防雷接地系统在雷击时能发挥有效的保护作用。
4 改造效果分析
212站经过以上改造后，至今2年多来，虽然该站区内雷击现象频繁，但站内设备均未发生损坏。另外，我们先后还在其他几个雷害较为严重的站点做了试验性改造，从表6改造前后的比较中，可以进一步验证改造是有效的。
