薩如拉

內蒙古新聞出版廣電局微波傳輸總站 內蒙古 呼和浩特市 010050

1 雷擊綜述

1.1 雷擊的產生

雷擊是帶電的云層之間或是帶電云層對大地間的迅猛的放電，這種迅猛的放電過程常常產生強烈的閃光并伴隨著巨大的聲音。

云層帶電原因主要是空氣的運動使空氣中的水蒸汽隨之上升、下降的運動過程中，水分子被大氣電場所電離而變成帶有電極性的離子。在電場的作用下，同種極性電荷的離子聚集在一起，形成強大的電場能量。

當云層中的電離子累積到一定數(shù)量時，其與大地間的電場強度上升到足以擊穿空氣的強度，這樣就產生了雷擊放電的現(xiàn)象。根據(jù)電場理論，在物體的尖端部分電子受到同性電荷向外排斥的力量最強，容易被排斥離開物體而形成電子流與云層中隨云?；蛩晌锵虻孛婵繑n的帶電微粒形成先導放電通道，并最終形成放電主通道，即雷擊。

1.2 雷擊的主要表現(xiàn)形式

1.2.1直擊雷

雷云對大地或大地上某一物體間的直接放電，比如對鐵塔、房屋等，雷電流通過物體向大地中泄放時電流產生的機械力造成被擊中物體的嚴重破壞。

1.2.2 雷電電磁脈沖

在直擊雷發(fā)生或雷云間放電時，由于靜電感應作用在地面某一范圍內形成的靜電荷失去電場力束縛，或雷擊放電通道周圍一定范圍內因瞬變的大電流產生的電磁脈沖感應都會在地面物體上產生非常高的電位，進而形成電流向其他物體放電或沿金屬物體向遠處傳播。

1.2.3 球形雷

在雷擊中偶然出現(xiàn)的各種顏色、大小不同的“火球”，在空中或平移或滾動，通常持續(xù)幾秒到十幾秒時間?；鹎蚰芡ㄟ^地溝、電纜井等各種途徑進入室內，或是消失或是發(fā)生劇烈的爆炸，碰到人、畜將會造成嚴重的燒傷或死亡事故。由于其發(fā)生機會少、持續(xù)時間短，到目前為止，尚未對其產生的原因及防護措施形成權威的科學論證。

1.3 雷電活動及雷擊的選擇性

雷電活動從季節(jié)來講以夏季最為活躍，冬季最少。評價某一地區(qū)雷電活動的強弱，通常用“雷電日”來表示，即以一年當中該地區(qū)有多少天發(fā)生過人耳能聽到的雷鳴來記錄雷電活動的情況，雷電日的天數(shù)越多，表示該地區(qū)的雷電活動越頻繁。我國年平均雷電日的分布情況大致可分為四個區(qū)域：一是西北地區(qū)，年平均雷電日在15天以下；二是華北及東北地區(qū)，年平均雷電日在15～40天；再有是長江以南地區(qū)，通常在40天以上。呼和浩特地區(qū)，年平均雷暴為39天/年。

雷擊有很強的不確定性，無法預先判斷每一次雷擊的放電通道的位置。同時，它還具有一定的選擇性，一些具有一定特征的建筑或地面物體相比較而言容易遭受雷擊，經(jīng)過觀察及實驗，總結出雷擊的頻繁程度與下列一些特點有很大的關系。

（1）土壤電阻率的大小。雷擊通常發(fā)生在土壤電阻率較小的地方，而鄰近的高土壤電阻率的地方相對較少。

（2）水（包括地上及地下）含量的多少。如湖泊、低洼地區(qū)及地下水位高的地方。

（3）地形、地貌的不同。山區(qū)、金屬礦區(qū)、河岸、地下水出口處等與周圍其他地帶地形、地貌不同處。

（4）地面上的設施情況。地面上較高的或孤立的建筑物、鐵塔等金屬結構或內部較潮濕的機房等均是雷擊的主要目標。

1.4 雷電的破壞作用

1.4.1 雷電流的熱效應

強大的雷電流通過被擊中的物體時會產生熱量，根據(jù)焦耳定律，其熱量。雷電流的放電時間很短，在較大的放電通道電阻及電流強度的作用下，雷電流產生的熱量來不及散發(fā)，將會使被擊中物體內的熱量迅速上升、水分蒸發(fā)汽化而膨脹產生巨大的爆炸力而使物體被破壞。

1.4.2 雷電的沖擊波效應

沖擊波有兩種，一是雷電對周圍空氣的加熱使空氣膨脹而向四周迅速擴散壓縮周圍的冷空氣而形成的激波；另一種是雷擊后伴隨產生的頻率只有幾赫茲的“次聲波”。這兩種沖擊波都會對人或動物造成不同程度的影響甚至死亡。

1.4.3 雷電的電動力效應

當雷電流通過多條平等的導體或帶有小角度轉角的導體時，因電磁力的作用會使兩條導體向中間靠攏，或是在導體的轉角兩側會受到另外一側的電磁力的影響而使導體折斷。

另外，還有靜電感應、電磁感應及高電位引入造成的破壞。

1.5 過電壓的產生

近年微波站或發(fā)射臺發(fā)生過的雷害多是雷擊電磁脈沖對電子設備造成的破壞。為什么雷擊并沒有直接擊中也會破壞設備呢？這主要是因為雷擊在一定范圍內產生了過電壓所導致的。在分析被損失設備時發(fā)現(xiàn)，微波設備的損壞絕大多數(shù)是因過電壓或過電流造成了設備內部電子元件的燒毀或擊穿，還有一部分是不明原因的設備工作不穩(wěn)定或性能下降。

從雷電的發(fā)生機理和雷擊的特點來分析，雷電產生過電壓或過電流主要有以下幾種方式：

（1）靜電感應

當臺站上空出現(xiàn)帶電雷云時，雷云的下方帶有某種極性的電荷，在下方的地面或上會因靜電感應而帶有異性電荷，在電場力的引力作用下這些電荷被束縛在一定的區(qū)域內。當雷云與其他雷云間或對地面某一物體間形成放電通道時，電荷對電荷迅速中和，此時地面上某此局部的感應電荷失去電場力的束縛后沒有低阻抗的通道泄放入地，而形成很高的電位，特別是在金屬線路（電源、信號等）上感應產生的靜電荷會沿著導線向兩端移動，形成很大的電位差而形成疊加于工作電流之上的過電流。此電流如通過電路中的電子元件形成回路將呈現(xiàn)大電流，如遇高阻抗則在元件兩端呈現(xiàn)高電位差，最終的結果使電子元件無法承受大電流或過電壓而損壞。

（2）電磁脈沖

與靜電感應不同，電磁脈沖是以電磁波的形式在空中以雷擊點為中心向四周傳播，影響范圍較靜電感應大，影響程度也大于靜電感應的危害。產生的主要原因是電－磁－電的相互轉換，使雷擊電流的能量一部分轉換為瞬變的磁場能量，變化的磁場中的磁力線與磁場中的金屬物體形成切割磁力線的運動，在金屬物中產生感應電動勢而形成過電壓或過電流（視金屬物是閉合或是開路）。對電子電氣設備來說，電磁波是無孔不入的，從與設備連接的各種導線、設備內部的電路板和集成電路，都有可能被電磁波感應而產生高出正常工作電壓數(shù)十倍甚至更高的電壓，從而使設備部分電路失效或永久損壞。

（3）高電位引入

現(xiàn)代建筑對直擊雷的防御已經(jīng)有了十分成熟的規(guī)范標準，按標準設施、施工的建筑結構被雷電擊中的可能性被降至最低，而被擊中的往往是保護建筑物的防雷接閃裝置（接閃裝置自發(fā)明以來就是以引雷向自身的方式來保護被保護對象的），接閃裝置必須有一個可靠的電流能量泄放通道才能將雷電能量安全地泄放入地，防雷的引下線及接地裝置是整個直擊雷防護系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。在現(xiàn)代的建筑中，多數(shù)情況下防雷接地無法與其他接地裝置保持安全的距離或是與整個建筑的電力系統(tǒng)接地裝置、設備保護接地裝置等共用建筑基礎結構鋼筋作為接地體的，接地裝置的接地電阻在通過接閃器引下的雷電流時會產生瞬間的電位升高，該電位會沿著與其相通的電氣設備工作、保護接地線反擊至設備處，使設備接地的部分與其他線路或接口間產生反向的高電位差，而使元件擊穿造成故障。

2 系統(tǒng)防御雷電災害的主要措施

2.1 接閃及分流

接閃裝置是針對建筑物或鐵塔等設施防護直接雷擊的最有效措施。它是利用安裝在鐵塔之上的避雷針等裝置將雷電流引向自身并通過地線將雷電能量泄放入大地，從而使其保護范圍內的建筑或設施免受雷擊。

接閃裝置的主要形式有避雷針、架空避雷線（網(wǎng)）、安裝于建筑物上的避雷帶（網(wǎng)）等幾種。根據(jù)國內的防雷標準，不同的建筑或其附屬的設施所配置的接閃裝置形式、安裝位置及高度應按被保護物的特點進行選擇，相同設施處于不同類別的防雷建筑時的接閃裝置參數(shù)的計算是不同的（詳細內容參閱GB50057－94（2000）版、IEC61024等相關標準）。需要說明的是，即使按最嚴格的防護設施的計算方法確定的防雷裝置，其對被保護物的防護也不可能達到100%，因為裝置的有效性與雷電的隨機發(fā)生情況有直接關系，它的確定是按可接受的雷擊事故概率為基礎的。大氣變化是大規(guī)模的，雷云的發(fā)生也是大規(guī)模的，而且雷云的移動受很多可變因素支配，條件是隨機的。避雷裝置只能大大減少被雷擊的可能性，但不能100%地消除雷擊現(xiàn)象。

例如，以“滾球法”對避雷針的高度計算中的“滾球半徑”就與雷電流的大小成對應關系：。確定了滾球半徑也就確定了避雷針可防護的雷電流的最小值，當發(fā)生的雷電流小于其對應數(shù)值時就有可能失去防護能力而造成雷電對被保護物的直接放電。但是這個概率很低，而且雷電流的能量對被保護物的破壞程度比較小。

分流是將接閃裝置接收的雷電能量泄放入大地的通道，要求其能以最短的途徑、最快的速度將雷電流導向接地體。由于雷電流是一個具有很強瞬間功率的電流源，在其通過的不足1秒的時間內如果導體的截面積不夠大就有可能使泄放通道產生局部過熱、變形甚至斷裂，造成防雷裝置的失效。為此，應將接閃裝置與大地的連接采用盡可能多的通道分配能量，使每一個通道通過的雷電能量盡量地小，這樣就能在通過雷電流的同時保證防雷裝置的安全。同時，分流還能使各引下線的對地電位降低，減小人員誤觸時的電擊危險；減小因導體通過大電流而產生的二次電磁感應的強度，降低對建筑物內部的金屬物、設備的電磁脈沖危害。

分流多是采用單獨敷設的引下線或鋼筋混凝土框架結構建筑中的主鋼筋等上下貫通的金屬物，兩端分別與接閃裝置及接地裝置以焊接的方式連接。

2.2 屏蔽

從雷電發(fā)生的原理我們可以知道，雷電在放電過程中實際是一個具有很大瞬間功率的電流源，無論是云間放電還是云－地放電都會產生強大的電流。根據(jù)電磁學的理論，當一個電流通道通過變化的電流時將產生變化的電磁場，而這個電磁場的最大強度與電流的大小成正比，電磁場產生后以電磁波的形式向四周傳播，在空間某一位置的電磁場強度除了與該電磁場的最大強度有關外還與該處距電流通道的距離成反比。由雷電產生的電磁波對周圍的電磁影響范圍可達1km以上，甚至可達到3km。并且，電磁波的傳播可以不借助任何可見載體?？梢姡诶子昙竟?jié)我們不能保證某一建筑物肯定不會受雷電電磁脈沖的干擾，特別是在當今社會大量使用微電子信息設備或精密電子儀器的情況下更不能掉以輕心。

對于電子設備來說，各種不同設備對電磁波的干擾是具有一定的抗干擾能力的，但如果設備處的電磁干擾強度超出了其抗干擾能力就可能使設備工作失效或損壞內部器件。隨著科技的進步，大量的超大規(guī)模集成電路的廣泛應用，設備的工作頻率及功耗在不斷增加。電子設備生產商為降低設備的整體功率及發(fā)熱量、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，不斷地降低設備內部電路的工作電壓，這也同時降低了設備抗電磁干擾及過電壓的能力。根據(jù)美國通用公司的研究報告，電子計算機在0.07GS的磁場中就會發(fā)生錯誤，當磁場強度達2.4GS時將造成芯片的損壞。

對于包括雷電在內的多種電磁脈沖波的干擾抑制最簡單、有效的方法，是利用金屬屏蔽的方式使電磁干擾的能量耦合在金屬屏蔽層上形成能量的衰減，將電磁波能量轉換為電、熱等形式的能量釋放入空中或大地，并在屏蔽體中產生反電動勢而削減電磁波對金屬物的電磁感應強度。

屏蔽從形式上分為建筑物屏蔽、建筑物內或建筑物間線路的屏蔽。不同的屏蔽措施應按建筑所處位置、特點、發(fā)生大電流雷擊的可能性來確定，原則上應綜合應用多種屏蔽措施達到抑制電磁脈沖的目的。

2.3 接地

接地作為直擊雷保護的能量泄放通道的最后環(huán)節(jié)、屏蔽措施的感應電荷釋放通道以及電子電氣設備和對人員的安全保護，都是至關重要的安全系統(tǒng)組成部分。接地是各種與電氣相關的安全措施的基礎，接地質量的優(yōu)劣直接影響到安全保護措施的效果。

對于雷擊的保護，接地裝置承擔著雷電流的泄放任務。雷電流具有脈沖的特性，它在接地裝置及大地中的情況是不能按常規(guī)的直流或工頻特點分析的。因此，在防雷的標準中引入了“沖擊接地電阻值”，它與工頻接地電阻不同，在不同的雷電流波形及不同的土壤環(huán)境中有很大差別。簡單說，因土壤在沖擊電流的情況下會發(fā)生局部擊穿的情況，沖擊接地電阻值在數(shù)值上常常小于工頻接地電阻值，這對我們測量、判斷一個接地裝置的沖擊接地電阻值是否符合要求提供了理論基礎（在現(xiàn)有測量設備的條件下直接測量沖擊接地電阻較困難，只能測量工頻接地電阻值）。工頻接地電阻與沖擊接地電阻的換算可依據(jù)GB50057－94（2000）版中的相關內容。

防雷保護的接地裝置還要求其能迅速將雷電能量泄放入地，同時還要考慮到雷電流泄放時的土壤電位（跨步電壓），要求接地裝置具有足夠的電流流散面。從某種意義上說，防雷接地裝置的結構比接地電阻值更加重要。為了達到均衡電位、快速泄放電流的目的，同時考慮到多分流引下線的接地問題，將接地裝置圍繞被保護建筑設為閉合的環(huán)形是比較科學、有效的?，F(xiàn)代的高層建筑多采用鋼筋混凝土結構，其深埋于地下的基礎是由鋼筋及混凝土組成的，實驗證明，多數(shù)混凝土在地下潮濕的環(huán)境中電阻率是很小的，可以將其當作接地裝置使用，這樣既節(jié)省了單獨設置接地裝置的麻煩與浪費，又能保證整個建筑不同位置就近接地的需要。同時，基礎鋼筋在混凝土中的防腐性能大大提高、接地裝置的有效面積通常與建筑相同，保證了接地裝置的穩(wěn)定性、抗腐蝕性及散流面積。

當沒有可利用的基礎接地裝置或基礎接地裝置的面積、阻值等不符合設計要求時，應考慮增設人工接地體作為輔助接地達到設計要求。平原等土質較好土壤電阻率較低，可選用普通材質的人工接地體，如鍍鋅鋼材、銅材等。土壤電阻率較高的環(huán)境、山區(qū)、城區(qū)中，環(huán)境因素導致施工面積小，采用普通接地材料施工難度大，很難達到設備或防雷等對接地系統(tǒng)的要求，則需要選擇新型材料作為人工接地體，如離子接地系統(tǒng)。

2.4 均壓等電位

雷擊造成人員傷害及設備損壞的原因除直接擊中外，最主要的原因就是雷電在不同的位置產生的電位差引起的。例如，人員在觸及兩個沒有電氣連接的金屬物時，觸及的金屬管線在流過雷電流時將產生不同的感應電壓降（特別是分流引下線的電位除感應電壓降，還與接地裝置的電位升相加），人的不同部位之間形成電位差，使一部分電流通過人體形成接地通道，當此電流達到人體耐受極限時就會發(fā)生電擊事故，造成人員傷亡。再比如，兩臺靠近的設備之間存在一定距離的空氣間隙，如果兩臺設備的金屬外殼是通過各自的接地系統(tǒng)作保護，當雷擊時可能發(fā)生兩個接地裝置電位不同的情況，不同的電位通過設備接地線在兩臺設備的金屬外殼上體現(xiàn)，一旦電位差達到一定的程度就會使空氣間隙擊穿而放電形成設備間的電擊，而造成設備的損壞。特別是防雷裝置的分流引下線在通過雷電流時的電位是很高的，對鄰近的金屬物或設備放電的可能性非常大。

為了消除金屬物間的電位差造成的對人和設備的危害，最有效的辦法是將無法與人員隔離的區(qū)域內采取等電位連接的方法，以最短的導體多次連接非帶電金屬體，使各個位置的金屬物具有相同或近似的電位，消除或減小電位差，達到安全的目的。這個區(qū)域可以是整個建筑也可以是建筑中的局部。

從上述角度分析，對于防雷接地系統(tǒng)在保證等電位的要求下應盡量采用共用接地系統(tǒng)，以達到消除電位差的目的。但有些特殊設備對接地的要求是獨立接地，這主要是考慮到一些精密設備的抗干擾要求，因為如果采用共用接地系統(tǒng)，那么必然將交流接地、直流接地、設備保護接地、防雷接地、計算機邏輯接地等不同的接地線都連接在同一組接地體上。當有設備漏電或其他原因就會造成接地線的電位不為零，或者說是接地線中有干擾電流的情況，接地線的干擾對精密設備來說是不允許出現(xiàn)的。因此，對這種情況應在保證安全的前提下，通過接地裝置的結構合理設計來避免接地干擾問題的出現(xiàn)。

2.5 過電壓保護

過電壓保護主要是針對與建筑物內電氣設備連接的各種帶電或傳輸信號的線路與設備接地系統(tǒng)間，因各種原因產生的高于正常工作值電壓的抑制措施。這些原因包括：雷電直接擊中建筑外的架空或埋地線路；遠處雷擊及本建筑物防直擊雷裝置接閃后，產生的電磁場在金屬線路中的感應；直擊雷保護接地體通過雷電流時的電位升高等。在采取必要的分流、屏蔽措施的基礎上，這些帶電的金屬導體是不能直接采用等電位連接的方式接地的，需要通過安裝電涌保護器的方式使線路與接地系統(tǒng)間形成暫態(tài)等電位，通過電涌保護器將線路中的雷電流泄放入地，將線路與接地系統(tǒng)間的電位差控制在設計的范圍內，使其最終小于設備的耐沖擊過電壓水平，而達到保護設備的目的。

安裝的電涌保護器按其應用范圍分為電源電涌保護器、有線信號類電涌保護器、無線傳輸饋線電涌保護器等幾種，不同類型的線路根據(jù)其特點采用不同的電涌保護器。通常，與設備連接的線路是穿過不同的電磁場強度的區(qū)域的，這些不同電磁場的區(qū)域在防雷專業(yè)中稱為雷電防護分區(qū)，以LPZ來表示。由于金屬線路是連貫的，要想將一個區(qū)域的電磁場強度有效地抑制，除了屏蔽外還應在電磁分區(qū)界面處將通過導線傳入的大電流泄放才能達到可靠抑制電磁場的要求。為此，各種線路安裝電涌保護器的原則均是在防雷分區(qū)界面處安裝不同參數(shù)的保護器，一般是在外層（線路進入建筑的位置）安裝具有大通流能力的保護器，在線路的中間和末端安裝電壓保護水平與該區(qū)域的設備耐沖擊過電壓水平相匹配的保護器，前后多級相互配合達到完整的保護目的。

3 高山微波站防雷建設

根據(jù)內蒙古高山現(xiàn)場環(huán)境和防雷的現(xiàn)狀，參照YD5098-2005《通信局（站）防雷與接地工程設計規(guī)范》第8章微波、衛(wèi)星地球站的防雷與接地和第9章通信局（站）雷電過電壓保護設計，微波站雷電防護建設通常是直擊雷防護設計、感應雷的防護設計和接地系統(tǒng)的改造三部分。

3.1 直擊雷的防護

鐵塔頂部安裝避雷針1支。

3.2 感應雷的防護

電源避雷器：第一級安裝100KA避雷器1套；第二級安裝65KA避雷器2套；第三極安裝40KA避雷器2套。其中，兩臺設備各安裝直流電源避雷器2套，電源進一分三處安裝避雷器1+2套。

3.3 接地系統(tǒng)的改造

YD5098-2005中要求，地網(wǎng)由機房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)、變壓器地網(wǎng)及地面均壓網(wǎng)組成聯(lián)合地網(wǎng)。

接地材料一般選用離子接地單元。它的長效離子填充劑能有效地降低接地極周圍的土壤電阻率，并隔絕金屬接地極與周圍土壤、空氣的接觸，避免了金屬接地極在惡劣環(huán)境中的腐蝕，同時它還能吸收并保存土壤中的水分，使自身的有效成分持續(xù)向周圍土壤滲透。接地單元的金屬接地極是由銅合金制成，自身導電性能優(yōu)異，在空氣中的腐蝕氧化速度極慢，內部填充與外層填充劑有效成分要同的填充物，通過底部的小孔向外緩慢滲透，不斷補充外層填充劑隨土壤中水分流失的有效降阻成分。單套接地單元的使用壽命應達到30年以上，且接地電阻值須常年保持穩(wěn)定。各接地單元間的連接采用大截面銅質導線作為水平接地體，將多組接地單元連接為大型接地網(wǎng)后，足以保證接地的效果符合系統(tǒng)要求并免去日后的大量維護工作量與資金投入。

單根普通鋼材垂直接地電阻值R=ρ/l，其中l(wèi)為接地體長度，ρ為土壤電阻率。長效離子接地單元的單個產品的垂直接地電阻Rc＝0.068·ρ/l。根據(jù)現(xiàn)場的土壤電阻率2500Ω·M計算，用長度為2米的接地單元，單支接地極用垂直埋設的方法接地電阻為85Ω。按多支接地極并聯(lián)后接地電阻計算公式Rnc=，其中n為接地極數(shù)量，η為并聯(lián)調整系數(shù)（接地極數(shù)量為40支左右時可取0.4～0.5）。依據(jù)此公式及接地電阻小于4Ω的要求，計算得到所需接地單元數(shù)量約為43套。由于現(xiàn)場環(huán)境的地址條件較差，土壤層較薄，土壤層下的電阻率可能達到3000Ω·M，故接地單元的數(shù)量確定為50套。在實際施工過程中可靈活掌握，當接地電阻值達到或低于要求值時，考慮并分析施工測量時的季節(jié)、天氣及土壤潮濕程度等多因素對接地電阻值的影響，決定是否再增加或減少接地單元的數(shù)量。當全部安裝后測量電阻值與要求值間有所偏差時，如果偏差較大可酌情增加接地極數(shù)量；如偏差較?。ㄔ?Ω以下時），可等候一周至兩周時間再做測量，電阻值可達到要求。因產品在安裝后當時填充料與接地極和周圍土壤間的接觸并不十分緊密，在經(jīng)過一段時間后，填充料自身略有膨脹，與內外接觸變得緊密后，其間的接觸電阻將大幅度下降，同時填充料內的有效離子成分溶解于地下水向土壤中擴散，在一定范圍內使土壤中導電離子大量增加，從而直接降低土壤的電阻率，而接地電阻的主要決定因素就是接地材料與周圍土壤間的接觸電阻和局部土壤的電阻率。接地電阻在安裝后一段時間內會明顯下降，并最終趨于穩(wěn)定。