摘要根据高山通信站所处雷击环境的特点,结合现代防雷体系,从建筑物的外部防雷技术、内部防雷技术、接地技术3个方面对高山通信站防雷技术进行了探讨,以为高山通信站防雷设计提供参考。
关键词高山通信站;防雷;技术
中图分类号 TU895 文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)10-0031-02
高山通信站一般建在海拔几百米甚至上千米的山峰上,地形复杂,坡度不均,引入雷害的途径多,极易成为雷击的目标。而且随着现代通信设备的更新换代,集成芯片的广泛应用,设备的抗冲击能力较低,由直接雷击产生的雷击电磁脉冲、地电位反击造成设备受雷电影响及损坏的机率增大。因此,为确保通信站建(构)筑物及站内电子通信设备在雷雨季节的安全正常工作,应对通信站进行系统防雷,要求达到安全可靠、技术先进、经济合理。
1现代防雷体系
根据现代防雷原理,系统防雷由外部防雷和内部防雷组成(图1)。外部防雷主要是指通信站建(构)筑的直击雷防护;内部防雷主要是指雷击电磁脉冲的防护,通过屏蔽(含法拉第笼)、等电位连接、电涌保护和共用接地等技术,保证通信站建筑物内人员及设备的安全[1]。这些防雷措施,互相配合,各尽其职,缺一不可。各种技术的发展也不尽相同。
2外部防雷技术
外部防雷主要指的是建(构)筑物的直击雷防护,外部防雷系统由接闪器、引下线、接地地网等有机组成,缺一不可[2]。一般通信基站的建(构)筑物由通信铁塔和机房组成,机房位于铁塔内或铁塔旁。在铁塔顶部安装接闪器(避雷针),根据滚球法对避雷针保护范围进行计算,应使机房和铁塔上通信设备处于保护范围内。可使用塔身作为接地引下线,但因为时间久铁塔连接螺丝容易松动而致电气连续性不可靠,最好使用40mm×4 mm热镀锌扁钢设置专门的铁塔避雷针雷电引线。
3内部防雷技术
3.1供电系统及信号传输系统的雷电防护
当雷电直接击在供电、信号线路上或邻近发生雷击时,雷电波会通过供电、信号线路侵入到用电设备,以致于损坏设备。通过敷设金属铠装电缆或护套电缆穿金属埋地入户和安装多级浪涌保护器,可将浪涌电压限制在设备能承受的范围。
埋地长度不小于2m(ρ为土壤电阻率),当土壤电阻率过高,电缆埋地长度过长时,可采用换土措施,通过降低ρ值来缩短埋地电缆的长度。需要强调的是电缆首端必须装设浪涌保护器,并与绝缘子铁脚、金具、电缆外皮等共同接地。入户端电缆外皮、钢管必须接地,电缆段才能起到应有的保护作用。另外还须注意,当电缆内为三相不平衡时,电缆内会产生涡流,加速电缆老化,在这种情况下,最好采用铠装电缆单端接地,并外套金属管,金属管两端接地的方式。按上述方法处理后,根据雷电流高频的趋肤效应,大部分雷电流沿屏蔽层泄放掉。
浪涌保护装置是利用其非线性特点,用以限制瞬态过电压和引导电涌电流。根据通信站电子设备情况采用合适的浪涌保护器,并考虑各级SPD的配合问题。电缆首端安装的浪涌保护器做为第1级SPD,应采用大通流量SPD,至少80KA(8/20),第2级SPD安装在机房配电箱,第3级SPD安装在设备端,SPD尽量采用凯文接法。信号线、天馈线等进出机房的有源线路均应安装相应型号的SPD,光缆应将加强钢芯接地到机房接地母排上。
3.2等电位连接
等电位连接是减少瞬态过电压损害电子设备中比较重要的措施,其目的在于减少雷电流所引起的电位差。在机房内设置环形接地铜排,采用40 mm×4 mm扁紫铜制作,利用90~120 mm2多股铜绞线与接地装置预留端子连接,连接点不少于2处。如机房面积较小或设备较少,可在机房设一汇流排,采用40 mm×4 mm×120 mm扁紫铜制作。采用截面为16 mm2多股铜线将SPD的接地线、配线架、机架、设备的金属外壳及各种线路的屏蔽金属线槽等金属体以最短距离连接到等电位铜排上,其中配线架应每隔5 m用等电位连接线就近连接到汇流排上,且连接点应不小于2处。
4地网措施
接地是防雷技术中最重要的环节,不管是直击雷还是雷击电磁脉冲的防护,最终都是把雷电流送入大地。根据现代防雷理念,高山通信站防雷地网要合理布置地网结构,扩大接地面积,为雷电流提供多通道泄放,在此基础上尽量降低接地电阻。高山通信站采取联合接地方式,接地电阻值一般宜控制在10 Ω内,当土壤电阻率大于700 Ω·m时,可不对接地电阻予以限制,但此时地网的等效半径应大于20 m。地网设计应根据通信站构筑物的形式、周边环境、土壤组成、土壤电阻率、地形以及地网的有效冲击半径等因素,确定地网的边界和形状。
4.1全面详细地掌握通信站环境资料
全面详细地掌握通信站所处位置的环境资料,包括通信站构筑物的形式、周边环境、土壤组成、土壤电阻率、地形,这些资料是通信站防雷接地设计的基础,也是防雷接地设计过程中最重要的依据,特别对于土壤电阻率和土壤结构,应该到现场认真实地勘察,为设计提供可靠的依据。
4.2接地装置型式的选择和布置
(1)土壤电阻率较小时,且土壤结构以泥土(黄沙土)为主的,因地电位分布衰减较快,可采用以垂直接地体为主,水平接地体为辅的接地装置[3]。
(2)土壤电阻率较大时,土壤结构以风化石等硬性土为主的,因地电位分布衰减较慢,可采用以水平接地体为主,垂直接地体为辅的接地装置。
(3)接地装置的布置根据技术要求,因地制宜安排,可以组成环形、放射形或单排布置等。若现场环境允许,宜以通信站建筑物为中心采取环形接地装置,并设置多条放射形接地装置与环形接地装置连成一体,这样使环内电场分布比较均匀,减少跨步电压的危害,同时也可防止雷击时,地面电位梯度大对设备产生高压反击的危险[4]。
(4)为了减少相邻接地体的屏蔽作用,垂直接地体间的距离不得小于5 m,水平接地体间的距离也不得小于4 m,垂直接地体上端与水平接地体焊接成一体,埋深不小于0.6 m。
4.3接地装置接地电阻测算
根据掌握的资料,进行通信站防雷接地装置的设计,防雷接地装置由垂直接地体和水平接地体组成,其电阻的计算公式如下:
垂直接地体的接地电阻:
R=ln(1)
水平接地体的接地电阻:
R=(ln+A)(2)
式中,ρ为土壤电阻率(Ω·m);L为接地体长度(m);d为接地极的直径或等效直径(钢管d=b;扁钢d=b/2;等边角钢d=0.84b)(m);h为接地极埋设深度(m);A为水平接地体形状系数(图2)。
5小结
高山通信站防雷技术十分复杂且系统性较高,其防雷设计、施工要求远高于一般建筑物的防雷设计,每一环节不到位,都有可能导致雷击事故的发生。因此,对高山通信站而言,应按系统防雷要求,因地制宜搞好防雷接地工作。
6参考文献
[1] 林维勇.GB50057-1994建筑物防雷设计规范[M].2000版.北京:中国计划出版社,2000.
[2] 虞昊,臧庚媛,赵大同.现代防雷技术基础[M].北京:清华大学出版,1995.
[3] 王麟,聂广才,沈学东.高山发射台综合防雷系统改造[J].广播电视信息,2010(2):78-81.
[4] 胡行会.通信综合楼的防雷与接地技术[J].山西建筑,2010,36(9):1.
