肖長(zhǎng)亮

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

伴隨著通信行業(yè)的飛速發(fā)展，無(wú)線及微波通信塔廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各個(gè)場(chǎng)景。但由于各類破壞性天氣的影響，特別是雷電對(duì)通信塔及設(shè)備的影響十分嚴(yán)重。對(duì)于由眾多電子設(shè)備組成的通信鐵塔來說，提高其抗雷電干擾的性能就顯得尤為重要。因此，在通信鐵塔建設(shè)初期就需要進(jìn)行防雷設(shè)備的安裝。

對(duì)于通信鐵塔的防雷設(shè)計(jì)需要充分考慮眾多因素的影響，包括通信塔結(jié)構(gòu)、通信塔所處的地理位置以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等諸多因素。通信塔主要的組成部分為動(dòng)力電源系統(tǒng)、無(wú)線，有線通信傳輸系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)設(shè)備[1]。而動(dòng)力供電系統(tǒng)又可分為電纜、發(fā)電機(jī)組、變壓器以及配電部分；通信傳輸系統(tǒng)分為信號(hào)的有線，無(wú)線收發(fā)、光纖以及其它通信設(shè)備等，這些系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)組成整個(gè)通信塔的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

對(duì)于通信塔的防雷，考慮到其可能遭受的雷擊危害種類比較多，通?？梢苑譃椋褐睋衾?、感應(yīng)雷、電磁輻射以及雷擊高電壓反擊等種類的雷擊，對(duì)于通信塔來說，遭受任何一種雷擊，都會(huì)對(duì)通信塔正常運(yùn)行造成影響。

1 礦山概況

KBK Mine 礦區(qū)位于巴布亞新幾內(nèi)亞（PNG）的Madang 省，西南方向75 km 的Kurmbukari 地區(qū)。礦山隸屬于RAMU NICO 公司，是巴布亞新幾內(nèi)亞最大的紅土鎳礦項(xiàng)目，已探明可采鎳礦石儲(chǔ)量為7 800萬(wàn)t，總資源量達(dá)1.4 億t，設(shè)計(jì)服務(wù)年限20 年。在露天礦生產(chǎn)過程中，需要無(wú)線通訊基站進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)?shù)厝晔艹嗟篮Ｑ髿鈭F(tuán)控制并受太陽(yáng)輻射及大氣環(huán)流影響，降水類型多屬于雷陣雨、對(duì)流雨。礦山區(qū)所處位置較高，地形相對(duì)平緩，周圍沒有突出高山，所以發(fā)生雷擊危險(xiǎn)幾率較大。同時(shí)受到海洋性熱帶氣候影響，氣象腐蝕比較嚴(yán)重。

2 雷電基本理論

2.1 雷 擊

雷擊是在帶電的空云和地球之間具有異構(gòu)載荷的一種放電現(xiàn)象，它通常有3 種形式：①敏感地雷：是在地面上空某一區(qū)域加載多種載荷帶電云；②直射閃電：是帶電云和地球上某一點(diǎn)之間存在1 個(gè)填埋場(chǎng)；③球形雷：是雷雨天氣時(shí)天空中可能會(huì)出現(xiàn)的紫色、紅色、藍(lán)色的“火球”，這些火球從天空降落之后，可能會(huì)通過大地上的某一個(gè)縫隙中鉆進(jìn)去，或鉆入室內(nèi)，或潛入大地[2]。

2．2 雷電的電流參數(shù)

1）雷電流幅值表示放電過程中的最大電流值，一般防雷設(shè)計(jì)中的最大電流值為150 kA。

2）雷電流陡度指電流變化速度，是礦井電流隨時(shí)間變化的部分，礦井電流的陡坡隨時(shí)間變化。

3）雷云內(nèi)部的平均電場(chǎng)為10 kV/m，云一旦到達(dá)地面局部場(chǎng)附近電執(zhí)勢(shì)可達(dá)10 ～3 kV/cm，空氣就會(huì)排出。

4）雷電波阻抗用于計(jì)算閃電點(diǎn)的額定電流?？蓪⒗椎男Ч渡涞? 個(gè)明亮的物體上，并用產(chǎn)生的效果替代。

2．3 避雷器保護(hù)原理

各種電器設(shè)備之所以能夠在電壓波動(dòng)的范圍內(nèi)正常工作，是因?yàn)樗鼈兙哂幸欢ǖ哪褪茈妷核?，若能將過電壓降低到設(shè)備耐受壓范圍以內(nèi)，設(shè)備就能正常工作，而避雷器正是利用這個(gè)原理，其保護(hù)動(dòng)作的完成主要是依靠其靈活的動(dòng)作電壓，一旦避雷器兩端的電壓達(dá)到或者超過動(dòng)作電壓，避雷器就會(huì)導(dǎo)通，對(duì)過電壓進(jìn)行抑制，直至過電壓降低到避雷器的正常保護(hù)電壓[3]。避雷器保護(hù)電器設(shè)備示意圖如圖1。

3 通信塔綜合防雷設(shè)計(jì)

3.1 外部防雷

根據(jù)GB 50057—2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)公式可以計(jì)算出建筑物每年可能遭遇的雷擊次數(shù)，公式可以表達(dá)為：

圖1 避雷器保護(hù)電器設(shè)備示意圖

式中：N 為建筑物每年預(yù)計(jì)的雷擊次數(shù)，次/a；k 為計(jì)算建筑物遭受雷擊次數(shù)所取修正系數(shù)，一般情況下取值為1，當(dāng)所考慮的建筑物周圍無(wú)其它較高建筑的單獨(dú)建筑取值為2，當(dāng)所考慮建筑物地處比較潮濕區(qū)域的建筑物取值為1.5，當(dāng)所考慮建筑物為金屬構(gòu)件并結(jié)合木結(jié)構(gòu)的建筑取值為1.7；Ng為建筑物所處地區(qū)發(fā)生雷擊的歷史年平均密度，次/（km2·a-1）；Ag為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。

建筑物的等效面積需要按照建筑物的擴(kuò)張面積進(jìn)行計(jì)算[4]，對(duì)于計(jì)算原則需要符合如下規(guī)定。

1）當(dāng)建筑物建筑高度低于100 m 的情況下，所考慮的建筑物對(duì)應(yīng)的每一個(gè)邊的等效擴(kuò)大長(zhǎng)度以及等效以后的面積計(jì)算方法需要按照如下公式進(jìn)行：

式中：D 為建筑物每邊的擴(kuò)大寬度，m；L、W、H 分別表示的是建筑物的長(zhǎng)、寬、高，m。

2）當(dāng)建筑物高度不小于100 m 的時(shí)候，針對(duì)其等效面積計(jì)算應(yīng)按照如下公式進(jìn)行：

3）當(dāng)所考慮的建筑物外形不規(guī)則時(shí)，需要根據(jù)所考慮建筑物每一個(gè)邊的外延進(jìn)行每點(diǎn)計(jì)算出等效擴(kuò)大長(zhǎng)度，而在對(duì)其等效面積進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要按照建筑物邊的對(duì)應(yīng)擴(kuò)大后的最外邊界每點(diǎn)形成的邊界連接線組成的物理圖形進(jìn)行計(jì)算。通過上述公式計(jì)算以后可以計(jì)算出建筑物每年預(yù)計(jì)遭受的雷擊次數(shù)。

露天礦山通信塔的頂端目標(biāo)較小，很容易遭受到直擊雷，除此之外，還要想辦法抑制二次雷擊效應(yīng)。建議采用中光優(yōu)化避雷針，它克服了傳統(tǒng)避雷針的限制，在這2 方面都有所突破。它通過應(yīng)用氣體間隔位置和阻抗極限電流等合成技術(shù)改變了電流的放電過程，能夠有效地?cái)U(kuò)大閃電波形，使波頭平靜下來，降低振幅值[5]。同時(shí)，能夠容納較大的雷電通流，衰減倍率高，可以說是露天礦山通信塔的直擊防雷接閃器最為理想的設(shè)備。

3．2 接閃器

當(dāng)高空中的云層積聚了大量的電荷時(shí)，在靜電感應(yīng)的作用下，會(huì)使大地帶上相反的電荷，為感應(yīng)雷創(chuàng)造了條件。而接閃器一般位于建筑物的最高處，一般高于一切地面上的其他建筑或設(shè)施。這就造成了接閃器附近的電場(chǎng)強(qiáng)度很大，將雷電吸引過去，從而使接閃器附近較為矮小的建筑物或人員不會(huì)受到雷擊。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)直接雷保護(hù)，在信號(hào)塔的上方需要進(jìn)行避雷針的安裝。接閃器的高度及保護(hù)范圍按照GB 50057—2010 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)要求計(jì)算。對(duì)于本工程所涉及的通信塔，由于其建設(shè)位置為其它建筑物的頂部，因此在對(duì)其進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，需要另外考慮建筑物的女兒墻，對(duì)其進(jìn)行安裝直徑為12 mm 的熱鍍鋅圓鋼進(jìn)行防雷保護(hù)。如果不能完全覆蓋建筑物，還需要利用屋頂?shù)匿摻钭鳛楸芾拙W(wǎng)，從而對(duì)建筑物形成進(jìn)一步的防雷保護(hù)[6]。

3．3 引下線

由于在信號(hào)塔建設(shè)之初，已經(jīng)對(duì)信號(hào)塔進(jìn)行了良好的接地處理，因此可以利用信號(hào)塔本身作為引下線。因此在進(jìn)行避雷針安裝的時(shí)候，只需要保證避雷針與信號(hào)塔能夠保持良好的電氣連接就可以。通過信號(hào)塔4 個(gè)角以及建筑物混凝土構(gòu)造進(jìn)行連接即可?？紤]到當(dāng)?shù)貧夂驐l件，需要對(duì)連接部位做好防腐處理。對(duì)于機(jī)房以及建筑物的防雷引下線同樣可以利用建筑物內(nèi)的鋼筋作為引下線，另外作為建筑物結(jié)構(gòu)本體的鋼筋混凝土同樣可以起到與均壓環(huán)相同的作用。

3．4 接地網(wǎng)

對(duì)于通信塔的機(jī)房部分接地設(shè)計(jì)，可以通過建筑物結(jié)構(gòu)本身的鋼筋作為直接接地體?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中的混凝土鋼筋作為垂直接地體，地梁內(nèi)的混凝土鋼筋作為水平接地體，通過彼此的連接形成均勻地網(wǎng)。按照GB 50689—2011 通信局站防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求中規(guī)定，對(duì)于土壤電阻率小于700 Ω·m 的情況，在進(jìn)行地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)可以將接地電阻保證不大于10 Ω；對(duì)于土壤電阻率700 Ω·m 的情況，在進(jìn)行地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需對(duì)接地電阻做量化標(biāo)準(zhǔn)，但是需要盡可能保證地網(wǎng)設(shè)計(jì)的等效半徑大于20 m，另外還應(yīng)該保證在設(shè)計(jì)地網(wǎng)的周圍輻射20～30 m 的水平接地體。因當(dāng)?shù)赝寥离娮杪瘦^大，故考慮利用降阻劑。

聯(lián)合接地的主要目的就是形成等電位連接，在形成良好的聯(lián)合接地以后，需要對(duì)信號(hào)塔內(nèi)部等電位連接進(jìn)行全面分析。以往的等電位連接是將直流工作地、設(shè)備保護(hù)地、安全接地以及防雷接地共同連接在總接地匯流排上，這對(duì)于正常防雷擊是不利的。設(shè)計(jì)考慮將等電位連接分成2 部分，2 部分都采用40 mm×4 mm 的扁銅帶與機(jī)房地網(wǎng)相連接。并且2 個(gè)部分保證等電位連接前提下與機(jī)房地網(wǎng)相連接的點(diǎn)需要遠(yuǎn)離信號(hào)塔地網(wǎng)，并且距離上應(yīng)在5 m 以上。等電位連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 等電位連接結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于接地引入線的設(shè)計(jì)，需要保證其與機(jī)房?jī)?nèi)的接地匯流排進(jìn)行可靠連接，并且需要作出充分的物理防腐以及電化防腐措施；在機(jī)房?jī)?nèi)部所涉及到的直流工作地、系統(tǒng)保護(hù)接地以及安全接地需要通過1 組接地匯集線可靠連接到一起；而對(duì)于一級(jí)電源避雷器接地、二級(jí)電源避雷器接地、光纜加強(qiáng)芯以及金屬防護(hù)層接地系統(tǒng)，需要可靠連接到另外設(shè)計(jì)的接地回流線，同時(shí)對(duì)接地導(dǎo)線以及布局進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。

3．5 電源系統(tǒng)防雷

通信塔電源線分布廣泛，受到雷擊的可能性最大。在總配電柜、分配電柜和設(shè)備處分別安裝SPD，電源系統(tǒng)防雷安裝示意圖如圖3。

圖3 電源系統(tǒng)防雷安裝示意圖

其中第1 級(jí)保護(hù)要求釋放大部分閃電能量，因此將其設(shè)計(jì)在外部電力線進(jìn)入總配電柜之前，必須為大通流量安裝1 個(gè)饋線片[7]。在進(jìn)行設(shè)備選擇時(shí)，需要滿足的泄放電流額定值為40 kA，系統(tǒng)的最低相應(yīng)時(shí)間不高于100 ns，系統(tǒng)額定保護(hù)電壓為500 V 以上。為了能夠起到吸收低能雷電電流作用并且能夠抑制雷電形成的浪涌過電壓，設(shè)計(jì)了第2 級(jí)保護(hù)，在進(jìn)行器件選擇時(shí)應(yīng)滿足泄放電流額定值為40 kA，系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間不大于20 ns，額定保護(hù)電壓值為350 V 以上，并且需要選用限壓型SPD 器件。為了能夠更好的抑制雷電形成的低能雷電流以及浪涌過電壓對(duì)供電系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了第3 級(jí)保護(hù)，需要選用限壓型器件，需要保證泄放電流額定值為20 kA，系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間不大于20 ns，額定保護(hù)電壓值為320 V 以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

為保障通信系統(tǒng)不受雷電的攪擾和毀壞。在地面網(wǎng)絡(luò)中建立完善的低阻抗地面網(wǎng)絡(luò)，采用輸出等比特連接，并根據(jù)礦山具體情況提出可行的解決方案。提高通信塔的總體防雷能力，防止閃電造成的損壞，確保了設(shè)備的安全運(yùn)行。