雷电的特性—背景知识：Lightning Characteristics – Background:

雷电的特性包括：50%的雷电的电流幅度平均为25kA、而最高纪录可达400kA，其温度最高可达摄氏15000度，雷电的电压可高达几千万伏。雷电的发生维持了大地的电气平衡。雷电是从被高度充电的云块上所产生的、被称为“先导放电”的、并趋向地面的且多于一条的向下通道而向下传播的。与此同时，在地面上的有如高塔、栅栏、大树、建筑物的边角、人员、避雷针、电线杆等带有尖端的物体，在电势的作用下产生了极性相反的、向上潜行的通道，这些通道我们称之为“飘带”；当一个“先导放电”与一条“飘带”相遭遇时，就有如合上了一个开关，电流的通道随之形成。其结果就是产生了一次云块到地面的雷击。

雷电防护系统及接地系统 Lightning Protection & Grounding

供电系统的有效工作无需进行接地，实际上，也并非所有的供电系统都进行了接地处理。但是，有两个强有力的理由使得供电系统应该进行接地处理：

1)       在故障发生时（例如短路）需要保障人员及设备的安全。

2)       为入侵的雷电流提供一条可以控制的、低阻抗的下地路径，以使雷电流无害地流向大地。

如果没有建造接地系统，则没有任何雷电防护系统会有效地工作。自从1752年开始，实施在被保护的设施上安装一根或多根避雷针，并将雷击的能量通过一条或多条下引导体排泄下地的做法以来，雷电的破坏力被有效地减弱。

雷击对电信基站的破坏 Lightning Damage to Telecommunications Substations

一支安装在一个50米高的天线铁塔顶端的避雷针，可以有效地保护与其邻近的、5米高的机房，使其免遭直击雷击带来的高热及爆炸的破坏。如果机房位于以铁塔为圆心的25米半径范围内，则被视为位于铁塔的“保护区”范围内。但是，单单具有接地系统，并不能有效地保护机房内的电子设备而使其免遭雷电的破坏。通过以下的三种方式，雷电流的能量仍然能对位于通信机房内部的电子设备造成严重的破坏：

1)       雷电的能量可以通过安装在铁塔上天线的所有下引同轴馈线传入到机房内部

2)       被排泄到大地的雷电能量可在瞬间提升机房所在地的整体地电位

3)       若雷电击中机房供电线路的远端，雷电的能量可以通过供电线路入侵机房的电子设备

雷电保护系统—综合处理的方案 Lightning Protection System—Comprehensive Approach

为保护基站内的电子设备免遭以上三种情况的破坏，必须应用一套整体的防护方案，具体如下：

1) 一套天线铁塔的雷电防护系统，包括其接地系统。

2) 基站本身的接地系统，并保证该系统与铁塔的接地系统进行良好的等电位连接

3) 设备的电涌防护装置，其作用是将有害的过电压（流）钳制到基站内电子设备能够承受的范围之内。

下面分别论述：

1)       天线铁塔—雷电保护系统 Antenna Tower - Lightning Protection System

在中国，一个典型的50米高的天线铁塔的雷电防护系统的构成如下：

铁塔的雷电防护系统的作用，仅仅是为了给雷电流提供一条低阻抗的下地路径而已。以下是一些简单的而且行之有效的方法（摘自于一些国际标准），能提高以上所述的防雷系统的效能，并降低防雷系统中接地路径的阻抗。以下几点根据重要性来排列：

a) 将铁塔的四个角都连接到接地电极上。通常的做法是：将一根3米长的铝质、不锈钢质或铜质的金属棒敲打入地下。由于雷电流会平均分配到4条下地的路径，而且4条下地路径的并联总阻抗要远小于单条下地路径的阻抗，显然4条下地路径比单条下地路径要好得多。接地电极的位置应该为：位于铁塔4只脚的水泥固定基础的外则，离水泥地基边缘0.6米到1.8米处，电极的顶端离地面0.3米到0.6米。在进行此项工程时，还需进行另一项工作：对铁塔的整体进行检查，以确信铁塔的所有构件均已焊接连接在一起，并且其电气导通性能良好。所有所属雷电防护系统的部件的连接必须是热连接（焊接连接）而非机械式的连接，因为机械式连接的电气连通性，会受到金属表面腐蚀程度的影响，以及物理损坏的影响。

b) 环绕铁塔的脚基，将铁塔的4只脚边的4个接地电极进行环形等电位连接。

c) 对于新建的基站：铁塔水泥地基内的钢筋笼，将所有钢筋进行等电位焊接连接并引出，与就近的接地电极及塔体连接。

d) 安装两条或更多的下引导体，并将 它们的上端连接到避雷针上，下端连接到接地系统的接地电极上。所有铁塔的避雷下引导体，均应在铁塔的每一部份与铁塔进行等电位连接。在允许的情况下，所有的下引导体应在铁塔各个脚的内侧走线，固定点的距离不应超过1米。如果采用紫铜下引导体，其单位重量不应该小于每米558克；而铝质的下引导体，其单位重量不应该小于每米283克。所有下引导体的终点应该是接地电极系统，焊接连接到一块120 mm²的铜质接地排上，然后连接到接地电极系统上。同样地，120 mm²的铜质接地排接入地面，与接地电极系统的接地电极焊接连接。

2)       基站建筑物—接地系统 Substation Building – Grounding System

若没有一个良好的接地系统，任何雷电防护系统都不会工作。在做基站建筑物的设计及施工时，应包括其独立的接地系统。如果存在这样的接地系统，非常重要的一点，是必须将此接地系统与邻近的铁塔的接地系统等电位连接起来。如果机房建筑物并没有另外地建造独立的接地系统，则必须在机房内部安装建造接地接线排，并将此接线排直接焊接连接到铁塔的接地系统上。

3)       基站建筑物—电涌防护 装置 Substation Building – Surge Protection Devices

普通的保险丝及断路器不能够有效处理包括雷电流在内的电涌，同样的，不间断电源系统(UPS)以及那些电源设备或机箱机柜的生产商偶尔安装在机柜里的小型MOV也不能有效地处理电涌。保护电子设备的惟一方法是安装电涌防护器(SPD)并将 它们有效地接地。电涌防护装置不可能独立于接地系统而工作。电涌防护器可以分流有害电流、阻止线路上传播过来的有害能量、过滤特定频率的有害波形、钳制电压的幅度或以上功能的组合。建议使用符合以下条件的电涌防护器：a) 可以承受极其高的安培值等级电涌的冲击；b) 能够在极短的时间内响应并有效地钳制幅度上升极快的电涌；c) 在每一相均有多条冗余保护路径，以及 d) 可以现场更换的模块式结构。所有进入到通信基站的金属导线均应在保护之列，通常可以分为以下三种类型：

a)       交流电源供电线 – 根据通信基站位置的不同，保护此类电源线的电涌防护器应可以承受80kA到200kA的雷击电流。此类的电涌防护器应该设计有每相多于一条的保护路径，在某一路被意外烧毁时仍然存在后备保护。

b)     天线的馈线 - 通常为连接铁塔上的通信天线的高频线缆。保护此类线缆的电涌防护器，必须能够有效地将直击雷击的强大电流进行分流，并且插入损耗足够的低，而不至于影响正常的信号传输。

c)     信号/数据线 – 此类型包括任何可能应用在通信基站内的网络线缆、电话线、连接远端模块、感应器、仪表或监控摄像头的信号线等等。

对于以上三种类型的线缆，均可以找到针对其要求而特殊设计的电涌防护产品。

基站建筑物—维护检测 Substation Building – Maintenance Inspection

1) 每年应对每一个雷电防护系统进行一次目击检查，目击检查的内容概括如下：

       a)  整个系统处于良好的状态

       b)  不存在可能导致高连接电阻的松动连接点。

       c) 系统中不存在由于腐蚀或震动所引起功能弱化的部件。

       d) 所有下引导体均得体在位（没有脱离）。

       e) 所有连接导体及系统部件均安全紧密地被固定在应在的位置上。

       f) 基站本身没有进行任何加建或修改项目，从而导致可能产生的追加防护措施的要求。

       g) 所有电涌防护器上没有可视的损坏痕迹。

2) 每3到5年应对所有雷电防护系统进行一次全面检查，全面检查的内容概括如下：

       a) 检查确定系统中不可视部分或部件的电气连续性能，该部分或部件在初建时被封闭（如接地电极系统等）。

       b) 接地系统整体以及系统中每一接地电极的独立接地电阻的测试，其中接地电极的独立接地电阻的测试只适用于存在可行的网络脱离方法的情况下。本次测试的所有结果应与以往的或原始的测试结果相比较，如果结果与以往的记录相差巨大，则应做进一步测试，以确定其变化的具体原因。

       c) 若在上次检测以后在基站内加装任何新的设备或设施，应对这些新的设施设备内相应的部分进行与原有设施的电气连接性能的测试，以确定等电位连接已达到要求。

3）   应向基站负责维护的工程师或技术人员提供相应的检测指南及检测记录表格。

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