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建筑物的避雷塔综合防雷技术及应用
雷击是一种自然现象，它的巨大能量众所周知。几个世纪来，人类对雷击的破坏性的研究、探索和采取预防的措施，已经有了一套比较成熟的理论。从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）防雷系统保护，越往里则危险程度越底。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50%是直接泄入大地，还有50%将平均流入各电气通道。
总体防雷原则是：
1.将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散（外部保护）；
2.阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）；
3.限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。
这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。
一、建筑物的综合防雷技术应用
（一）铁路站场
铁路站场直击雷防护重点区域是通信楼、信号楼和户外岔群咽喉区设备。
1.通信楼直击雷防护
利用通信楼附近的高约45米微波塔，在塔顶上安装IF3避雷针，避雷针安装高度超出塔顶2.5米。经计算，避雷针对地面的保护半径可达119米。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于1欧。
2. 信号楼直击雷防护
利用被保护建筑物信号楼，高度约为10米，在信号楼顶部安装IF3避雷针，针的安装高度超出楼顶5米。经计算，保护半径可达109米。楼顶预埋350mm×350mm×10mm厚钢板，便于焊接避雷针底座，从底座延相反方向焊接引出两条引下线，引下线采用大于8mm的圆钢沿楼外墙引下入地，与楼的接地环相连。防雷接地装置接地电阻小于1欧，将避雷针与接地装置贯通。
3.户外岔群咽喉区直击雷防护
铁路站场岔群咽喉区的特点是设备分布较为集中，岔群咽喉区段长度约145米，在岔群咽喉区附近各建立12米高的铁塔，塔顶安装IF3避雷针。经计算，保护半径可达111米。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于10欧。
（二）民用机场
民用机场的防雷和防雷击电磁脉冲和内部过电压的保护的设计与施工既要可靠地设计建筑物外部的防雷击装置，又要完善考虑建筑物内部的大量电子信息设备的防雷击电磁脉冲和内部过电压的保护。下面讨论设计中的一些要点。
1．外部避雷系统
在机场重要的第一类和第二类防雷建筑物的接闪器以普通针、带、网相结合为主。如建筑物本身无法实施普通的避雷技术措施，可采用国外先进的E．S．E提前放电避雷针。在防雷建筑物的外防雷系统的设计时，应实现总等电位连接和联合接地。考虑实际应用效果，引下线可考虑使用焊接的主承重柱内的钢筋引下线逐点检查核实。
2. 建筑物内部防雷击电磁脉冲和内部过电压保护的设计
应特别重视对由低压电缆引入的雷击电磁脉冲的防护，依据 GB50057．94《建筑物防雷设计规范》和 IEC61312—1《防雷电电磁脉冲设计的一般原则》以及相关国家、行业标准，对于安装有大量电子设备(引入PE线的金属外壳 I类耐过压水平用电设备，依据IEC664-1)的低压配电系统，根据防雷分区的定义结合等电位连接的作法，对其防雷电电磁脉冲进行分级设计[4]。
二、测报工作中防雷技术的应用
（一）水文测报系统
水文报汛是在规定的时间内进行，在时间上没有选择的余地。水文缆道架设地野处，加之缆道的主索、工作索等均是钢材，属导电体，易受雷击，为不影响水文测验，必须对缆道进行防雷避雷设施建设。
1.水文缆道设施防雷避雷
水文缆道跨度较小，可采用避雷针防雷；跨度较大时，避雷针则无法兼顾整个跨度缆道，采取避雷线的方式避雷。在缆道主杆上端架设一个高3m以上的避雷塔，然后在避雷塔安装避雷线，使避雷线、钢支架用扁钢与地网连接。要求避雷线采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线；引下线优先采用直径不小于8mm的圆钢，地网电阻不大于4Ω。缆道感应雷的防护主要是依靠电源防雷，信号防雷，合理的地网铺设等措施可减少或杜绝感应雷的影响。长江委水文局上游局的大多水文站均采用在左右岸钢支架上端架设一个高3～5m的避雷塔，安装避雷线，并与地网连接，防雷避雷效果明显。
2.水位、雨量仪器防雷避雷
采用防雷针、引下线、地网的防雷系统来防止水位、雨量仪器直接雷击。 由于水位、雨量观测在野外进行，其观测的设备——雨量筒、卫星天线、太阳能板都安装在自记井顶部(自记井顶部最大直径不超过2m),因此，避雷针也只能安装在自记井顶部。假如卫星天线的高度为 1.0m，当避雷针高度则为 2.7m时，可将天线置于以避雷针为圆心、半径约 3m的有效保护范围内(避雷针的保护角度按60°算，避雷针最好安装在海事卫星天线的东北方向，因西南方向为卫星登陆方向)。
为避免电源线将感应雷传入仪器，采用太阳能电池浮充供电。水位、雨量信息传输的信号线采用屏蔽线，将信号线通过PVC套管从地下引入报汛站，报汛站通过PSTN或网络将水位、雨量信息传送至水情分中心，报汛站还可通过备用信道——海事卫星（或北斗卫星）直接将水位、雨量信息发送至水情分中心。
3.水情分中心防雷系统
水情分中心一般都建设在大、中城市。地理、地质条件都给地网的布设增加了困难，但避雷针的安装严格按照60度保护角的要求安排避雷针与卫星天线、太阳能板的距离。
（二）天气雷达
天气测报系统雷达的施工建设工作中同样需要考虑防雷避雷,科学工作者在建设思茅新一代天气雷达中应用了特别的综合防雷技术,并对具体设计工作做了报道与分析。
1.接闪
采取了避雷针、带组合保护的方式：既在雷达探测楼顶部距天线罩外缘3.5m处等圆周、等间距安装4棵等高10m的玻璃钢避雷针，并沿屋面女儿墙顶部安装架空高度为0.3m的避雷带，使雷达天线和建筑物处以避雷针、带组合保护的直击雷防护区。
2.屏蔽
采取了沿机房四周墙体及窗框敷设 150cm×150cm的金属屏蔽网格，把机房内电气设备 “包围”起来，并做好各类设备外露可导电部件的接地，使室内雷达设备处以第一、二、三层屏蔽防护区内。
3.均压连接
采取的方法是；从建筑物的基础开始，逐层逐项地将同一层面、同一入口处和雷电防护区交界点的金属构件作等电位连接，形成等电位连接网络。均压连接是一项比较烦杂的工作，是防雷设计与施工质量的主要评判因素之一。
4.浪涌保护
采用电压开关型和电压限制型浪涌保护器进行防护。供电系统采取3级防护；SPD1安装在距雷达站100m处的变压器低压侧电源总配电箱上，在三根相线上选用I级分类试验用冲击电流Iimp通过幅值电流50KA (10/350μs)的SPD；SPD2安装在雷达站建筑物配电盘上，在三根相线和中性线上选用标称放电电流40KA (8/20μs)的SPD；SPD3安装在雷达主机房分配电盘上，在三根相线和中性线上选用标称放电电流10kA (8/20μs)的SPD。
5.接地
天气雷达站的接地处理遵循 “共地不共线”的接地原则，即将防雷地、电源地、电源保护地、防静电地和逻辑地等各种接地分别就近就便汇入一个合格的公共接地网。天气雷达站的接地，除利用建筑物的自然接地体外，还增设了约 5000 人工辅助接地体，形成的公共接地网接地电阻为0.8Ω，满足了天气雷达站在土壤电阻率条件下对接地电阻值的要求。
三、电信系统的综合防雷技术应用
防雷接地不但是建筑物必须考虑的内容，电气系统和电子设备也必须考虑防雷。
（一）有线电视系统
CATV系统的防雷接地应包括3个部分：前端、干线（含超干线）和分配系统。
1. 前端部分的防雷接地
前端机房一般不是独立的建筑，因此，整个建筑物的防雷接地系统可以保护前端机房内系统设备的安全，故不必重新做防雷接地，但有几点须引起注意：雷电可能从接收天线串入前端系统；播出机房地板须采用防静电地板，信号电缆与电力电缆分沟敷设；在电力线明线引入时，雷电有可能从电源网串入。
2. 干线部分的防雷接地
CATV系统的干线（含超干线）部分包括电（光）缆和干线设备（如放大器或光接收机等）两项内容，该部分置于室外，必须考虑防雷。
2.1 电（光）缆的防雷接地
对于走地下管道的电（光）缆，应在引下和引上处将金属管道或电缆金属外皮与防雷接地装置相连；市区架空电（光）缆吊线的两端和架空电（光）缆线路中的金属管道均应接地；郊区旷野的架空电（光）缆线路要在分支杆、引上杆、终端杆、角深大于1m的角杆、安装放大器的电杆及直线线路每隔10～15根电杆上加装避雷针，吊线应接地处理，接地装置用35 mm×35 mm×2000mm角钢或直径10mm以上圆钢，埋深2m。
2.2 干线设备的防雷接地
光接收机、干线放大器和供电器的外壳均应就近接地，但不得与电源变压器和有线广播的接地线相连；对需要外线电源的放大器、供电器，应按防雷标准要求增设电源避雷器。
（二）机房系统
1.等电位连接和共用接地系统
对于机房系统防雷设施，等电位连接的关键是在信息系统机房内布设星形结构 (S型)或网形结构 (M型)或S型与M型组合的等电位连接网络，使得机房内的电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、屏蔽线外层、及各种电涌保护器 (SPD)接地端均能够实现最短的距离就近与等电位连接网络连接。优化接地型式的设计应选择一些导电性好、热稳定性强、耐腐性和承受雷电流能力高的接地材料，如高效防腐降阻剂、铜、铸钢接地极、离子接地极等。
2．屏蔽
雷电电磁场强度的衰减计算能为信息系统设备布置及采取相应的屏蔽措施提供指导意见。根据计算结果信息系统的主机房一般应选择在大楼的低层中心部位，信息系统设备应尽量远离建筑物的外墙结构柱，设置在雷电防护的最高防护级别区域内。
3．电涌保护器的选择和应用
3.1低压配电系统 SPD选择和配置
能量配合有使用退耦元件和不使用退耦元件的配合、有使用触发型SPD的配合、还有两个电压开关型SPD间的配合、电压开关型和限压性SPD间的配合、两个限压型SPD间的配合、末级SPD与被保护设备间的配合等多种配合方式。尽管有了正确的能量配合，如果SPD不是安装在防雷区界面和被保护设备上或其附近，则设备的端子上仍可能出现损害。其原因在于SPD与被保护设备间的线路之间可能引起振荡，这种振荡可能导致超过SPD残压两倍的高电压而损坏设备。
3.2信号线路 SPD选择和配置
信号线路SPD应根据被保护设备的工作电压、接口类型、特性阻抗、插损、功率、信号传输速率、频带宽度及传输介质参数选用插损小、限制电压不超过设备端口耐压的SPD 。
3.3天馈线路SPD选择和配置
天馈线上选用的SPD最大传输功率应为平均功率的1.5-2.0倍。其它参数，如工作频率、驻波、插损、特性阻抗、接口等均应符合系统的要求。
总体防雷原则是：
1.将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散（外部保护）；
2.阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）；
3.限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。
这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。
一、建筑物的综合防雷技术应用
（一）铁路站场
铁路站场直击雷防护重点区域是通信楼、信号楼和户外岔群咽喉区设备。
1.通信楼直击雷防护
利用通信楼附近的高约45米微波塔，在塔顶上安装IF3避雷针，避雷针安装高度超出塔顶2.5米。经计算，避雷针对地面的保护半径可达119米。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于1欧。
2. 信号楼直击雷防护
利用被保护建筑物信号楼，高度约为10米，在信号楼顶部安装IF3避雷针，针的安装高度超出楼顶5米。经计算，保护半径可达109米。楼顶预埋350mm×350mm×10mm厚钢板，便于焊接避雷针底座，从底座延相反方向焊接引出两条引下线，引下线采用大于8mm的圆钢沿楼外墙引下入地，与楼的接地环相连。防雷接地装置接地电阻小于1欧，将避雷针与接地装置贯通。
3.户外岔群咽喉区直击雷防护
铁路站场岔群咽喉区的特点是设备分布较为集中，岔群咽喉区段长度约145米，在岔群咽喉区附近各建立12米高的铁塔，塔顶安装IF3避雷针。经计算，保护半径可达111米。引下线采用截面大于12mm×4mm的镀锌扁钢。防雷接地装置接地电阻小于10欧。
（二）民用机场
民用机场的防雷和防雷击电磁脉冲和内部过电压的保护的设计与施工既要可靠地设计建筑物外部的防雷击装置，又要完善考虑建筑物内部的大量电子信息设备的防雷击电磁脉冲和内部过电压的保护。下面讨论设计中的一些要点。
1．外部避雷系统
在机场重要的第一类和第二类防雷建筑物的接闪器以普通针、带、网相结合为主。如建筑物本身无法实施普通的避雷技术措施，可采用国外先进的E．S．E提前放电避雷针。在防雷建筑物的外防雷系统的设计时，应实现总等电位连接和联合接地。考虑实际应用效果，引下线可考虑使用焊接的主承重柱内的钢筋引下线逐点检查核实。
2. 建筑物内部防雷击电磁脉冲和内部过电压保护的设计
应特别重视对由低压电缆引入的雷击电磁脉冲的防护，依据 GB50057．94《建筑物防雷设计规范》和 IEC61312—1《防雷电电磁脉冲设计的一般原则》以及相关国家、行业标准，对于安装有大量电子设备(引入PE线的金属外壳 I类耐过压水平用电设备，依据IEC664-1)的低压配电系统，根据防雷分区的定义结合等电位连接的作法，对其防雷电电磁脉冲进行分级设计[4]。
二、测报工作中防雷技术的应用
（一）水文测报系统
水文报汛是在规定的时间内进行，在时间上没有选择的余地。水文缆道架设地野处，加之缆道的主索、工作索等均是钢材，属导电体，易受雷击，为不影响水文测验，必须对缆道进行防雷避雷设施建设。
1.水文缆道设施防雷避雷
水文缆道跨度较小，可采用避雷针防雷；跨度较大时，避雷针则无法兼顾整个跨度缆道，采取避雷线的方式避雷。在缆道主杆上端架设一个高3m以上的避雷塔，然后在避雷塔安装避雷线，使避雷线、钢支架用扁钢与地网连接。要求避雷线采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线；引下线优先采用直径不小于8mm的圆钢，地网电阻不大于4Ω。缆道感应雷的防护主要是依靠电源防雷，信号防雷，合理的地网铺设等措施可减少或杜绝感应雷的影响。长江委水文局上游局的大多水文站均采用在左右岸钢支架上端架设一个高3～5m的避雷塔，安装避雷线，并与地网连接，防雷避雷效果明显。
2.水位、雨量仪器防雷避雷
采用防雷针、引下线、地网的防雷系统来防止水位、雨量仪器直接雷击。 由于水位、雨量观测在野外进行，其观测的设备——雨量筒、卫星天线、太阳能板都安装在自记井顶部(自记井顶部最大直径不超过2m),因此，避雷针也只能安装在自记井顶部。假如卫星天线的高度为 1.0m，当避雷针高度则为 2.7m时，可将天线置于以避雷针为圆心、半径约 3m的有效保护范围内(避雷针的保护角度按60°算，避雷针最好安装在海事卫星天线的东北方向，因西南方向为卫星登陆方向)。
为避免电源线将感应雷传入仪器，采用太阳能电池浮充供电。水位、雨量信息传输的信号线采用屏蔽线，将信号线通过PVC套管从地下引入报汛站，报汛站通过PSTN或网络将水位、雨量信息传送至水情分中心，报汛站还可通过备用信道——海事卫星（或北斗卫星）直接将水位、雨量信息发送至水情分中心。
3.水情分中心防雷系统
水情分中心一般都建设在大、中城市。地理、地质条件都给地网的布设增加了困难，但避雷针的安装严格按照60度保护角的要求安排避雷针与卫星天线、太阳能板的距离。
（二）天气雷达
天气测报系统雷达的施工建设工作中同样需要考虑防雷避雷,科学工作者在建设思茅新一代天气雷达中应用了特别的综合防雷技术,并对具体设计工作做了报道与分析。
1.接闪
采取了避雷针、带组合保护的方式：既在雷达探测楼顶部距天线罩外缘3.5m处等圆周、等间距安装4棵等高10m的玻璃钢避雷针，并沿屋面女儿墙顶部安装架空高度为0.3m的避雷带，使雷达天线和建筑物处以避雷针、带组合保护的直击雷防护区。
2.屏蔽
采取了沿机房四周墙体及窗框敷设 150cm×150cm的金属屏蔽网格，把机房内电气设备 “包围”起来，并做好各类设备外露可导电部件的接地，使室内雷达设备处以第一、二、三层屏蔽防护区内。
3.均压连接
采取的方法是；从建筑物的基础开始，逐层逐项地将同一层面、同一入口处和雷电防护区交界点的金属构件作等电位连接，形成等电位连接网络。均压连接是一项比较烦杂的工作，是防雷设计与施工质量的主要评判因素之一。
4.浪涌保护
采用电压开关型和电压限制型浪涌保护器进行防护。供电系统采取3级防护；SPD1安装在距雷达站100m处的变压器低压侧电源总配电箱上，在三根相线上选用I级分类试验用冲击电流Iimp通过幅值电流50KA (10/350μs)的SPD；SPD2安装在雷达站建筑物配电盘上，在三根相线和中性线上选用标称放电电流40KA (8/20μs)的SPD；SPD3安装在雷达主机房分配电盘上，在三根相线和中性线上选用标称放电电流10kA (8/20μs)的SPD。
5.接地
天气雷达站的接地处理遵循 “共地不共线”的接地原则，即将防雷地、电源地、电源保护地、防静电地和逻辑地等各种接地分别就近就便汇入一个合格的公共接地网。天气雷达站的接地，除利用建筑物的自然接地体外，还增设了约 5000 人工辅助接地体，形成的公共接地网接地电阻为0.8Ω，满足了天气雷达站在土壤电阻率条件下对接地电阻值的要求。
三、电信系统的综合防雷技术应用
防雷接地不但是建筑物必须考虑的内容，电气系统和电子设备也必须考虑防雷。
（一）有线电视系统
CATV系统的防雷接地应包括3个部分：前端、干线（含超干线）和分配系统。
1. 前端部分的防雷接地
前端机房一般不是独立的建筑，因此，整个建筑物的防雷接地系统可以保护前端机房内系统设备的安全，故不必重新做防雷接地，但有几点须引起注意：雷电可能从接收天线串入前端系统；播出机房地板须采用防静电地板，信号电缆与电力电缆分沟敷设；在电力线明线引入时，雷电有可能从电源网串入。
2. 干线部分的防雷接地
CATV系统的干线（含超干线）部分包括电（光）缆和干线设备（如放大器或光接收机等）两项内容，该部分置于室外，必须考虑防雷。
2.1 电（光）缆的防雷接地
对于走地下管道的电（光）缆，应在引下和引上处将金属管道或电缆金属外皮与防雷接地装置相连；市区架空电（光）缆吊线的两端和架空电（光）缆线路中的金属管道均应接地；郊区旷野的架空电（光）缆线路要在分支杆、引上杆、终端杆、角深大于1m的角杆、安装放大器的电杆及直线线路每隔10～15根电杆上加装避雷针，吊线应接地处理，接地装置用35 mm×35 mm×2000mm角钢或直径10mm以上圆钢，埋深2m。
2.2 干线设备的防雷接地
光接收机、干线放大器和供电器的外壳均应就近接地，但不得与电源变压器和有线广播的接地线相连；对需要外线电源的放大器、供电器，应按防雷标准要求增设电源避雷器。
（二）机房系统
1.等电位连接和共用接地系统
对于机房系统防雷设施，等电位连接的关键是在信息系统机房内布设星形结构 (S型)或网形结构 (M型)或S型与M型组合的等电位连接网络，使得机房内的电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、屏蔽线外层、及各种电涌保护器 (SPD)接地端均能够实现最短的距离就近与等电位连接网络连接。优化接地型式的设计应选择一些导电性好、热稳定性强、耐腐性和承受雷电流能力高的接地材料，如高效防腐降阻剂、铜、铸钢接地极、离子接地极等。
2．屏蔽
雷电电磁场强度的衰减计算能为信息系统设备布置及采取相应的屏蔽措施提供指导意见。根据计算结果信息系统的主机房一般应选择在大楼的低层中心部位，信息系统设备应尽量远离建筑物的外墙结构柱，设置在雷电防护的最高防护级别区域内。
3．电涌保护器的选择和应用
3.1低压配电系统 SPD选择和配置
能量配合有使用退耦元件和不使用退耦元件的配合、有使用触发型SPD的配合、还有两个电压开关型SPD间的配合、电压开关型和限压性SPD间的配合、两个限压型SPD间的配合、末级SPD与被保护设备间的配合等多种配合方式。尽管有了正确的能量配合，如果SPD不是安装在防雷区界面和被保护设备上或其附近，则设备的端子上仍可能出现损害。其原因在于SPD与被保护设备间的线路之间可能引起振荡，这种振荡可能导致超过SPD残压两倍的高电压而损坏设备。
3.2信号线路 SPD选择和配置
信号线路SPD应根据被保护设备的工作电压、接口类型、特性阻抗、插损、功率、信号传输速率、频带宽度及传输介质参数选用插损小、限制电压不超过设备端口耐压的SPD 。
3.3天馈线路SPD选择和配置
天馈线上选用的SPD最大传输功率应为平均功率的1.5-2.0倍。其它参数，如工作频率、驻波、插损、特性阻抗、接口等均应符合系统的要求。
