日本北陆地区无线中继所防冬季雷设计
摘要：日本北陆地区在设计和建设无线中继所时考虑了对冬季雷的防雷措施，其采用的倾斜型避雷针据称具有很好的防感应雷效果。关键词：冬季雷；倾斜型避雷针；浪涌阻抗；网关接地；通信设备防雷
引 言
为了确保对北陆地区的电力系统的运营管理和信息传递，日本在富山渠东砺波郡利贺村的高峰山（标高1085m）建设了一个无线中继所，正好处在日本海旁边特有的冬季雷多发区，当地的无线局有不少关于冬季雷破坏通信设备和造成停电等记录。
1 北陆地区的冬季雷
在日本海旁边，由于高湿度空气的上升，雷云处于较低的位置。
冬季，当气温变化剧烈时容易发生冬季雷，特别是冷风从海上或者平原进入到山里或山脉中形成卷风处，这时风速明显加快，落雷频度很高。另外，冬季雷比夏季雷有更大的能量，根据报告，有超过200kA的雷电流（峰值）和具有超过数百库伦电荷量。
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图1所示为冬季雷云的模型。在进入山岳部分，在地面上的风速为10m/s，在1km上空的风速为每秒数十米。在其上部有正极性雷云，在风的下面有宽广的、拖得很长的一片雷云。
负极性雷云的高度低到100m至数百米之间，在海上和平原突出的地方，向大地放电的现象较多。正极性雷云在山谷中流动时，就会向大地放电，山谷中的正极性雷云的比例较高。
根据雷电定位系统（LLS）在该地区获得的数据，自每年11月到第二年的1月期间，该地区发生的1436件落雷中，正极性雷为760件（53%）,负极性雷为676件（47%）。即使在有很高绝缘强度的超高压输电线上，两根线上的闪络事故也频繁发生，几乎都是由正极性雷造成的。
2 防雷措施
一般情况下，对于大部分有50kA以下的雷电流值的夏季雷，对无线中继所的通信设备的防雷保护也是比较困难的，对于具有很大雷电能量的冬季雷的防护难度更大。
对该中继所的防雷主要考虑了：
（1）雷云接近大地，向雷云放电的大地电荷的形态，雷电流通过路径的形成。
（2）对于通信设备，在雷电流通过的路径中要有防雷保护
具体说来要实施以下的防雷措施：
（a）将配电线的接地线（GW），无线中继所的网状接地、避雷线、避雷针等连接在一起而形成雷电流通过路径。
（b）采用了有很高的防感应雷效果的倾斜型避雷针。
（c）保护通信设备的各种措施。
上述三部分的内容分述如下。
2.1配电线的接地线（GW），无线中继所的网状接地、避雷线和避雷针的连接
这项措施着眼于雷云接近大地向雷云放电的大地电荷的形态，要有形成雷电流通过路径的方法，以便使配电设备和通信设备免遭雷害。
关于落雷的机理有各种各样的考虑方法，我们根据日本木村先生提出的雷电涌理论进行研究。
（1）冬季正极性雷（从大地向雷云放电）形成的雷电流通路。
图1示出的冬季雷的情况，雷云上部分的正极性雷云在风下面有一片宽广的拖得较长的雷云。为此，由于雷云所感应到大地的电荷密度在较广的范围内具有很大的数值。这个状态使储存有电荷的雷云与大地成为平行板状，可以认为是均匀电场。
当这里的地上有突出部分时，其顶端有很强的电场强度。通常，从其顶端发展到朝向上方的引导电荷，形成了与雷云之间的路径。由于有连续主放电，在地表面上感应的电荷通过放电通道朝雷云的方向上行，与雷云的电荷进行中和而消失。
同样地，随着雷云的接近，山顶的无线中继所所处大地上的负电荷从中继所周边半径为数千米的地面内集中到无线铁塔上。图2所示，为雷云接近无线中继所时负电荷集中的现象。
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无线中继所应设置在配电线路附近。这个配电线路的电杆上架设了配电线的接地线，该接地线连接到配电杆的接地点。为此，在大地上感应的负电荷从配电杆的接地点流入配电线的接地线（GW）时，集中到无线中继所的附近。而且，这些负电荷逆向闪络到配电线路上会烧坏配电设备和无线中继所的设备。
这个防雷措施要将配电线的接地线（GW），与无线中继所的网状接地点进行连接，还要直接连接到网状接地线、避雷线和避雷针的上面，形成负电荷的发射路径（图3）。
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采用这个防雷措施，缓和了无线中继所附近的配电线的接地线（GW）的负电荷集中的现象，降低了配电设备的故障危险（图4）。
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（2）对于从雷云接近大地的雷形成雷电流的通过路径设想从雷云接近大地的雷电流是落雷到无线铁塔上的雷电流随意地分流到铁塔和建筑物的各个构件而流入网状接地线和泄放到大地中。
这个雷电流流入大地时，因为大地有阻抗，就产生了大地电位升。
图5所示为产生大地电位升时的大地电位梯度曲线图。
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有大地电位升的场合的大地浪涌阻抗是与通常的接地阻抗是不同的，通常的接地是在商用电源电路出现接地时确保安全用的接地，接地电阻值是在一个固定范围内的数值。浪涌阻抗是在雷电流流入大地后数十微秒期间的过渡范围阻抗值。在确保有10Ω以下的接地电阻值（固定范围）的场所，要进行浪涌阻抗值的测定，也有可能取100Ω以上的数值（图6中感应型接地场合）。为此，有大地电位上升到数十kV的场合。
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出现在低压线引入部分的配电线与大地之间的电位差会击坏配电设备。
这个防雷措施考虑了在（1）项中同样的方法，即将无线中继所网状接地与配电线的接地线（GW）进行连接的方法。
从雷电流的传播速度来看，雷电流传播到导电体（配电线的接地线GW）上的时间比传播到大地中的时间要早，这样，产生大地电位升的雷电流中的一部分从初期阶段就流入配电线的接地线（GW）中，其结果可抑制大地电位升，如果低压线的引入部分连接的配电设备在击穿电压以下，就能避免受到损坏。
（3）无线中继所的网状接地与配电线的接地线（GW）进行连接，改善了防雷效果。
在高峰上，有NTT中继所，建设省的中继所，第二电电的中继所。无线中继所的网状接地如没有与配电线的接地线（GW）进行连接时，这些中继所经常受到冬季雷的破坏。
这项防雷措施于1988年11月NTT开始采用，以后，新建的无线中继所均采取这项措施，提高了防雷效果。
2.2 采用防感应雷效果较好的倾斜型避雷针
接闪到抛物面天线上的直击雷会对抛物面天线及其天馈部分造成破坏，应安装有很高防感应雷效果的倾斜型避雷针。
常规避雷针的设计主要针对夏季雷，而对于雷云较低又横向移动的冬季雷，我们的研究是很不够的。
根据日本电力中央研究所的报告，倾斜型避雷针对于正极性雷有较高屏蔽率。
电力中央研究所的盐原实验场使用图7所示的气象雷达的天线罩模型（大约1/12的缩小模型）的方法进行放电，这时的放电率见表1。
表1 避雷针的安装方法和放电率
避雷针的长度安装角屏蔽角电压的极性放电率
避雷针雷达
7cm垂直54°正极正28%72%
负极 正100%0%
20cm水平30°正极正90%10%
负极正100%0%
20cm30°25°正极正94%6%
负极正100%0%
20cm45°27°正极正98%2%
负极正100%0%
20cm60°30°正极正92%8%
负极正100%0%
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避雷针垂直的安装角（屏蔽角54°）时，对于3/4的正极性雷，其屏蔽功能失败。避雷针为45°安装角（屏蔽角27°时），大约100%有改善的屏蔽功能。因此，本中继所的避雷针采用的倾斜型避雷针，其安装角为45°（屏蔽角27°时）。
2.3保护通信设备措施
落雷到无线铁塔时，雷电流杂散流入无线中继所的各个部分，从各种路由流入建筑物内的通信设备和电源设备。详细内容参阅电气协同内研究。
雷电流的侵入路由有：
l 商用输电线（低压输电线）
l 波导管
l 与建筑物的接触部份
（1） 商用输电线（低压输电线）
商用输电线成为配电线上的感应雷侵入的路径。通常，这个防雷措施要设置防雷变压器，还有必要参照变压器的接地方法（图8）。
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（2） 波导管
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无线装置和抛物面天线通过铜制波导管进行连接。当落雷到铁塔上时，要有百分之几至百分之几十的雷电流流经波导管侵入无线装置（图9）。为此，将波导管的接地线直接连接到在建筑物的引入部分附近的网状接地，减轻一部份雷电流侵入无线装置。
（3） 与建筑物的接触部分
无线中继站是用钢筋混凝土建造的，建筑物主体具有导电性能。安装在墙面上的照明设备遭到雷击损坏，一般是由于流到墙面上的雷电流所感应的造成。
为了防止通信设备的翻倒在地，在对面墙上架设一根钢材将通信装置上部固定好。这根钢材因为连接到墙面上，就有雷电流从墙面流入通信机器而损坏该机器（图10a）。为此，采用了防震框架，谋求与墙面隔离开（图10b）。
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防震框架与地面、波导管支架与建筑物接触的地方要装上衬套管，以便与建筑物绝缘。
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