高山廣播電視臺站的防雷

胡占平

雷電對電子設備危害很大,對建在高山上的廣播電視、通信臺站危害更大。文章介紹了雷電的形成以及對高山臺站電子設備造成損害的原理,并結(jié)合我臺太子巖調(diào)頻發(fā)射臺實際情況,提出了一些防雷擊系統(tǒng)的設計方法。

雷電災害是目前我國十大自然災害之一,2007年全國雷電災害統(tǒng)計,共發(fā)生雷擊3560次,造成傷亡1018人,經(jīng)濟損失5357.871萬元。高山廣播電視臺站一般都處在制高點,機房及附屬設備極易遭到雷擊。更重要的是,隨著科技的進步,計算機控制系統(tǒng)、數(shù)字發(fā)射機等精密電子設備被廣泛應用,而這些設備普遍絕緣強度低,抗過壓、過電流及電磁脈沖的能力極低,特別容易遭受雷電侵害,嚴重威脅廣播電視安全。

雷電主要有直擊雷和間接雷。云塊對地上物體直接放電,叫直擊雷。間接雷又分為感應雷和傳導雷,雷電在放電過程中產(chǎn)生的強大靜電感應和磁場感應形成的過電壓叫感應雷;由于雷電對架空線路或金屬管道作用產(chǎn)生的沖擊電壓,沿線或管道傳入建筑物的叫傳導雷。雷電防護是通信、廣播電視臺站特別是高山臺站設計的重點項目之一,雷害防護方案應包括對直擊雷和間接雷的防護,兩者缺一不可。

防雷的基本途徑就是為雷電提供一條雷電流對地泄放的合理的阻抗途徑,控制雷電流的轉(zhuǎn)換和泄放。防雷的主要方法是做好設備接地、良好屏蔽及安裝有效的防雷保護系統(tǒng)。良好接地:最好的防雷措施就是將閃電能量泄放入地;良好屏蔽:簡單的說就是用金屬網(wǎng)、箔、殼、管等導體把需要保護的對象包圍起來,避免雷擊;防雷保護系統(tǒng)就是采用避雷器讓雷電流逐級分流泄放,電壓逐級降低。

為了擴大邢臺電臺覆蓋面,落實村村通廣播工程,我臺在海拔1130米的太子巖建設調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺,發(fā)射機房所在建筑物的防雷屬于第二類,發(fā)射機房信息系統(tǒng)雷電防護等級為A級,按照設計規(guī)范,防雷系統(tǒng)應包括機房防雷;電源、信號、天饋線浪涌保護器,以及避雷針、屏蔽、接地等。

直擊雷防護設計

直擊雷防護主要靠架設在鐵塔頂部的避雷針、引下導電體、發(fā)射機房鋼結(jié)構(gòu)等形成一個屏蔽“法拉第網(wǎng)”,保護天線和機房頂部不受直擊雷擊,避雷針通過獨立的引下線直接接入地網(wǎng)。鐵塔地處山頂海拔1130米,且處于空曠地帶,其年預計雷擊次數(shù)較大,同時考慮該地區(qū)的雷電能量具備更大、破壞性更強(地電位反擊、跨步電壓等),在鐵塔建設之初就需要安裝限流型避雷針。

采用特殊材料(導電硅橡膠高分子電阻材料)和結(jié)構(gòu)(半導體少長針輻射裝)的限流形避雷針,是在富蘭克林避雷針基礎上發(fā)展起來的新型現(xiàn)代避雷針。在滿足保護范圍的同時,利用材料的阻抗特性,延緩雷閃主放電時間,使雷電流波形變寬、幅值降低、拉長雷電流波頭使其平緩并衰減雷電流陡度,被限制了的雷電流將以較長的時間通過限流避雷針,從而有效地減弱感應雷和高電位反擊造成的損害,完全克服了傳統(tǒng)避雷針的缺陷。我們采用300KA限流型避雷器,抗風40米/S。

間接雷防護設計

間接雷主要經(jīng)天饋線、室外交流電源線、光纜等侵入機房,損壞設備。我們的防護措施也主要集中在這幾個可能的侵入通道上。

(1)配電系統(tǒng)防雷解決方案

電源系統(tǒng)分布較廣,相對而言最易受間接雷危害,據(jù)統(tǒng)計,雷害80%是從電源線引入。由于雷電產(chǎn)生了強大的過電壓、過電流,采用一級電源避雷器很難滿足一次性在瞬間完成泄流和限壓,電源配電系統(tǒng)的防雷必須采取多級梯度防護方式,層層設防來保證供配電系統(tǒng)避免雷電災害導致用電設備的損壞。

1、交流電力變壓器高壓側(cè)的三根相線,應分別就近對地加裝氧化鋅避雷器;電力變壓器低壓側(cè)的每根相線應分別就近對地加裝氧化鋅無間隙避雷器。變壓器的機殼、低壓側(cè)的交流零線,以及與變壓器相連的電力電纜的金屬外護層,應就近接地。低壓傳輸電纜應采用帶有金屬鎧裝層的電纜,電纜的鎧裝與接地排連接。

2、在室外引入電源至總配電柜處,并聯(lián)安裝一臺高能電源電涌保護器,作為泄能級電源第一級防護,并以最短路徑接線,原則上連接線總長應<0.5米,當配電設備及接地匯集排的安裝位置不合理導致不能保證浪涌保護器的連接線長度<1 米時,可以采用凱文接線法來彌補。我們選用了一個120KA的防雷箱,因為我們接有穩(wěn)壓器,所以防雷箱安裝在穩(wěn)壓器的前面。

3、電源經(jīng)穩(wěn)壓進入電源分配箱后并接一臺電源電涌保護器,作為電源二級保護。在與前級浪涌保護器配合使用過程中,應注意與前級浪涌保護器間的線路長度應不小于10 米,若不能滿足此要求時,應在兩級浪涌保護器間的線路中增加去耦裝置以彌補因線路長度不足帶來的能量配合不合理的問題。我們選用了一個80KA的防雷模塊。

4、在每個用電設備前端并聯(lián)安裝一臺電源電涌保護器,作為限壓級三級保護。我們在三個5KW個發(fā)射機、空調(diào)前各加裝一個40KA防雷模塊,共四臺。

5、1KW發(fā)射機、光端機、監(jiān)控等屬于精密設備,單相供電系統(tǒng),所以在電源前端串聯(lián)三個20KA防雷插座作為三級防雷保護精密設備。

6、發(fā)電機房的市電輸入端和輸出端,加裝電源防雷箱,實現(xiàn)發(fā)電機房的保護第一級防護

7、將浪涌保護器接地線連接到就近的接地排或均壓環(huán)。

8、進、出機房的電源線路不宜采用架空線路,宜埋地引入機房,埋地長度不小于50m,埋地深度大于0.7米

(2)天饋線防雷方案:

天饋線上端一般都安裝在塔體的頂部,下面進入機房,直接和發(fā)射機連接,防雷擊的措施必須到位。天饋線浪涌保護器,一般串聯(lián)安裝在設備的射頻出、入端口處,并將浪涌保護器接地線連接到就近的接地排。天饋線浪涌保護器的選擇,應根據(jù)被保護設備的工作頻率、平均輸出功率、連接器形式及特性阻抗等參數(shù),選用插入損耗及電壓駐波比小適配的天饋線路浪涌保護器。

具有多副天線的天饋傳輸系統(tǒng),每副天線都應安裝適配的天饋浪涌保護器。天饋線應從鐵塔中心部位引下,同軸電纜在其上部、下部和經(jīng)走線橋架進入機房前,屏蔽層應就近接地,當天饋傳輸系統(tǒng)采用波導管傳輸時,波導管的金屬外壁應與天線架、波導管支撐架及天線反射器作電氣連通。

我們共有2付調(diào)頻天線,一個功率15KW,一個5KW,我們選擇了兩個天饋線浪涌保護器,并按照規(guī)范進行了安裝。

(3)信號系統(tǒng)防雷措施

進入發(fā)射機房的信號電纜一般有網(wǎng)線、音視頻信號、控制線纜、數(shù)據(jù)線纜等。為了避免因通信電纜引入雷電的可能性,這些信號線路在進入設備前首先接入信號避雷器,信號避雷器的選擇,應根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數(shù),選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的信號避雷器。

進、出機房的信號線纜,宜選用有金屬屏蔽層的電纜.并宜埋地敷設。電纜金屬屏蔽層應做等電位連接并接地,信號避雷器的接地端及電纜內(nèi)芯的空線對應接地。

由于光纜本身為非金屬線纜,并不會傳導電流,所以不需要對光纜進行特別的防護處理。僅需在其進入機房的光分線盒處將內(nèi)部金屬加強芯及金屬的防潮層做接地處理即可。我們的信號線纜僅為光纜,在進入機房前30米入地埋設。

(4)防雷接地

接地是防雷工程最重要的一個分項,接地不好,所有防雷措施都不能有效的發(fā)揮作用,防雷接地也是高山臺驗收中最基本的安全要求。

1、接地方式,宜采用聯(lián)合接地方法,就是將各部分防雷裝置、建筑物金屬構(gòu)件、低壓配電保護線(PE)、等電位連接帶、設備保護地、屏蔽體接地、接地裝置等連接在一起的接地系統(tǒng)。這種接地是目前國際上推舉的最佳接地方式。采用這種接地方式時,接地裝置的接地電阻值必須按接入設備中要求的最小值確定。根據(jù)設備要求這次我們設定的設計值是小于5Ω。

2、低阻地網(wǎng)的建立

系統(tǒng)接地主要由接地體、引入線連接線等組成接地網(wǎng)絡,利用機房建筑物基礎自然間橫豎梁內(nèi)的主鋼筋組成網(wǎng)格不大于3米×3米的機房地網(wǎng)。引下線應為兩根,分別引至鐵塔的塔腳(對角引設),并保證接地系統(tǒng)的接地引出線與鐵塔塔腳可靠連接。

接地在塔體每個塔腳引一個接地到塔四周的等電位環(huán),根據(jù)地形、地勢、土質(zhì)分布情況,在機房地網(wǎng)四角設置四個輻射式外引接地體。接地體采用1*1*0.004米鍍鋅鋼材,開挖坑為2×2×2M方坑,塔四周的等電位環(huán)及與接地體連接的水平連接采用40×4MM的鍍鋅扁鋼。因為高山地質(zhì)條件都不太好,一般都應采用降阻劑,現(xiàn)在物理降阻劑相對好些。

施工工藝問題:就是各項指標都合格的接地材料還要通過合理的施工和正確的施工工藝才行,比如降阻劑的均勻施加問題,埋深問題,回填土問題,如果有一個環(huán)節(jié)發(fā)生問題,就會影響降阻劑的降阻效果或?qū)拥伢w造成腐蝕。水平接地連接扁鋼埋設,開挖深度為0.8米,寬度0.4米溝槽,首先用黃土回填20CM,填20CM降阻劑,把鍍鋅扁鋼鋪在溝的中間,再填20CM降阻劑,上面回填20CM黃土,回填黃土不要夯實,過一周后再夯實(但不必過份用力),回填黃土時,適量灑水。注意接地體間距離要大于5米。在現(xiàn)場以降阻劑/水=3/1的比例加水,快慢攪拌1-2分鐘,均勻,整體成糊狀,立即倒入地坑中。接地體、等電位環(huán)等的連接,應采用搭接焊,搭焊長度不得小于扁鋼寬度的兩倍(即80MM),且應多邊焊接,確保連接牢靠,須仔細清除焊渣,并在焊接部位涂覆瀝青或其他防腐涂料。

3、機房內(nèi)的走線架應每隔5米作一次接地。走線架、吊掛鐵件、機架(或機殼)、金屬通風管道、金屬門窗,以及其它金屬管線,均應良好接地并相互妥善連通。

4、變壓器接地網(wǎng)應由電力部門實施,接地電阻不應大于10歐姆。

5、接地匯集線:接地匯集線一般設計成環(huán)形或排狀,材料為鍍鋅鋼材。機房的接地匯集線可設在地槽內(nèi)、墻面適宜位置或走線架上。等電位連接線采用BVR4、10、16、35平方的銅纜。

防雷的日常管理

機房安裝了防雷系統(tǒng),并不代表可以高枕無憂,還要加強后期維護。雷雨季節(jié),加強外觀巡視,經(jīng)常檢查防雷設備的性能標識,及時更換失效設備,每年至少在雨季來臨之前,由專業(yè)防雷機構(gòu)對防雷系統(tǒng)進行一次安全檢測,定期測量地阻。

結(jié)束語

防雷是一項復雜的系統(tǒng)工程,沒有任何一種產(chǎn)品可以全面防止雷害,我們必須提高對防雷工作的認識,積極研究新技術(shù),針對不同地點、不同保護對象,采用相應的防雷措施?！?/p>