高山轉(zhuǎn)播臺防雷系統(tǒng)工程

山東省廣播電影電視局蒙山轉(zhuǎn)播臺 王建輝

一、依據(jù)標準

1.GB50057-1994《建筑物防雷設計規(guī)范》（2000）

2.GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》

3.GA267-2000《計算機信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護規(guī)范》

4.YD2011-93《微波站防雷與接地設計規(guī)范》

5.JGJ/T16-92《民用建筑電氣執(zhí)行規(guī)范》

6.IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》

二、現(xiàn)狀分析

1.蒙山臺所處地理環(huán)境情況

該臺所處地區(qū)氣象數(shù)據(jù)表明：該地區(qū)依據(jù)40多年的統(tǒng)計結(jié)果，最早雷擊時間為2月28日，最晚雷擊時間為12月24日，年平均雷暴日高達52.4(d/a)，按照GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的定義，其地區(qū)雷暴日等級為高雷區(qū)。

該臺海拔1156米，地勢高、環(huán)境空曠等諸多因素導致該臺頻繁遭遇雷擊，自建臺四十多年來，該臺每年都會遭遇數(shù)次雷擊，高壓線路、變壓器、發(fā)射機、電源電纜、計算機設備及通信線路等都曾遭受雷擊的嚴重破壞，導致設備毀損、播出中斷、屏蔽線擊穿、播出系統(tǒng)崩潰等事故發(fā)生，其中損失人民幣十萬元以上的事故七次。此外，每年該臺都會遭到不同程度的雷擊事故，可以說雷擊事故給該臺造成嚴重的破壞和損失。

2.建筑物情況

發(fā)射鐵塔：基座10×10米，塔身高76米，與機房所在的機房樓相距約20米。

機房樓：50×11×7.5米，分為兩層，一樓為值班室和機房（內(nèi)有低壓配電室、發(fā)射機房等），二樓為職工宿舍。

高壓切換室：3×4×4米，處于該臺院墻外，兩路10KV外電在此處切換。

高壓配電室：5×3×4米，在機房樓旁邊，內(nèi)設有高壓斷路器，變壓器、隔離變壓器等。

發(fā)電機房：7×3×4.5米，由兩間房組成，一間安置200KV自備發(fā)電機，另一間安置120KV自備發(fā)電機。

3.高壓配電情況

兩路10KV市電通過高壓切換室切換后，經(jīng)地埋電纜進入高壓配電室變壓輸出，再從地埋電纜送至低壓配電室并與發(fā)電機進行切換分配到各配電盤。

4.信號線路情況

蒙山臺同時為山東省級微波干線的中繼站，主用數(shù)字微波正傳和回傳信號，

同時配備中星6A、中星6B、中星九號、亞太6號等多部衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)作為備用信號源。

5.接地系統(tǒng)情況

(1)原地線采用獨立接地系統(tǒng)，變壓器、高壓電纜、天饋系統(tǒng)、機房高頻及安全接地等各自獨立接地。

(2)測量原接地電阻：發(fā)射鐵塔的接地電阻為4.2Ω；高壓線路的接地電阻為17Ω；機房的接地電阻為5.1Ω；天饋系統(tǒng)及高壓配電室的接地電阻為8.2Ω，達不到安全接地電阻的標準。

(3)原有的防雷措施情況：

1)直擊雷防護現(xiàn)狀僅依靠發(fā)射天線和機房樓頂架設的避雷針。

2)感應雷防護原狀：

電源防護原狀—配電室，380V的配電柜安裝了OBO20C3+NPE，通流量為20KA，不符合國標不小于80KA的要求，不能對大電流進行有效泄放。

信號線路原防護部分：天饋線和信號線沒有進入橋架，直接架空引入機房；進機房的天饋線和信號線窗口沒有做接地處理；控制線、室內(nèi)天饋線、視頻監(jiān)控線路、網(wǎng)絡線纜、232接口線沒有任何防雷措施。

3)接地原狀：機房接地、天饋接地、高頻接地、工作接地和電源接地各自獨立，且接地線過長、裸露、截面積不符合要求。

4)缺乏完善的防雷電感應和雷電波入侵的綜合措施。

三、雷害的分析及一般防護措施

1.自然界雷害的分類

自然界雷擊分為直擊雷和感應雷。

2.雷電災害防治基本方法

(1)直擊雷和感應雷{雷電感應高壓電及雷電電磁脈沖（LEMP）}的侵害途徑不同，防護措施也就不同，防直擊雷主要采用避雷針、避雷帶（網(wǎng)、線）等傳統(tǒng)避雷措施，只要設計規(guī)范，安裝合理，這些避雷設施能夠?qū)χ睋衾走M行有效的防御。

(2)但是無論多完善的防直擊雷裝置，對雷電感應高壓電及雷電電磁脈沖的防護都無能為力，因為雷電感應高壓電是由于電子、電氣設備的電源線、信號線、天饋線等所致，感應雷的入侵途徑如圖1。

圖1 感應雷的入侵途徑

(3)綜合防雷工程是一個系統(tǒng)工程，它包括：直擊雷的防護、等電位連接措施、屏蔽措施、規(guī)范的綜合布線、設計安裝SPD、完善合理的接地系統(tǒng)六個部分組成。

四、防雷系統(tǒng)方案

1.需要改造的幾個部分

根據(jù)該臺的現(xiàn)場布局、電源供線路和通信線路、防雷設施狀況等情況分析，需要改造的以下幾個部分：

A.直擊雷防護

B.電源防防護

C.信號源防護

D.天饋系統(tǒng)防護

E.接地部分防護

2.防雷系統(tǒng)的整體構(gòu)思和措施

防雷工程實施過程中，我們嚴格按照相關規(guī)定執(zhí)行和操作，在布線方面，依照強、弱電分開，大、小信號分開，高、低頻信號分開的原則施工，盡量在雷電入侵時，避免雷電的相互干擾，相互影響。

綜合防雷構(gòu)思框圖如圖2。

圖2 綜合防雷構(gòu)思框圖

防直擊雷的依據(jù)以及采取的具體措施：

(1)為防止室外天饋線系統(tǒng)及衛(wèi)星通信部分遭受直接擊雷，需要在距離天線一定位置處安裝避雷針，避雷針的高度要嚴格按照滾球法計算，避雷器的高度計算公式Rx=√H(2h-H)-√Hx(2hr-Hx)Rd=√H(2Hr-H)

其中Rx為避雷針在Hx高度平面上的保護半徑

Hr—滾球半徑

Hx—被保護物體高度

H—避雷針的計算高度

Rd—避雷針在地面上的保護半徑

根據(jù)上述公式計算，避雷針高度設計高出被防護體3米（不包括塔桿）可起到有效保護作用。

(2)采用金屬避雷針，安裝于76米高度的鐵塔頂部，并用直徑10MM銅線接地，以有效地減少雷擊時的電磁場變化，從而降低設備損壞概率。

(3)對以下區(qū)域進行整改：

a.機房樓頂端，加裝高出女兒墻10米的金屬避雷導體。

b.在衛(wèi)星接收天線處，安裝比天線上側(cè)山體平臺高16米的金屬避雷導體。

c.發(fā)電機房、配電樓頂安裝建筑物用避雷針。

d.所有天饋線和信號線進入橋架。

e.機房樓所有門窗良好接地，避免球型雷飄窗進入房間。

(4)將上述位置安裝的每一個避雷針，用40*4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個防雷體系網(wǎng)，加大了防護范圍及防護能力，更加有效的防止了直擊雷的入侵。

3.電源系統(tǒng)防感應雷措施

(1)整改線路：將原先的配電系統(tǒng)三相四線制（TN-C）改為三相五線制(TN-S)，將零線（N）與地線（PE）獨立分開，這樣就能在雷電侵入時，有效隔離了三相四線制供電方式造成的危險高壓，使設備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設備產(chǎn)生危險電壓的隱患，確保人身及設備的安全。

(2)在高壓斷路器前端，接入高壓氧化鋅避雷器，以阻斷雷擊時沿高壓線路進入的過高的感應電壓，保護后級設備線路的安全。

(3)380V供電部分采用接入通流量為100KA法國soule避雷器進行防雷保護，保護設備免遭雷擊過電壓和系統(tǒng)操作過電壓造成的損壞。

(4)采用壓敏電阻器與被保護的電器設備并聯(lián)的方式進行防雷保護。當電路中出現(xiàn)雷電過電壓Vs時，壓敏電阻器以納秒級時間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導電特性，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低于過電壓Vs，從而使設備及元器件免遭過電壓的沖擊，如圖3。

圖3 供電系統(tǒng)防雷圖

(5)在配電柜里面加裝符合容量要求的電源模塊防雷器，采用電源防雷器能在最短時間內(nèi)釋放電路上因雷擊感應而產(chǎn)生的大量脈沖能量短路泄放到大地，降低設備各接口間的電位差，從而保護電路上的設備。

4.信號系統(tǒng)防感應雷措施

(1)在衛(wèi)星信號線兩端加裝避雷器，在機房衛(wèi)星接受機信號輸入端口安裝DSS-401MS00B組成的小信號避雷器SPD。

(2)在微波天線及饋線兩端加裝避雷器，在機房接收機信號輸入端口安裝DSS-401MS00B組成的小信號避雷器SPD。

(3)所有的音頻信號、視頻信號輸入端加裝由DSS-401M-S00B組成的小信號避雷器SPD。SPD采用了日本三凌公司生產(chǎn)的防雷擊限壓二極管DSS-401M-S00B。當雷擊時，信號線上的感應電壓達到一定值后，二極管D2導通，把過高的感應電壓泄放到地，減輕了對輸入回路元器件的沖擊。此二極管的結(jié)電容很小，僅零點幾皮法，可用于4GHZ以下的信號電路，不會對音、視頻信號和射頻信號造成影響，確保信號的暢通，同時起到了避雷作用。自改造后至今兩年多雖仍多次打雷，并未出現(xiàn)上述的雷擊事件，減輕了我臺的經(jīng)濟損失，確保了我臺的安全優(yōu)質(zhì)播出。

此二極管DSS-401M-S00B的應用較為廣泛。由于它的避雷效果好，可應用于有線電視放大器的輸入端、輸出端的保護，也可用于音視頻分配器、衛(wèi)星接收機等廣播電視器材的輸入、輸出信號端口的防雷保護。原理圖如圖4所示。

圖4 原理圖

(4)將所有信號線敷設在屏蔽管線內(nèi)，屏蔽線端口處接地，并入接地網(wǎng)中，整體連接如圖5所示。

圖5 屏蔽管

5.依據(jù)規(guī)范對接地系統(tǒng)進行改造

依據(jù)YD2011-93《微波站防雷與接地設計規(guī)范》對接地系統(tǒng)的相關規(guī)定，對接地系統(tǒng)作如下改造：

(1)機房地網(wǎng)的組成：利用機房建筑物基礎自然向橫豎梁內(nèi)的2根以上主鋼筋必要時輔以相同尺寸的鋼筋，組成網(wǎng)絡不大于3米×3米的機房地網(wǎng)。當機房建筑物基礎有限時，應將地網(wǎng)內(nèi)2根以上主鋼筋于機房地網(wǎng)就近焊接連通。

(2)鐵塔地網(wǎng)的組成：當微波天線鐵塔坐落在機房旁邊時，其地網(wǎng)面積應延伸到塔基四腳外1.5米以遠的范圍，網(wǎng)絡尺寸應不大于3米×3米，其周邊為封閉式。同時，還應利用塔基地樁內(nèi)2根以上主鋼筋做垂直接地體，與地網(wǎng)焊接連通；當微波機房位于微波天線塔內(nèi)或微波天線鐵塔位于機房房頂時，宜在機房地網(wǎng)四角設置輻射式外引接地體，以利雷電散流。

(3)變壓器地網(wǎng)的組成：當電力變壓器設置在機房內(nèi)時，其地網(wǎng)可合用機房及其他地網(wǎng)。

(4)把變壓器、高壓電纜、天饋系統(tǒng)、機房高頻及安全接地各自獨立的接地系統(tǒng)用40*4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個整體接地網(wǎng)，在遭到雷擊時電位同時升高或降低，以確保被雷擊后設備的電位差最低。整體地網(wǎng)連接如圖6。

圖6 整體地網(wǎng)連接圖

6.接地系統(tǒng)及地網(wǎng)整體的具體改造措施

(1)接地模塊埋設措施

每處接地點按下列方式接地，采用膠南降阻劑廠生產(chǎn)的接地模塊按圖串接接地（如圖7所示）。

圖7 模塊安裝示意圖

(2)鐵塔地網(wǎng)

首先在塔基四周1.5米外設置環(huán)形地網(wǎng)，考慮塔基四周為山體巖石，在塔基周設置四組接地極，接地極之間利用40*4鍍鋅扁鋼焊接組成環(huán)狀，利用沖擊風鉆在每個腳處開挖200*1000MM孔3-5個，孔內(nèi)放置圓柱型石墨低電阻接地模塊。

此組接地目的為鐵塔接閃后，雷電流可以迅速的導入山體，利用有效的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)散流。另外此組環(huán)形地網(wǎng)利用40*4熱鍍鋅扁鋼外引至原鐵塔地網(wǎng)。原鐵塔地網(wǎng)起到降低接地電阻的效果。40*4熱鍍鋅扁鋼每相隔20米設置一組接地模塊。變壓器地網(wǎng)和機房地網(wǎng)環(huán)形接地裝置聯(lián)結(jié)方式同上。

(3)地網(wǎng)整體改造措施

根據(jù)現(xiàn)場測試的情況對土壤電阻值的計算，對地網(wǎng)的改造可按照下述公式計算：

公式：R=ρ/2пL+8L/(lnD+L)MO

式中：R：單根接地極的阻值

ρ：土壤電阻率

L：接地極長度

D：接地極直徑

MO：接地極利用系數(shù)

根據(jù)上述公式計算可對地網(wǎng)進行如下設計：

新建接地系統(tǒng)宜采用環(huán)形閉合地網(wǎng)，增加輔助接地體，達到滿足要求的目的，新建地網(wǎng)垂直接地體采用導電性能優(yōu)良的接地極多根，L50×50×5×1500熱鍍鋅角鋼12根，水平接地體采用40*4熱鍍鋅角鋼100米。垂直接地體間距為其自身長度的1.5-2倍。垂直接地體與水平接地體之間的電磁感應做防腐蝕處理。接地裝置的焊接長度，扁鋼為寬邊的2倍以上。接地體其上端距地面應不小于0.8米，達到國際設計要求小于1歐姆。

把全臺各處的地網(wǎng)用40×4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個大的整體接地網(wǎng)，這樣在遭到雷擊時電位同時升高或降低，以確保被雷擊后設備的電位差最低，確保人身設備的安全。

五、使用效果

經(jīng)改造后，各處接地電阻測量如下：發(fā)射鐵塔的接地電阻為1.9Ω；高壓線路的接地電阻為3.8Ω；機房的接地電阻為0.8Ω；天饋系統(tǒng)及高壓配電室的接地電阻為2.1Ω，符合接地電阻的標準。

蒙山臺防雷改造系統(tǒng)自2010年10月份竣工至今，該臺遭受雷擊情況得到顯著改觀，做到了有效地防雷入侵及泄掉入侵的強雷電。近兩年來據(jù)不完全統(tǒng)計，因雷擊損失共計不足1000元人民幣，僅為原先損失的幾十分之一。

鑒于統(tǒng)計的時間短，每年雷擊情況的統(tǒng)計計算不是非常準確，但是從實際效果來看，兩年只擊壞一只高頻頭，這足以證明該套防雷工程起到了很好的防護作用，不僅保障了人身安全、設備安全，減少了該臺的雷擊損失，有效保障了該臺廣播電視節(jié)目的安全優(yōu)質(zhì)播出。