高山臺(tái)站綜合防雷系統(tǒng)的技術(shù)改造

周峰 胡偉 律軍

【摘 要】本文主要介紹了雷電的基本知識(shí)以及綜合防雷技術(shù)，并介紹了我臺(tái)站多年來綜合防雷系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】雷電；直擊雷；感應(yīng)雷；避雷針；雷電電磁脈沖

0 概述

安徽廣播電視臺(tái)淮北發(fā)射臺(tái)位于淮北市相山公園內(nèi)海拔高度約312.5m的龍山山頂，臺(tái)站內(nèi)主要建筑物包括150m自立鋼結(jié)構(gòu)綜合性廣播電視發(fā)射塔、塔底綜合通信樓（5層結(jié)構(gòu)）及西側(cè)生活樓（3層結(jié)構(gòu)）等，發(fā)射設(shè)備機(jī)房、值班控制機(jī)房、信號(hào)源室及變配電室均設(shè)于綜合通信樓內(nèi)。臺(tái)站周圍環(huán)境非常空闊，地表多為石灰?guī)r層，土壤電阻率較高，ρ約為500～700Ω·m，因而特別容易遭受多種形式的雷擊。根據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)資料顯示，淮北市年平均雷暴日約為32天，屬多雷區(qū)，之前雷擊事故就經(jīng)常發(fā)生。為保障建筑物及其內(nèi)部工作人員的安全，并保障廣播電視發(fā)射設(shè)備的正常工作，我臺(tái)站加強(qiáng)了防雷系統(tǒng)的建設(shè)和改造，并經(jīng)歷了實(shí)踐考驗(yàn)，為廣播電視安全播出創(chuàng)造了條件。

1 雷電知識(shí)

1.1 雷電起因

實(shí)測(cè)表明，雷云在5～10km的高度主要是正電荷的云層，在1～5km的高度主要是負(fù)電荷的云層。雷云底部的電荷將會(huì)使大地表面感應(yīng)出等量的異號(hào)電荷，在雷云與大地之間將建立起空間雷云電場(chǎng)。當(dāng)雷云電場(chǎng)強(qiáng)度超過約30kV/cm時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞游離，從而形成雷電。

1.2 雷電的特性參數(shù)

（1）雷電日及雷暴小時(shí)

雷電日Td：該地區(qū)平均一年內(nèi)發(fā)生雷電放電的平均天數(shù)，單位d/a。雷暴日與該地區(qū)所在緯度、當(dāng)?shù)貧庀髼l件、地形地貌有關(guān)，可以衡量雷電活動(dòng)頻繁的程度。通常，Td<15，少雷區(qū)；>40，多雷區(qū)；>90，強(qiáng)雷區(qū)。

雷暴小時(shí)Th：平均一年內(nèi)的有雷電的小時(shí)數(shù)，單位h/a。

（2）雷電流：雷擊電流大致呈單極性的脈沖波。主要可采用三個(gè)參數(shù)來表示，即雷電流的幅值、波頭時(shí)間和半幅時(shí)間。

（3）雷電過電壓：

主要決定于雷電流陡度和雷電流通道的阻抗，它的大小可按下式來計(jì)算：U=IR+L（式中I雷電流幅值kA，i隨時(shí)間變化的雷電流kA，R接地電阻Ω，L雷電流通道的電感H）。

（4）地面落雷密度γ：表征雷云對(duì)地放電的頻繁程度，是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)。

1.3 雷電種類

雷電一般分為直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波入侵、球雷、雷擊電磁脈沖。有線狀、片狀、球狀、帶狀、枝狀等形狀，有云天、云間、云地等形式。

（1）直擊雷：雷電直接擊在地面上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械力造成建筑物等絕緣擊穿損壞以及人畜的傷亡。

（2）感應(yīng)雷：雷擊大地后，強(qiáng)大的電磁脈沖會(huì)使附近的物體產(chǎn)生電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)，這種感應(yīng)雷可能破壞配電網(wǎng)高壓電氣及電子設(shè)備。

靜電感應(yīng)雷：雷云接近地面時(shí)，在架空導(dǎo)線或其他突出導(dǎo)體的頂部會(huì)感應(yīng)出大量電荷，產(chǎn)生很高的電位，這叫靜電感應(yīng)雷。

電磁感應(yīng)雷：雷電放電時(shí)，很據(jù)電磁感應(yīng)定律，雷電流在周圍空間會(huì)產(chǎn)生聚變的強(qiáng)磁場(chǎng)，這種聚變的強(qiáng)磁場(chǎng)又在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，這叫電磁感應(yīng)雷。此電磁能量聚集會(huì)產(chǎn)生放電火花，引起火災(zāi)、爆炸或造成人畜觸電等事故。

（3）雷電波入侵：雷電波可能會(huì)沿著架空線路以及建筑物金屬管道等侵入屋內(nèi)，損壞設(shè)備以及造成人身安全。

（4）球雷：球型雷是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱球雷。球型雷的形成還沒有完整的理論，通常認(rèn)為它是一個(gè)溫度極高的特別明亮的炫目發(fā)光球體，直徑一般約為10～20cm或更大，球型雷通常在電閃后發(fā)生，以每秒幾米的速度在空氣中飄行，存在的時(shí)間大約為百分之幾秒至幾秒，一般是3至5秒，其下降時(shí)有的無聲，有的發(fā)出嘶嘶聲，一旦遇到物體或電器設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸，它能從煙囪、門窗或孔洞進(jìn)入建筑物內(nèi)部造成破壞。

（5）雷電電磁脈沖LEMP：指在建筑物在遭受直接雷擊或其附近遭受直接雷擊的情況下產(chǎn)生的雷電過電壓。也即雷擊時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，做為干擾源在電子設(shè)備中產(chǎn)生浪涌電壓或電流，會(huì)損壞電氣設(shè)備及電子設(shè)備，或者產(chǎn)生電火花引起火災(zāi)。

1.4 雷電災(zāi)害

直擊雷直接在被擊物體上發(fā)生熱作用、電作用以及機(jī)械沖擊力作用，造成人畜傷亡、設(shè)備損毀，甚至火災(zāi)事故發(fā)生。

感應(yīng)雷是通過雷電的電磁感應(yīng)二次作用，在導(dǎo)體上會(huì)感應(yīng)出很高的電壓及很大的電流，使導(dǎo)體發(fā)熱甚至產(chǎn)生放電火花。

1.5 綜合防雷系統(tǒng)裝置

（1）直擊雷防護(hù)：200多年的實(shí)踐證明，采用由接閃器、引下線、接地裝置組成的雷電防護(hù)系統(tǒng)LPS對(duì)于直擊雷十分有效。如經(jīng)?？吹降谋芾揍槨⒈芾拙€、避雷帶等。

（2）消雷裝置：利用尖端放電技術(shù)的防雷裝置，像避雷針一樣，安裝在被保護(hù)物上方，其針狀電極的離子化裝置促使空間電荷離子化，產(chǎn)生的陽離子與雷云中的電荷中和，減弱雷云電場(chǎng)，防止雷電產(chǎn)生。

（3）接地裝置：雷電流須經(jīng)過接地裝置泄放到大地，接地裝置為金屬導(dǎo)體如鋼管、角鋼、扁鋼、圓鋼等鋼材制成的接地體，一般按水平（一般）或垂直（多巖石）敷設(shè)在地表面下0.5～1m處，水平接地體多用寬度為20～40mm、厚度不小于4mm的扁鋼，或者用直徑不小于6mm的圓鋼。垂直接地體多用角鋼（20×20×3～50×50×5mm3）或鋼管，長(zhǎng)度約2.5m。經(jīng)常也使用降阻劑等方法來增加土壤的導(dǎo)電性能，降低接地電阻，使接地電阻達(dá)到正常值。防雷保護(hù)系統(tǒng)接地，為了將雷電流安全地導(dǎo)入大地，并減小雷電流通過接地裝置時(shí)的地電位升高，接地電阻一般不能超過5Ω。

2 綜合防雷技術(shù)在我臺(tái)站的實(shí)際應(yīng)用及效果

臺(tái)站150m發(fā)射鐵塔綜合通信樓工作區(qū)生活區(qū)北樓生活區(qū)西樓索道站樹木雜草廢棄發(fā)射塔基礎(chǔ)圓鋼引下線半山腰人工接地體人行道廢棄舊塔鐵柵欄廢棄公廁水池長(zhǎng)廊山下人行道纜車支柱圓鋼引下線圓鋼引下線山下1#、2#人工接地體山下3#人工接地體山下4#人行道消防泵房鐵柵欄鐵柵欄8m接閃針消雷器4m接閃針圖4、淮北發(fā)射臺(tái)綜合防雷系統(tǒng)原理圖樹木雜草。

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

國(guó)家現(xiàn)行主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》

GB50689-2011《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》

YD 5098-2005《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》

國(guó)際電工委員會(huì)IEC及國(guó)際電信組織ITU-T有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)。

有關(guān)專業(yè)提供的設(shè)計(jì)資料。

2.2 設(shè)計(jì)范圍

（1）發(fā)射臺(tái)站均處于150m發(fā)射鐵塔的直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。塔頂已裝有新型、主動(dòng)的離子化裝置，只需每年上塔檢查消雷器的銹蝕及連接情況，應(yīng)加強(qiáng)側(cè)擊雷及球型雷的防護(hù)、雷電波入侵防護(hù)及雷擊電磁脈沖的防護(hù)。

（2）綜合防雷系統(tǒng)應(yīng)在聯(lián)合接地的基礎(chǔ)上，采取泄放、消峰、屏蔽、分流及等電位等綜合技術(shù)措施。

2.3 聯(lián)合接地網(wǎng)

（1）聯(lián)合接地網(wǎng)由山頂?shù)蔫F塔地網(wǎng)、機(jī)房地網(wǎng)、變壓器地網(wǎng)、生活樓地網(wǎng)及廢棄塔地網(wǎng)采用輻射地網(wǎng)、多出接地、深挖地坑等辦法相互焊接連通一個(gè)封閉的網(wǎng)格，設(shè)立4個(gè)防雷通道，從東、西兩側(cè)分4路呈輻射狀沿山脊引下，在山腳下的厚土層較偏僻安全的區(qū)域共埋設(shè)4組人工接地體分別與引下線焊接連通構(gòu)成聯(lián)合接地網(wǎng)，其接地電阻值應(yīng)≤1Ω。

（2）山頂封閉的接地網(wǎng)格利用原有的Φ25mm圓鋼引下，山腳下的人工接地體均采用5mm×50mm熱鍍鋅扁鋼做為水平接地體，采用5mm×50mm×50mm熱鍍鋅角鋼做為垂直接地體，耐腐蝕、接地電阻穩(wěn)定，焊接牢固，并結(jié)合使用降阻劑，深埋可根據(jù)土層厚度決定，以0.7～1m為宜，人工接地體溝槽的回填應(yīng)分層夯實(shí)。

（3）臺(tái)站的衛(wèi)星接收天線及戶外其他金屬構(gòu)件等均應(yīng)與聯(lián)合接地網(wǎng)焊接連通。

（4）臺(tái)站原有的各地網(wǎng)均應(yīng)并入聯(lián)合接地網(wǎng)，不符合技術(shù)規(guī)范要求的應(yīng)整改或拆除。

2.4 側(cè)擊雷及球形雷防護(hù)

（1）利用臺(tái)站東側(cè)的鐵柵欄做為部分外環(huán)形收集網(wǎng)，鐵柵欄的斷裂處及銹蝕處應(yīng)修復(fù)，沿鐵柵欄每間隔8～10m安裝一支約8m高的接閃針（距外墻8～10m處安裝），接閃針的底部均采用4mm×40mm熱鍍鋅扁鋼焊接連通與鐵柵欄組成外環(huán)形收集網(wǎng)。

（2）沿長(zhǎng)廊頂部每間隔4～6m安裝一支約4m高的接閃針，接閃針的底部均采用4mm×40mm熱鍍鋅扁鋼焊接連通組成內(nèi)環(huán)形收集網(wǎng)。

（3）側(cè)擊雷與球型雷收集網(wǎng)由內(nèi)外環(huán)形收集網(wǎng)構(gòu)成，應(yīng)從多點(diǎn)引入聯(lián)合接地網(wǎng)。

2.5 雷電波入侵防護(hù)

（1）高壓電力電纜架空進(jìn)入綜合通信樓變配電室，其金屬鎧裝屏蔽層在進(jìn)線處應(yīng)就近接地。

（2）低壓配電系統(tǒng)的雷電過電壓應(yīng)分級(jí)防護(hù)，并適當(dāng)提高第一級(jí)電源SPD的防護(hù)等級(jí)做為補(bǔ)償措施。

（3）在低壓配電室雙路市電總進(jìn)線柜內(nèi)分別安裝B類I級(jí)電源的SPD和B-C類的II級(jí)電源SPD，其峰值通流量分別為50kA（10/350μs）和60kA（8/20μs）；在設(shè)備機(jī)房各發(fā)射機(jī)柜的電源進(jìn)線處、值班機(jī)房、信號(hào)源室及生活樓等分配電柜的進(jìn)線處分別安裝C類II級(jí)電源SPD，其標(biāo)稱通流量為20kA（8/20μs）。

2.6 雷擊電磁脈沖防護(hù)

（1）進(jìn)出綜合通信樓的電力電纜、信號(hào)電纜及其他金屬管線的外防護(hù)層、屏蔽層在進(jìn)線處均應(yīng)接地；信號(hào)電纜的空對(duì)線、光纖的金屬加強(qiáng)筋在進(jìn)線處均應(yīng)接地。

（2）射頻饋線電纜的金屬外護(hù)層，應(yīng)分別在天線處、中部、離塔處及設(shè)備機(jī)房的進(jìn)線處就近接地，室外走線架的始末兩端均應(yīng)接地。

（3）在衛(wèi)星接收設(shè)備天饋線的進(jìn)線端口分別安裝天饋的SPD，其標(biāo)稱通流量為10kA（8/20μs）；在重要電話終端的進(jìn)線端口分別安裝電信SPD，其標(biāo)稱通流量為7.5/0.5kA（8/20μs）；在重要百兆以太網(wǎng)的通信端口分別安裝電信SPD，其標(biāo)稱通流量為7.5/0.5kA（8/20μs）；在監(jiān)控系統(tǒng)視頻同軸電纜的兩側(cè)進(jìn)線端口分別安裝電信SPD，其標(biāo)稱通流量為10/0.5kA（8/20μs）；在云臺(tái)485控制線的兩側(cè)進(jìn)線端口分別安裝電信SPD，其標(biāo)稱通流量為10kA（8/20μs）；在室外攝像頭的電源進(jìn)線處分別安裝C類II級(jí)電源SPD，其標(biāo)稱通流量為20kA（8/20μs）；在生活樓CATV干線的進(jìn)線端口分別安裝電信SPD，其標(biāo)稱通流量為10kA（8/20μs）。

（4）微波機(jī)房、發(fā)射機(jī)房、值班機(jī)房及信號(hào)源室內(nèi)的等電位連接采用網(wǎng)狀-星形混合結(jié)構(gòu)。M型總等電位連接帶安裝于發(fā)射機(jī)房?jī)?nèi)，在微波機(jī)房、值班機(jī)房及信號(hào)源室內(nèi)敷設(shè)S型局部等電位連接帶，等電位連接帶均采用4mm×40mm紫銅排。機(jī)房?jī)?nèi)所有不帶電的金屬構(gòu)件、機(jī)柜外殼、通風(fēng)管道、PE線及SPD的接地端等均應(yīng)就近與機(jī)房?jī)?nèi)的等電位連接帶相連通，局部等電位連接帶應(yīng)分別連至總等電位連接帶，總等電位連接帶應(yīng)從不同的兩點(diǎn)接入聯(lián)合接地網(wǎng)。

技術(shù)改造后的綜合防雷系統(tǒng)，在近年來的雷雨季節(jié)經(jīng)受了多次的雷擊考驗(yàn)，基本沒有發(fā)生過因雷擊而造成的停播事故和經(jīng)濟(jì)損失，為臺(tái)站安全播出取得優(yōu)異成績(jī)做出了貢獻(xiàn)。

[責(zé)任編輯：湯靜]