淺談淮安新廣播電視發(fā)射塔的綜合防雷

戴家紅 淮安廣播電視總臺電視傳輸中心

淺談淮安新廣播電視發(fā)射塔的綜合防雷

戴家紅 淮安廣播電視總臺電視傳輸中心

雷電對廣播電視技術設施傳輸系統(tǒng)會造成危害，特別是廣播電視發(fā)射塔如遭雷擊，其電源系統(tǒng)及設備容易遭受雷擊損壞，輕則導致線路開關跳閘，影響發(fā)射站的正常工作，重則造成站內設備及其電源系統(tǒng)中的配電設備損壞，致使整個系統(tǒng)癱瘓，帶來嚴重的經濟損失和播出停播事故。本文介紹了雷擊危害的方式及廣播電視發(fā)射塔防護雷擊的具體措施。

電視發(fā)射塔 直擊雷 感應雷 防雷裝置 電涌保護器

一、引言

淮安新廣播電視調頻發(fā)射塔位于淮安市清浦區(qū)黃碼鄉(xiāng)運南村大運河西側，將于2016年9月正式投入使用，塔高320米。電視發(fā)射塔主體由2層塔座、塔身、8層塔樓和100米桅桿四部分組成。塔座設置發(fā)射機房，管理用房，地下室設置技術輔助用房，塔樓設置微波機房。

該電視調頻發(fā)射塔主要負責發(fā)射調頻廣播節(jié)目8套，模擬和數字電視節(jié)目8套，同時具有旅游觀光、展覽、餐飲、娛樂、休閑等綜合功能。廣播電視信號覆蓋整個淮安市，直接覆蓋人口500萬左右，成為淮安市標志性建筑之一。

雷電是伴有閃電和雷鳴的放電現象，是嚴重的自然災害之一。產生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性。自然界的雷擊主要有直接雷擊和感應雷擊兩類。由于直擊雷和感應雷的侵害不同，防護措施也就不同。直擊雷防護措施主要采用避雷針，避雷帶（網）等傳統(tǒng)避雷措施。感應雷擊防護措施主要有等電位連接，屏蔽，規(guī)范的綜合布線，安裝有效的電涌保護器和完善的接地系統(tǒng)等方法。

二、雷擊防護

2.1 直接雷防護

2.1.1 發(fā)射天線塔和建筑物防雷措施

廣播電視發(fā)射臺鐵塔和天線位置是臺站地面建筑的最高點，天線塔本身既可成為防雷的避雷塔，也可能變成“引雷器”或產生感應雷的導體，因此它是臺站防雷的第一關。

按照國家97年頒布的《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057——94（2010版）的相關規(guī)定，鐵塔接地網形狀、密度可根據地形，防雷等級、天線塔種類來設計。接地網的網格尺寸應不大于5m×5m或6m×6m，天線塔接地電阻≤10Ω，接地網設計電阻應≤1Ω。發(fā)射臺各種接地（防雷接地除外）難于分開，總接地電阻要求不得超過4Ω，防雷接地電阻不大于10Ω，且需與保安接地分開。當必須合用一個接地極時，總接地電阻要求小于1Ω 。

本建筑采用公共接地系統(tǒng)（工作場所，工作接地，直流接地，防靜電接地，互相搭接使用）接地電阻≤1Ω 。接地網的垂直接地體采用無污染、耐腐蝕、使用壽命長的非金屬石墨人工接地體，水平接地體采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼，網格尺寸為3m×3m，地網引上線采用 35mm2的多膠銅塑線經美觀固定后引入機房。地網的位置要求盡可能靠近發(fā)射設備場地附近，要求接地體布局合理，接地電阻達到相應的技術要求。機房有多種接地時，可以采用共網不共母線的連接方式。為保險起見，在塔座基礎外距建筑3m的地方，做一圈人工接地網與塔座用7根（按18m間距計算）50mm×5mm的熱侵鍍鋅扁鋼電氣連接，最后回填土夯實。

人工接地網盡量埋設在人們走不到或很少走去的地方，避免跨步電壓危害。水平接地體埋設深度不小于0.8m，為保證連接的可靠性，水平接地體和垂直接地體不能采用鉚接或螺栓連接，所有連接部分必須用電焊連接，并且一定要保證有不少于10cm2的接觸面積，同時焊接面做防腐處理?；靥钔链肪o、夯實。水平接地體不能太長。在工程上往往是測量工頻接地電阻，并利用沖擊接地電阻與工頻接地電阻之間的關系來計算接地體的沖擊接地電阻。沖擊接地電阻與工頻接地電阻之間的關系可表示為：

一般情況由于火花效應大于電感效應，故通常情況下a＜1；但是如果接地體長度很長時，有可能a＞1。這樣對于防雷接地的設計是不合理的。所以用于防雷為主的防雷接地裝置水平外延或者放射狀接地體長度不宜太長，一般不要大于100m 。否則它的分布電感將妨礙雷電流的散逸，使沖擊電阻高于工頻接地電阻。

認真計算天線塔避雷針的保護范圍并留有充分余地，當其他建筑物不在保護范圍時，可考慮設計多支（等高或不等高）避雷針保護方案。對于直擊雷的防護措施主要是通過架設避雷針。避雷針通常安裝在發(fā)射塔的頂端或者發(fā)射站建筑上。在發(fā)射塔頂端架設避雷針，只要設計合理，可以對直擊雷起到很好的防護效果。因為雷電的放電通道受到很多偶然性因素的影響，想保證發(fā)射塔完全不遭受直擊雷襲擊時是不現實的，因此結合實際情況對保護范圍按照99%的保護概率即屏蔽失效或繞擊率1%而定。結合實際運行經驗，充分認真考慮現場的實際情況，通過對避雷針保護范圍和高度進行合理的設計和計算，能達到非常有效的防護效果。安裝避雷針保護范圍示意圖如圖1所示。

參考中華人民共和國電力行業(yè)標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620—1997的相關規(guī)定，對避雷針的保護及其高度可以采用以下公式進行計算。假設避雷針頂端到地面的高度為h（m），被保護物體的高度為hx（m）；在hx高度避雷針保護范圍的半徑為rx，參照對單只避雷針的折線計算法得以下計算公式：

圖1 安裝在發(fā)射塔頂端避雷針保護范圍示意圖

其中p為高度影響系數。P的取值與避雷針的高度h有關。當h≤30m時，p=1；當30m＜h≤120m時，p=5.5/根號h；當h＞120m的情況，按120m計算。在處于多雷區(qū)或者安全裕度要求較高的情況下，應適當減小避雷針的保護角。

本電視發(fā)射塔在發(fā)射天線最頂端安裝放電時間30微秒，針高3m，保護半徑36m的主動提前預放電獨立避雷針措施，對發(fā)射天線及發(fā)射塔建筑物進行直擊雷防護。并且在房頂，房角或利用圍墻，柵欄裝設閉合的避雷帶，均壓網。避雷網采用￠16鍍鋅圓鋼在屋面設不大于10m×10m（或16m×8m）的避雷網絡，且屋面上所有的金屬物件，鋼結構塔桅，網架，外露金屬管道等均用￠16鍍鋅圓鋼與避雷網連接。

均壓網設計：塔樓從首層起到頂層的所有圈梁就近與引下線電氣連接，圓梁內至少選擇對稱兩條鋼筋在整個樓層范圍內電焊連接，所有孔、洞兩側應對稱預留兩點接地線，以便各種金屬框架就近與均壓環(huán)連通。建筑結構構件內的主鋼筋均應相互連通接地，45m及以上各層的建筑外墻上的金屬門，窗，較大的金屬構件均與防雷裝置連接。豎直敷設的金屬管道及金屬物的頂端和底端與防雷裝置連接。平行敷設的長金屬物當其間距小于100mm時，應每隔30m跨接一次。一般說，均壓網格不宜大于5m 。引流線應視建筑物結構和布局進行設計。均壓網，避雷帶應接有多根引流線，在建的房屋可考慮與建筑結構內的鋼筋良好連接。

一般情況下，建筑物安裝有避雷針或避雷帶，避雷網，但是雷電的活動規(guī)律是對于發(fā)生過雷擊的地點和入侵通道，下次雷擊時更容易再次遭受雷擊。如果外部防雷某一個環(huán)節(jié)做的不好，就會影響整體的防雷效果。如果外部防雷不能擔負直擊雷防護的任務，那么它將是一個“引雷工程”而不是“防雷工程”，設備反受其害。直擊雷防護的完善與否，關系到感應雷防護的基礎是否牢固。因為直擊雷防護是感應雷的基礎。

在直擊雷防護比較完善的情況下，電視臺站部分設備仍然可能遭受雷擊，這說明防雷是一項系統(tǒng)工程。它包括屏蔽，等電位聯(lián)接，安裝浪涌保護器等措施，全方位的雷擊防護，感應雷的防護十分重要。

2.2 感應雷防護

感應雷的防護主要包括電源系統(tǒng)，天饋信號系統(tǒng)，計算機網格系統(tǒng)的保護，等電位連接以及接地等。根據淮安市電視調頻發(fā)射臺的情況需求，主要針對電源和天饋，網格進行防護，同時為了均衡雷電流對于設備的沖擊，等電位聯(lián)結的措施必不可少。

2.2.1 電源系統(tǒng)的防雷及過電壓保護

據統(tǒng)計雷擊事故中，從電源線路侵入感應過電壓損壞設備占較大比例。所以電源的防護是所有設備防護的根本和基礎條件，沒有電源的安全防護，其他的措施都是舍本逐末。鑒于電視發(fā)射塔有過雷擊損壞設備的先例，所以對于系統(tǒng)的保護理應提高此防護等級。為實現多級配合，要計算各級SPD（電涌保護器）之間的能量配合。SPD的主要作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內，并將強大的雷電流泄放入地，從而保護被保護的設備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。選用合適電涌保護器，對電源分為四級保護，使浪涌電壓逐級泄放入地。

按照分級泄放原理，第一級防雷可在總配電箱端加裝1套電源三相一級高能量防雷器SPD1:WL4L8—100kA（10/350微秒模塊）啟動電壓小于1400v，響應時間小于或等于100ns，殘壓小于2500v，使大部分雷擊能量在此泄放。（總配電柜盤上均應留出安裝SPD的空間，SPD連接導線應短而直，總長度不宜大于0.5m，其材質采用Bv16銅線纜。為防止SPD老化造成短路，SPD安裝線路上應有過電流保護器件，宜選用有劣化顯示功能的SPD.）

在發(fā)射設備室的配電柜內安裝1套電源單相第二級防雷SPD2:WL4L8--60kA（8/20微秒模塊） 啟動電壓小于800v，對地漏電流小于30微秒，殘壓小于1000v。

在發(fā)射設備的開關前端安裝1套電源第三級SPD3:WL4L8--40kA（8/20微秒）共計一套，啟動電壓小于630v，對地漏電流小于30微秒，殘壓小于800v

室內所有設備的插座全部更換為具有防雷功能的插座作為第四級防護SPD4:WL2206--20kA（8/20微秒）。以上措施將有效防止雷電流從電源線路侵入并損壞設備。

保證計算機網絡等信號方面的雷擊發(fā)生，還需要進一步對網絡，天饋信號系統(tǒng)的線路進行防護。

2.2.2 網格信號系統(tǒng)的防雷與過電壓保護

雷擊發(fā)生時產生的巨大瞬間電磁場，在1Km的范圍內的金屬環(huán)路內均會產生感應雷電流，另建筑物在避雷針（帶）接閃雷電時，在雷電流通過防雷引下線對地泄放同時，也會對建筑物內的網格金屬環(huán)路產生雷電電磁脈沖，形成線路感應過電壓，易造成終端設備端口的損壞，嚴重影響網格系統(tǒng)的正常運行。

機房內的信號防雷主要是針對網格交換機的防護，網格交換機根據端口的不同分為千兆交換機和百兆交換機。千兆端口采用千兆網格信號防雷器，百兆端口采用百兆網格防雷器，分別串接在交換端口的前端，使雷電入侵波在端口前端通過防雷器泄流入地，保護端口的安全。

電腦，交換機等的網口根據傳輸速率的不同分別采用單口千兆網絡防雷器和百兆網絡防雷器進行保護。網絡信號的防護措施及產品選型如下：

（1）在編輯機房的24口網絡交換機前端串接帶有兩級保護的網絡防雷器WLJ45---E100M/24

（2）計算機單機的雙絞線路上串接單口網絡專用防雷器WLJ45—E100M 。在進入單位的程控電話線或專用數據線路安裝信號專線避雷器。此避雷器的啟動電壓為所保護信號電壓峰值的1.5倍，雷電通流大于0.2kA.通信專線避雷器要求其傳輸速率大于9600bps，雷電通流大于0.5kA.插入衰減小于0.3dB。為了確保服務器的安全，避免數據丟失，在服務器前端安裝一級網絡避雷保護模塊，為了保護網絡線路和各終端設備的安全，在網絡路由器前安裝一級網絡避雷保護器。

2.2.3 天饋信號系統(tǒng)的防護

（1）室外引入線防雷措施

室外引入線是指臺站內各種發(fā)射設備饋線，吊饋管的鋼絞線及波導固定架，鐵塔過橋和塔燈電源線，各類管道，各種視音頻信號線，通信線等。在雷電天氣，引線外皮很容易將感應雷或感應電壓引入機房，必須采取措施進行電氣阻塞。

保證饋管兩端良好接地。饋管在進入機房前外皮要就近與地網連接，吊饋管鋼絞線，固定架，過橋每隔一定距離逐點接地。

各種引線要使用屏蔽電纜，進入機房前屏蔽層應就近與地網連接。引線較長或條件允許時，進入機房前水平埋入地下，長度最好在10m以上。若無屏蔽電纜，可將引線穿入鐵管，按上述要求埋入地下。引入機房的電纜中如有不使用的芯線，也應在兩端良好接地。

（2）室內設施的防雷措施

機房內根據設備擺放情況，用銅皮鋪設地網，通過多點與室外地網良好連接，從而營造等電位環(huán)境。根據國標GB7450—87＜＜電子設備雷擊保護導則＞＞和實際情況，科學有重點的采用防雷保護元件對電子設備進行保護。

機房內屏蔽接地，機殼接地，電源接地（中性線，零線），工作電路接地，保安接地，過壓保護接地等要統(tǒng)一，就近與機房共用地網作可靠的電氣連接。

（3）等電位連接措施

信號塔實際是個“引雷工程”，它在將強大的直擊雷電流泄放到地下的同時，會產生方圓20公里內的感應雷輻射。將信號塔電梯的滑道兩端與塔樓作等電位連接，供電部分安裝SPD。

發(fā)射機房及各個機房內防靜電地板下用2mm×30mm的紫銅帶制作接地均壓環(huán)，并與專用接地母線預留端子可靠連接，用于各設備，金屬支架和抗靜電地板支架接地。機房內的供電系統(tǒng)地線，防雷接地地線，防靜電接地，直流接地（邏輯接地）都與均壓環(huán)連接，然后經引下線接地，與接地網連接。

電視臺的辦公樓窗戶沒有屏蔽接地，這對于室內的設備來說就相當于半露天了。所以室內的微電子設備，尤其是電腦經常遭受感應雷的破壞，因此電視臺站應把辦公樓，機房鋁制門窗，暖氣管，水管，走線架等各種導體就近與母線或地網連接。在塔樓的每一層靠近中心的構造柱主筋上外引一等電位連接排，用于屏蔽接地、SPD接地、交直流接地等之用。塔樓外距地高度1.7m處等距離對稱的引出兩個接地電阻測試點，分別暗裝測試盒。

由于雷電的隨機性很大，形成的機理很復雜，雷電的表現形式多種多樣。因此，目前防雷技術水平還局限在任何單一的防雷器件都無法保證某一特定空間所有保護對象的防雷安全，防雷技術還有待進一步提高。隨著科學技術的進步，對雷電機理的進一步認識，防止和減少雷電災害的方法將日臻完善。