淺談高山無(wú)線發(fā)射臺(tái)綜合防雷技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

文/王文

防雷技術(shù)對(duì)于任何一個(gè)高山發(fā)射臺(tái)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗苯雨P(guān)乎到發(fā)射臺(tái)工作能否正常安全運(yùn)行。昭通位于云南省東北部，地處滇、川、黔三省結(jié)合處，素有“鎖鑰南滇，咽喉西蜀”之稱。昭通境內(nèi)群山林立，山高谷深，特殊的地理環(huán)境造就了涼風(fēng)臺(tái)成為區(qū)內(nèi)第三高峰。本文簡(jiǎn)要介紹昭通市廣播電視轉(zhuǎn)播臺(tái)涼風(fēng)臺(tái)高山發(fā)射站因地制宜的防雷設(shè)施及架構(gòu)設(shè)計(jì)，供技術(shù)研究及同行參考。

昭通市廣播電視轉(zhuǎn)播臺(tái)的涼風(fēng)臺(tái)發(fā)射站位于云南省昭通市昭陽(yáng)區(qū)小龍洞鄉(xiāng)涼風(fēng)臺(tái)山頂。這里山高坡陡，海拔3154米，自然條件極為惡劣。一年四季多為云蒸霞蔚，或冰天雪地，常年氣溫較低，氣候干燥，年雷暴日為47d/年，屬于高雷暴區(qū)，是全國(guó)一級(jí)艱苦臺(tái)站，也是滇東北地區(qū)海拔最高、任務(wù)最重、功率最大的高山骨干無(wú)線發(fā)射臺(tái)。不管環(huán)境多惡劣，困難有多少，昭通涼風(fēng)臺(tái)發(fā)射站從1984年成立以來(lái)就一直承擔(dān)著中央、省、市主要廣播電視節(jié)目無(wú)線發(fā)射覆蓋任務(wù)，全天24小時(shí)專人值守，轉(zhuǎn)播節(jié)目覆蓋昭陽(yáng)、魯?shù)?、大關(guān)、彝良等縣區(qū)，受益人口約為350萬(wàn)人。

高山無(wú)線發(fā)射臺(tái)所處的地理位置及氣候環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，使其在雷雨季容易遭受到雷擊。一般情況下，發(fā)射機(jī)房和發(fā)射鐵塔之間大多相距數(shù)十米甚至上百米，若未構(gòu)建有效的防雷措施，雷電將擊毀傳輸高頻能量的饋管，甚至?xí)?duì)機(jī)房造成嚴(yán)重的破壞，同時(shí)還會(huì)威脅到值守人員的生命安全。因此，如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)高山無(wú)線發(fā)射臺(tái)的防雷保護(hù)措施，最大限度地保障雷雨季節(jié)期間廣播電視節(jié)目安全播出及值守人員的生命安全，成為整個(gè)昭通廣播電視轉(zhuǎn)播臺(tái)乃至涼風(fēng)臺(tái)的攻關(guān)課題。

在結(jié)合實(shí)際的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員查閱了大量有關(guān)資料，經(jīng)過(guò)反復(fù)討論研究，多次實(shí)驗(yàn)，基本掌握了實(shí)地高山雷電規(guī)律，找到了可行的應(yīng)對(duì)方法和途徑。

1.雷電波的特性及其入侵路徑

雷電是天空帶有正負(fù)兩種電荷對(duì)流云層間相遇、產(chǎn)生劇烈磨擦，使高端云層和低端云層帶上相反電荷，低端云層在大地上面感應(yīng)出大量的異種電荷，即形成一個(gè)極大的電容，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，對(duì)大地進(jìn)行放電的過(guò)程，這就是“雷電現(xiàn)象”。

1.1 雷擊形式的分類

1.1.1 直擊雷

直擊雷是指雷云直接對(duì)地面上的高層建筑物體或電力裝置進(jìn)行放電，產(chǎn)生巨大能量，且放電時(shí)間特別短。放電電壓和電流相對(duì)較大，因此強(qiáng)大的雷電流通過(guò)地面突出物體進(jìn)入地時(shí)，產(chǎn)生極大的破壞性和熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)，直接引發(fā)建筑物、發(fā)電廠、醫(yī)院、民房等停電，通訊中斷乃至人員傷亡。

1.1.2 感應(yīng)雷

當(dāng)帶電雷云接近高聳建筑物體時(shí)，收到靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的影響，雷電電流會(huì)通過(guò)先導(dǎo)放電過(guò)渡到主導(dǎo)放電，引起金屬體產(chǎn)生較高的電壓。高山發(fā)射臺(tái)感應(yīng)雷主要表現(xiàn)形式有兩種：一種是通過(guò)電網(wǎng)感應(yīng)進(jìn)機(jī)房的雷電光；第二種是經(jīng)傳輸電纜感應(yīng)來(lái)的雷電流。

1.1.3 雷電波

雷電波是指輸電線路在受到雷擊或者雷電感應(yīng)雷時(shí)，產(chǎn)生的沿不同方向傳播的高電位沖擊波，這種沖擊波傳播的速度在150m/s左右，沿著不同的方向進(jìn)行無(wú)規(guī)律的傳導(dǎo)，嚴(yán)重干擾了廣播電視的傳輸和發(fā)射，甚至?xí)?duì)電源系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備造成不同程度的損壞。

1.2 高山發(fā)射臺(tái)雷擊入侵途徑

雷電襲擊主要為直擊雷和感應(yīng)雷兩種形式。通常情況下，主要通過(guò)供電線路侵入、信號(hào)線纜侵入和地電位反擊電壓等三種途徑對(duì)廣播電視設(shè)施設(shè)備造成損壞。

2.涼風(fēng)臺(tái)發(fā)射站防雷設(shè)施的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)背景

根據(jù)雷電破壞的特點(diǎn)，做好高山發(fā)射臺(tái)的設(shè)備防雷工作，應(yīng)增強(qiáng)防雷意識(shí)，把防雷避雷作為一項(xiàng)重要的系統(tǒng)工程來(lái)抓。在防雷措施的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，要全方位、多層次地進(jìn)行科學(xué)合理思考，多措并舉進(jìn)行布局。

昭通廣播電視轉(zhuǎn)播臺(tái)涼風(fēng)臺(tái)發(fā)射站機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有總配電室、柴油發(fā)電房、庫(kù)房、監(jiān)控室、發(fā)射機(jī)房、值班室等設(shè)施設(shè)備，既有強(qiáng)電設(shè)備，也有弱電設(shè)備，其中強(qiáng)電部分有總配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電系統(tǒng)機(jī)房配電系統(tǒng)及UPS等，弱電部分包括有線電視信號(hào)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)、電話信號(hào)及衛(wèi)星接收系統(tǒng)等。機(jī)房位于發(fā)射塔西南側(cè)，東北側(cè)是值班宿舍及生活區(qū)，衛(wèi)星接收天線的位置則位于機(jī)房西南側(cè)，機(jī)房為單層，高度7.6米，距離發(fā)射塔19米，發(fā)射塔距山體下降沿4米（19m+4m）。按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，二類建筑物的滾球半徑hr=23m，以設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)地平面來(lái)計(jì)算，可算出被保護(hù)建筑物的高度最大為7.12米。

涼風(fēng)臺(tái)發(fā)射站位于山頂，地處斜坡坡頂?shù)貛В乇硗寥垒^少，多為巖石，土壤電阻率較高，雷電流泄放相對(duì)困難。年雷暴日為47d/年，雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，極易遭受雷擊。為此，臺(tái)內(nèi)工程技術(shù)人員根據(jù)涼風(fēng)臺(tái)實(shí)際制定了一套切實(shí)可行的綜合防雷措施。

2.2 發(fā)射塔和機(jī)房、宿舍的防雷

通常，發(fā)射天線和鐵塔處于高山臺(tái)站的最高點(diǎn)。發(fā)射天線及鐵塔本身既可能成為防雷避雷的泄放導(dǎo)體，也可能變成”引雷器”，因此，它是臺(tái)站防雷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2.1 發(fā)射塔防雷設(shè)計(jì)

發(fā)射塔因位置處于最高點(diǎn)，雷電來(lái)臨時(shí)，極易遭受雷擊并通過(guò)鐵塔和天饋線進(jìn)入機(jī)房，造成發(fā)射設(shè)備過(guò)流、過(guò)壓損壞。我們用60*6熱鍍鋅扁鋼在發(fā)射塔外圍鋪設(shè)環(huán)形地網(wǎng)，內(nèi)圓半徑為5米，外圓半徑為8米，配合使用1米純銅離子接地極垂直敷設(shè)，同時(shí)從環(huán)形地網(wǎng)上外引4條水平接地線，并且在外引線上增設(shè)接地模塊，以期達(dá)到廣電行業(yè)要求的鐵塔接地電阻＜5Ω以下。

2.2.2 業(yè)務(wù)用房防雷設(shè)計(jì)

發(fā)射臺(tái)業(yè)務(wù)用房長(zhǎng)29.6米，寬28.5米，本方案設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)用房地網(wǎng)：在業(yè)務(wù)用房地基內(nèi)采用60*6熱鍍鋅扁鋼水平鋪設(shè)不小于5*5米的網(wǎng)格，外圍配合使用1米純銅離子接地極垂直敷設(shè)，交叉處采用50*5*1500mm熱鍍鋅角鋼作為垂直接地極，外引4條水平接地線，并且在外引線上增設(shè)接地模塊，最后用60*6熱鍍鋅扁鋼將外引線圍成一個(gè)圓環(huán)，形成一個(gè)完整的等電位。如果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以適當(dāng)增加水平外引并配合使用高效降阻劑，達(dá)到了2.5Ω左右。我們把機(jī)房、宿舍地網(wǎng)與鐵塔地網(wǎng)通過(guò)外引線可靠連接形成一個(gè)等電位體，接地電阻達(dá)到設(shè)計(jì)要求，小于1Ω，符合國(guó)家規(guī)定的建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.3 臺(tái)站電源系統(tǒng)的防雷措施

2.3.1 電源的第一級(jí)防雷保護(hù)

為了防止浪涌電壓直接從配電室送電端口LPZ0傳導(dǎo)區(qū)進(jìn)入LPZ1區(qū)，設(shè)計(jì)應(yīng)將數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)伏的浪涌電壓限制在3000—4000V。設(shè)計(jì)在總配電室配電柜及備用發(fā)電機(jī)進(jìn)線端并聯(lián)安裝三相電源防雷模塊，通流容量為50KA（共2套）。

2.3.2 電源的第二級(jí)防護(hù)

配電柜輸出端的電源防雷器作為第二級(jí)保護(hù)時(shí)，是進(jìn)一步將通過(guò)第一級(jí)防雷器的殘余浪涌電壓值限制到2000—2500V，此時(shí)作為限壓型電源防雷器使用，接閃電流容量不應(yīng)低于40KA。在機(jī)房配電柜進(jìn)線端并聯(lián)安裝三相電源防雷模塊，通流容量為60KA（共5套）。

2.3.3 電源系統(tǒng)的末級(jí)防護(hù)

最后一級(jí)防雷保護(hù)是進(jìn)一步將通過(guò)第二級(jí)防雷器的殘余浪涌電壓限制在750V以下并對(duì)LPZ1—LPZ2實(shí)施等電位連接，接閃電流容量不應(yīng)低于10KA。使用第三級(jí)電源防雷器把通過(guò)第二級(jí)的剩余浪涌電能進(jìn)行更完善的吸收，對(duì)于瞬態(tài)過(guò)電壓具有極好的抑制作用。在宿舍樓層配電柜以及機(jī)房UPS或重要電子電器進(jìn)線端并聯(lián)安裝三相電源防雷模塊，通流容量為20KA，對(duì)重要的精密儀器我們?cè)O(shè)計(jì)在設(shè)備末端安裝機(jī)架式防雷插座PDU，通流容量為10KA，這樣，整個(gè)電源系統(tǒng)的防雷措施得以完美解決。

2.4 室外天饋電纜及信號(hào)引入線的防雷措施

臺(tái)站內(nèi)的發(fā)射天線饋管、鋼絞線及波導(dǎo)固定架、鐵塔過(guò)橋、機(jī)房走線架及各種視音頻信號(hào)線、通信線等。在雷雨季節(jié)來(lái)臨時(shí)，饋線外皮很容易將感應(yīng)電壓引入機(jī)房，所以，必須采取措施進(jìn)行電氣阻塞。（1）首先要保證饋管兩端良好接地。在進(jìn)入機(jī)房前，饋管外皮應(yīng)就近與地網(wǎng)連接，吊饋管鋼絞線、固定架、過(guò)橋等每隔一段應(yīng)與地網(wǎng)可靠接地。（2）各種線纜進(jìn)入機(jī)房前屏蔽層必須就近與地網(wǎng)連接。如果引線較長(zhǎng)時(shí)，可水平買入地下，引入機(jī)房的電纜中有不使用的芯線，應(yīng)在兩端良好接地。

2.5 機(jī)房及業(yè)務(wù)用房的防雷

（1）在機(jī)房電纜溝用銅皮鋪設(shè)地網(wǎng)，發(fā)射機(jī)、網(wǎng)絡(luò)柜及接收系統(tǒng)的機(jī)殼通過(guò)多點(diǎn)與室外地網(wǎng)良好連接，營(yíng)造等電位環(huán)境。（2）結(jié)合昭通轉(zhuǎn)播臺(tái)實(shí)際，科學(xué)地、有重點(diǎn)地采用防雷器件對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。（3）配電室、發(fā)電機(jī)房的機(jī)殼、電源接地（中性線、零線）一律與機(jī)房共用地網(wǎng)可靠連接。機(jī)房鋁制門窗、暖氣管、水管、走線架等各種導(dǎo)體就近與母線或地網(wǎng)連接，形成一個(gè)完善的等電位共用體。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)雷電對(duì)高山發(fā)射臺(tái)入侵破壞的幾個(gè)途徑，通過(guò)深入細(xì)致的研究雷電形成的幾個(gè)特點(diǎn)，結(jié)合涼風(fēng)臺(tái)高山發(fā)射臺(tái)房屋建筑結(jié)構(gòu)和鐵塔高度的工作實(shí)際，我們架構(gòu)設(shè)計(jì)出了一套完整的綜合防雷體系，形成高壓配電、低壓配電及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完整的三級(jí)防雷系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多個(gè)雷雨季節(jié)的考驗(yàn)，到目前為止，各項(xiàng)設(shè)備均運(yùn)行正常，完好無(wú)損。

實(shí)踐證明，昭通轉(zhuǎn)播臺(tái)的綜合防雷系統(tǒng)能夠有效防范雷電和浪涌電壓對(duì)設(shè)備的電沖擊，很好地保護(hù)機(jī)房各種設(shè)備的正常運(yùn)行，確保昭通廣播電視轉(zhuǎn)播臺(tái)廣播電視節(jié)目高效、優(yōu)質(zhì)、安全播出。

參考文獻(xiàn)

[1]馮建元，馮緊福.高山發(fā)射臺(tái)防雷研究與實(shí)踐[J].電視技術(shù)，2011（14）：75-78.