恩平廣播電視發(fā)射臺防雷設計

劉國森 吳衛(wèi)揚 梁添俊

（恩平市云安防雷工程有限公司）

0 引言

為了提高收視質量，擴大覆蓋范圍，廣播電視發(fā)射臺一般都建在雷電活動頻繁的高山頂上。隨著現代技術、設備的應用，廣播電視節(jié)目發(fā)射設備多采用集成電路、大規(guī)模集成電路和全固態(tài)電路等，這也對廣播電視發(fā)射臺防雷設計提出了更高要求。雷電防護措施作為廣播電視發(fā)射臺建設、運行及管理的重要技術手段，對于保障廣播電視節(jié)目的正常播出具有重要意義。

1 雷電危害方式

1.1 直擊雷危害方式

閃擊直接擊于建筑物上，產生電效應、熱效應和機械力者。其發(fā)生的幾率較低，但放電時間短并且電量大，主要損毀的是廣播電視發(fā)射臺的室外設備。通常由接閃器、引下線、接地裝置組成的直擊雷防雷裝置將強大的雷電流引入大地，從而保護發(fā)射臺頂部和室外設備不遭受直雷擊危害［1］。

1.2 感應雷危害方式

1.2.1 靜電感應

當雷云來臨時，由于雷云的作用，使附近導體上感應出雷云符號相反的電荷，雷云主放電時，先導通道中的電荷迅速中和，在導體上的感應電荷得到釋放，如沒有就近瀉入地中就會產生很高的電位［2］。

1.2.2 電磁感應

由于雷電流的迅速變化在其周圍空間產生瞬變的強電磁場，使附近導體上感應出很高的電動勢或感生電流，會造成電氣設備遭到電擊而損壞［2］。

1.3 雷電波侵入危害方式

1.3.1 由市電網電源供電線路入侵

直擊雷擊中高壓電力線路，高壓雷電波以波的形式沿著線路而引入室內，入侵電氣電子設備；另外低壓線路也可能會被直擊雷擊中而感應出雷電過電壓。將在電源線路上感應出高達10000V的過電壓，這必將對機房產生相當大的危害。

1.3.2 由通信線路入侵

閃擊擊中大地，強雷電壓擊穿鄰近土壤 進而入侵并擊穿電纜外皮，使得高壓入侵通信線路；閃擊擊中線路或在線路附近放電時，在線路上會感應出雷電過電壓，損壞相應的連接設備［3］。

1.3.3 地電位反擊電壓通過接地入侵

雷電擊中接閃器時強大的雷電流會通過引下線并經接地體流散入大地，引下線相鄰的線路上會產生感應過電壓，使得靠近的接地體產生高壓地電位反擊，因此雷電流會通過防雷系統(tǒng)引入，損壞電子設備。廣播電視發(fā)射系統(tǒng)等設備的耐壓能力和抗電磁干擾的能力很弱，通常在100V以下，因此必須建立全面的雷電防護體系，確保廣播電視發(fā)射系統(tǒng)安全［4］。

2 防雷方案設計

2.1 發(fā)射臺環(huán)境特點

恩平市是全國少有的暴雨和雷暴中心之一。恩平地區(qū)的年平均雷暴日為88天，屬多雷暴區(qū)域。恩平廣播電視發(fā)射臺位于恩平市鰲峰山景區(qū)內且處于山體最頂端，屬于孤立的高聳建筑物；發(fā)射臺內裝有大量電氣電子設備。另外發(fā)射臺周邊土壤電阻率很高，地勢陡峭造成增設人工接地裝置的難度較大。

廣播電視發(fā)射臺由機房和鐵塔組成。鐵塔和機房相距10m，機房為兩層建筑物，發(fā)射機房位于建筑物二樓，總配電房位于建筑物一樓。

2.2 防雷類別的劃分

2.2.1 電視發(fā)射臺等效面積

該廣播電視發(fā)射臺高度H＜100m，其每邊的擴大寬度D應按等于機房的高度H計算，其等效面積Ae應按下列公式計算：

式中：L、W、H分別為建筑物的長、寬、高（m）。計算后得出電視發(fā)射臺與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積Ae＝0.0069km2。

2.2.2 建筑物年預計雷擊次數

年預計雷擊次數N的確定如下：

式中：k為校正系數，恩平廣播電視發(fā)射臺為土山頂部，故k取1.5；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地密度 （次／km2.a）；Ae為建筑物截收相同雷擊次數的等效面積 （km2）。

建筑物所處地區(qū)雷擊大地密度Ng可按下式確定：

式中：Td為年平均雷暴日 （d／a），根據當地氣象臺、站資料確定。

根據恩平市氣象臺近30年資料的統(tǒng)計：Td＝88天／年，恩平市地區(qū)的Ng為：

代入公式 N＝k×Ng×Ae計算后得出 N＝0.0911次／a。

根據建筑物的使用性質，按 《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-2010的規(guī)定，該廣播電視發(fā)射臺屬第二類防雷建筑物［2］。

2.3 方案設計要點

廣播電視發(fā)射臺的防雷設計必須按照綜合防雷體系來考慮。按人、物和設備對雷電災害的感受強度不同把建筑物內、外環(huán)境劃分為LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZn+1等不同的防雷區(qū)［5］。為了減少需要雷電防護的空間各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差，就需要進行等電位連接，為雷電流提供低阻抗通道迅速泄流入地。各防雷區(qū)的界面處也要進行局部等電位連接，各局部等電位連接相互連接，并連接到主等電位連接端子。隨著各種通信設備的應用，以往的防護體系已不能滿足廣播電視發(fā)射中心的安全使用要求，應從防直擊雷、防感應雷、防雷電波浸入等多方面采取防護措施［2］。

2.3.1 直擊雷防護措施

直擊雷防雷裝置由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。接閃器由攔截閃擊的接閃桿、接閃帶、接閃線、接閃網以及金屬屋面、金屬構件等組成，其作用是截獲閃電。引下線上與接閃器連接，下與接地裝置連接，用于將雷電流從接閃器傳導至接地裝置。接地裝置埋入土壤中或混凝土基礎中，它的作用是將雷電流流散入大地。

2.3.1.1 接閃器

依據GB50057-2010的要求，本方案采用φ12熱鍍鋅圓鋼沿女兒墻敷設作為接閃帶，并在整個屋面組成不大于10m×10m的網格，在女兒墻上除裝設接閃帶之外，并在陽角的接閃帶上焊接高0.5m的φ12熱鍍鋅圓鋼作為接閃桿，以便有效接閃雷電泄流人地［2］。使廣播電視發(fā)射臺的部位都置于接閃器的保護之下。

2.3.1.2 引下線

依據GB50057-2010的要求，本方案引下線均采用φ12熱鍍鋅圓鋼沿建筑物外墻外表面明敷，并經最短路徑接地。電視發(fā)射中心長20m，寬13m，除在建筑物四角設置引下線外，并在建筑物長邊的中間部位設置引下線，使得其間距≤18m。為保護人身安全需采取防接觸電壓的措施，外露引下線，其距地面2.7m以下的導體用至少3mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離［2］。

2.3.1.3 接地裝置

依據GB50057-2010的要求，結合當地地理條件，本工程實際中外部防雷裝置的接地應和防閃電感應、內部防雷裝置、電氣和電子系統(tǒng)等接地共用接地裝置，并應與引入的金屬管線做等電位連接。外部防雷裝置的專設接地裝置宜圍繞建筑物敷設成環(huán)形接地體［2］。要求廣播電視發(fā)射中心的接地電阻值≤1.0Ω。

人工接地體又可分為水平接地體和垂直接地體，水平接地體采用40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用50mm×50mm ×5mm×2500mm熱鍍鋅角鋼，垂直接地體間距宜為5m［6］。當地網的接地電阻值達不到要求時，可采用多支線外引接地裝置，在地網外圍增設環(huán)型接地裝置。

2.3.2 感應雷防護措施

2.3.2.1 防雷區(qū)交界處防護措施

確定防雷區(qū) （LPZ）。把從進入廣播電視發(fā)射中心LPZ0A區(qū)到LPZ1區(qū)各類金屬管包括鎧裝電纜的金屬外皮在防雷區(qū)交界處就近與防雷地作等電位連接，建筑物內的設備、構架等主要金屬物也應就近接到防雷裝置上。用材料為40mm×4mm的熱鍍鋅扁鋼設置接地引入線，接地引入線應以對稱方式由接地裝置就近引人，其中總配電房等電位連接帶、機房等電位連接帶均設置2條接地引入線［7］。

2.3.2.2 機房內部等電位設計

在發(fā)射機房內安裝一條50×5mm的紫銅帶作為等電位接地母線，接地母線繞機房沿墻走一圈與兩條95mm2的接地銅芯線螺栓連接。50×5mm的紫銅帶利用膨脹螺絲固定，并且根據設備的位置預留等電位連接端子孔，將設備的金屬外殼，機柜、走線架、交流配電保護地PE線、等電位金屬網格及金屬線槽與接地母線連接。在發(fā)射機房地磚下暗裝等電位金屬網格，網格尺寸不大于600mm×600mm，等電位金屬網格采用寬60mm，厚1.0mm的紫銅帶。另用兩條95mm2的接地銅芯線對稱引上至接地母線［8］。

2.3.2.3 金屬門窗的接地處理

需要對二層發(fā)射機房外墻上的金屬窗做接地處理：

1）沿二層發(fā)射機房室外墻內側暗敷一圈-40×4鍍鋅扁鋼作為水平等電位連接帶，安裝高度距離二層樓面0.3m；

2）根據金屬窗以及電涌保護器的位置預留等電位連接端子，采用-25×4鍍鋅扁鋼將金屬窗與水平等電位連接帶做等電位焊接，長度大于1米的金屬窗，焊接點不少于2處；

3）水平等電位連接帶的接地引下線采用φ12熱鍍鋅圓鋼，均勻布置在等電位連接環(huán)的兩端、中間處，上與等電位連接環(huán)連接，下與防雷地網焊接連通。

2.3.3 雷電波侵入防護措施

2.3.3.1 雷電波侵入的主動防護

將進入建筑物的各種線路采用有金屬屏蔽層的電纜或鋼管直接埋地引入對雷電波侵入防護效果極佳。屏蔽電纜其屏蔽層應至少在兩端，并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接，系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時，應采用兩層屏蔽或穿鋼管敷設，外層屏蔽或鋼管應至少在兩端，并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接［2］。當全線埋地有困難時，進入建筑物的架空線應使用一段金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入，埋地的電纜長度且不應小于15m。架空金屬管道，在進出建筑物處亦應與防雷電感應的接地裝置相連［9］。

2.3.3.2 電源系統(tǒng)雷電波侵入防護

為防止雷電波侵入一般采用屏蔽、接地、分級的電涌保護器等技術，使各級電涌保護器在能量上配合相互保護，如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)雷電波侵入防護示意圖

1）SPD1：在一樓總配電房的總電源處安裝一組In＝60KA的三相電源電涌保護器 （該配置主要針對主電源系統(tǒng)受到雷擊時，釋放因雷擊而產生的高能量，從而達到減弱雷擊一級電能［10］。

2）SPD2：在二樓照明配電箱總電源處安裝一組In＝40kA的單相電源電涌保護器，作為電源系統(tǒng)二級防護。

3）SPD2：在二樓發(fā)射機房總進線處安裝一組In＝40kA的三相電源電涌保護器，作為電源系統(tǒng)二級保護。

4）SPD3：在UPS電源和計算機電源等用電設備前端安裝In＝10kA的單相電源電涌保護器防雷插排，作為電源系統(tǒng)第三級保護。

2.3.3.3 信號系統(tǒng)雷電波侵入防護

1）將程控交換機機房信號線路輸入端的光纜金屬加強鋼芯和光纜終端盒就近接地，同時在網絡交換機安裝信號SPD。其標稱工作電壓Un＝5V，最大持續(xù)運行電壓Uc＝6V，標稱放電電流In＝2.5kA（線-線、線-PE）／5kA（屏蔽-PE），保護端口數為24口。

2）在電話機前端裝設信號SPD。額定電壓Un＝110V，標稱放電電流 In＝5kA，最大放電電流Imax＝10kA。

3）在視頻監(jiān)控系統(tǒng)裝設信號SPD。額定電壓Un＝5V，標稱放電電流 In＝2.5kA（芯線／屏蔽）、5kA（屏蔽／PE）。

2.3.3.4 地電位反擊防護

廣播電視發(fā)射臺的防直擊雷、防閃電感應、電氣和電子系統(tǒng)等接地共用接地裝置，但各類接地應設置獨立的接地引下線，同時需要接地的設備也應設置獨立的接地線，嚴禁高電位引入。鐵塔和機房相距較近，埋設-40×4熱鍍鋅扁鋼作為鐵塔與防雷地網之間的水平接地體，其中連接點不少于2處，采用兩根φ16熱鍍鋅圓鋼作為引下線與水平接地體相連，埋設深度不小于0.6m。

3 結束語

廣播電視發(fā)射臺的防雷是一項系統(tǒng)性的工程，其防雷思路就是從引發(fā)雷電災害的各方面采取防護措施，實現全方位的雷電防護。通過以上的防雷設計，有效地解決了廣播電視發(fā)射臺的防雷技術設計問題。但隨著廣播電視技術的發(fā)展，還需經常性地總結防雷工作的實踐經驗，提高防雷技術水平。