高山發(fā)射臺防雷研究與實(shí)踐

馮建元，馮全福

（1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.河北人民廣播電臺，河北 石家莊 050012）

0 引言

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一。據(jù)悉，全球每年的雷電災(zāi)害人員傷亡超過10 000人，估計(jì)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億美元。中國每年因雷擊造成人員傷亡在3 000～4 000人，財產(chǎn)損失達(dá)50～100億元。河北省雷電災(zāi)害雖不及南方一些省份頻繁，但也屬雷暴、雷擊多發(fā)地區(qū)，年雷暴日數(shù)24～51天，人員傷亡幾十人，電力、通信、廣播電視設(shè)施損壞150～250次，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。05發(fā)射臺位于燕山山脈的霧靈山,海拔高度2 118 m，發(fā)射中央、省、市的10套廣播電視節(jié)目。由于05發(fā)射臺處于山脈的制高點(diǎn)，經(jīng)常成為雷暴、雷擊多發(fā)區(qū)，因此，防范廣播電視發(fā)射設(shè)施和設(shè)備的雷暴、雷擊災(zāi)害成為05發(fā)射臺廣播電視發(fā)射人員維護(hù)廣播電視安全的重要任務(wù)，也是一個值得不斷總結(jié)、改進(jìn)、提高的重要環(huán)節(jié)。

1 雷電危害的主要方式

雷電危害的主要方式有：

1）雷電直擊危害。雷電直接擊中地面某一物體或電力裝置直接放電，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)、電動力效應(yīng)，造成危害。其特點(diǎn)是所含能量巨大，放電時間極短。其放電電流高達(dá)幾百千安，電壓高達(dá)數(shù)百萬伏，具有巨大的破壞性，但危害范圍較小，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，直擊雷概率約為10%。

2）雷電感應(yīng)危害。雷電感應(yīng)危害包括兩方面，一方面是受雷雨云靜電感應(yīng)作用，在地面雷電區(qū)域一些物體上感應(yīng)出不易泄放的高電壓造成的危害，另一方面是雷擊放電時，極大的雷電流脈沖在附近物體上感應(yīng)出高電壓或大電流造成的危害。這種感應(yīng)電壓在高壓架空線路上可達(dá)300～400 kV，在低壓架空線路上可達(dá)100 kV，在信號線路上可達(dá)40～60 kV，足以造成電子、電氣設(shè)備的擊穿。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，雷電感應(yīng)對設(shè)備的損害雖然沒有直擊雷來的猛烈，但要比直擊雷發(fā)生的概率大很多。

3）雷電波侵入危害。由于雷電對架空線路或金屬管道發(fā)生的作用，使雷電波沿著這些管線侵入到室內(nèi)，造成危害。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，雷電侵入波造成的事故在雷電事故總數(shù)中占有較大的比重。

4）地電位反擊危害。雷電擊中避雷裝置通過避雷設(shè)施入地時，避雷裝置、引下線、接地體的電位會瞬間被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏而造成危害。

2 高山發(fā)射臺雷電入侵的主要途徑

高山發(fā)射臺雷電入侵的主要途徑有：

1）通過供電線路侵入。高山臺供電的高壓電力架空線的進(jìn)線段或遠(yuǎn)端遭受雷擊，雷電波由供電線路侵入機(jī)房，造成臺內(nèi)設(shè)備損壞。

2）通過接地體的地電位反擊電壓侵入。當(dāng)雷電擊中建筑物、避雷裝置或地面時，在接地體附近形成放射狀的電位分布，使連接設(shè)備的接地體產(chǎn)生高壓地電位反擊，對臺內(nèi)設(shè)備造成損壞。

3）通過天饋線侵入。鐵塔接閃時，雷電流沒有完全入地，部分雷電流沿天饋線侵入機(jī)房，造成發(fā)射設(shè)備損壞。

4）通過電磁感應(yīng)侵入。閃電在空間、避雷系統(tǒng)周圍產(chǎn)生的強(qiáng)烈瞬變電磁場感應(yīng)到建筑物、管線、設(shè)備而造成設(shè)施和設(shè)備的損壞。

3 高山發(fā)射臺防雷策略

根據(jù)高山雷電特點(diǎn)，采取攔截、引流、躲避、防護(hù)四級綜合防護(hù)措施，達(dá)到防御或減輕雷電災(zāi)害的目的。

1）攔截，就是在雷電活動區(qū)、保護(hù)對象之外設(shè)置避雷網(wǎng)、帶、線，把雷電攔截在保護(hù)對象之外，阻止其向保護(hù)對象移動。經(jīng)常采取的措施有，在保護(hù)對象所在區(qū)域設(shè)置避雷網(wǎng)，在輸電線路設(shè)置避雷線和避雷裝置，在建筑物頂部設(shè)置避雷帶等，可有效把雷電攔截在保護(hù)對象之外。

2）引流，就是科學(xué)合理設(shè)置避雷接地系統(tǒng)，把雷電能量順利引流到離保護(hù)對象較遠(yuǎn)的接地體中釋放。

3）躲避，就是把保護(hù)對象屏蔽起來，使雷電找不到保護(hù)對象，機(jī)房、線路經(jīng)常采取此措施。

4）防護(hù)，就是采取等電位連接、過流和過電壓電涌保護(hù)等技術(shù)措施，消除雷電對設(shè)施、設(shè)備可能造成的影響，保護(hù)設(shè)施、設(shè)備不被雷擊。

4 05發(fā)射臺的防雷做法

防雷做法主要有：

1）構(gòu)建避雷網(wǎng)，攔截雷電，形成發(fā)射臺設(shè)施雷電保護(hù)區(qū)。05發(fā)射臺建有高于25 m的金屬鐵塔5座，利用5座鐵塔和3個天線桿構(gòu)成一個面封閉避雷網(wǎng)，對發(fā)射臺的整個建筑設(shè)施構(gòu)成一個完整的雷電保護(hù)區(qū)。

2）改造避雷接地系統(tǒng)，疏導(dǎo)和泄放雷電流。原來接地網(wǎng)是由5個用扁鋼連接的埋于2 m深地下的角鋼組成,因年久已銹蝕嚴(yán)重，地網(wǎng)性能不良。為了改善接地特性，特在機(jī)房、鐵塔等基礎(chǔ)設(shè)施周圍新增11個1 m×1 m×0.3 m的立體網(wǎng)格狀接地體，均勻設(shè)置，分別埋于2 m×2 m×2 m的土坑中，并在接地體四角各向下打入一根長度為2 m，直徑為25 mm的熱鍍鋅園鋼，熱鍍鋅園鋼與接地體多邊焊接，接地體四周填充500 mm的降阻劑。各接地體之間用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼連接，熱鍍鋅扁鋼埋于0.8 m×0.8 m×0.8 m的土溝中，四周填充200 mm的降阻劑。接地體和扁鋼的連接采取搭接超過80 mm的多邊搭接焊接，并涂覆瀝青防腐。改造后實(shí)測接地網(wǎng)接地電阻小于4 Ω。

每個避雷針使用2～4根40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼做引下線，就近焊接至接地體,多通路泄放雷電流，以減小泄放雷電流通路的電流幅度。

3）構(gòu)建籠式避雷網(wǎng)。利用各建筑物的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)建若干個“法拉第網(wǎng)”，保護(hù)設(shè)施、設(shè)備，將建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋,包括屋頂面、墻面、大梁、立柱內(nèi)的鋼筋，連接在一起并就近焊接到避雷接地排，使其構(gòu)成一個籠式避雷網(wǎng)，即“法拉第網(wǎng)”，從而屏蔽雷電。這種方法不僅能防御雷電電磁脈沖的襲擊，還能防球型雷和側(cè)擊雷的襲擊，所有線纜均采用金屬屏蔽線纜，并將金屬屏蔽層就近可靠接地。

4）等電位連接和共用接地。當(dāng)雷電流入地時，地電位升高，在不同接地點(diǎn)之間形成很高的電位差，該過電壓會通過接地裝置對設(shè)備造成反擊，或者通過設(shè)備之間的互連對其他設(shè)備造成反擊。等電位連接就是將各分開的導(dǎo)電裝置，如金屬管道、設(shè)備外殼、金屬屋架、金屬門窗等，用導(dǎo)體連接，以減小雷擊在物體間產(chǎn)生的電位差。

共用接地就是將各設(shè)施、設(shè)備的保護(hù)地、邏輯地、屏蔽地、防靜電地以及防雷地等通過等電位聯(lián)結(jié)帶連接在一起，形成共用接地系統(tǒng)。具體做法是將各種接地分門別類劃入保護(hù)接地、直流工作接地、防雷接地3種接地類別，同類接地就近匯接到同類接地排，然后分別經(jīng)獨(dú)立引下線就近，連接于接地體。接地系統(tǒng)的等電位聯(lián)結(jié)比接地網(wǎng)的接地阻更為重要。

5）電源電涌（過電壓）防護(hù)。除高壓線加裝避雷線保護(hù)外，變壓器每根高壓側(cè)相線分別加裝氧化鋅避雷器，每根低壓側(cè)相線分別加裝氧化鋅無間隙避雷器，作為外電兩級電力防護(hù)。配電室外50 m高壓電纜采用金屬鎧裝電纜埋深1 m進(jìn)入配電室。配電室內(nèi)做接地匯集環(huán)，變壓器的機(jī)殼、中性點(diǎn)、低壓側(cè)的交流零線和保護(hù)線、電纜的金屬外護(hù)層等，與接地匯集環(huán)就近相連，接地匯集環(huán)與系統(tǒng)的總等電位聯(lián)結(jié)帶可靠連接。在總配電柜兩路市電入端和發(fā)電機(jī)輸出端，各并聯(lián)安裝一臺120 kA高性能電源電涌保護(hù)器，并以最短路徑連接，作為室內(nèi)泄能級電源第一級防護(hù)。在調(diào)壓器后的分配電盤的入端并接一臺80 kA電源電涌保護(hù)器，并以最短路徑連接，作為泄能級電源第二級防護(hù)。在發(fā)射機(jī)房配電盤、西山配電盤、微波配電盤、鍋爐房配電盤、宿舍區(qū)配電盤的入端各安裝一臺60 kA電源電涌保護(hù)器，并以最短路徑連接，作為限壓級電源第三級防護(hù)。在每臺發(fā)射機(jī)、空調(diào)前端并聯(lián)安裝一臺40 kA電源電涌保護(hù)器，在傳輸、監(jiān)控等附屬設(shè)備前端使用20 kA防雷插座，作為限壓級電源第四級防護(hù)。

6）天饋線電涌（過電壓）防護(hù)。在每副發(fā)射、接收天饋線的出、入端口處，根據(jù)其頻率、功率、阻抗等參數(shù)的不同，并接一個插入損耗及電壓駐波比小而適配的天饋線浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器接地線就近連接到接地排。

7）信號線電涌（過電壓）防護(hù)。每條進(jìn)入機(jī)房的信號電纜，包括網(wǎng)線、音視頻信號線纜、控制線纜、數(shù)據(jù)線纜等，除使用屏蔽電纜并埋地敷設(shè)外，在進(jìn)入設(shè)備前，根據(jù)其頻率、阻抗和傳輸特性等參數(shù)，并接一個插入損耗及電壓駐波比小而適配的信號浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器接地線就近連接到等電位接地排。

5 小結(jié)

05發(fā)射臺的防雷系統(tǒng)從攔截、引流、躲避、防護(hù)4個方面進(jìn)行了改進(jìn)和提高，從運(yùn)行的實(shí)際情況看，收到了預(yù)期的效果。整個系統(tǒng)改造完成已2年，原來每年多次被雷電擊壞設(shè)備的現(xiàn)象沒有了，有效保護(hù)了廣播電視發(fā)射設(shè)施和設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)了惡劣環(huán)境下廣播電視節(jié)目的安全發(fā)射。需要提出注意的是今后要加強(qiáng)對防雷系統(tǒng)的維護(hù)、保養(yǎng)，防銹、防腐蝕，保持各搭接部位良好的接觸，保持各接地體周圍土壤的濕度，保持接地線不被破壞，這樣才能發(fā)揮防雷系統(tǒng)良好的性能。

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