高山臺(tái)設(shè)備機(jī)殼與值班區(qū)域地面的零電位改造

■ 貴州省廣播電視局七六四臺(tái)：張漢明

為了擴(kuò)大服務(wù)范圍，我國(guó)的廣播電視無(wú)線發(fā)射臺(tái)都建設(shè)在高山上。貴州省廣播電視局七六四調(diào)頻電視轉(zhuǎn)播臺(tái)，就是建設(shè)在海拔2200米的苗嶺主峰雷公山的山頂上。山腳的海拔650米，苗嶺主峰雷公山的相對(duì)高度為1500米。苗嶺是一嶺橫斷南北，由于嶺的相對(duì)海拔為1500米，所以造成山上雷擊不規(guī)律。用圖1解釋：

圖1：雷暴云在平行山頂南側(cè)發(fā)生電荷中和

圖1中，在雷雨天氣時(shí)，雷暴云從南向北流動(dòng)，低處的云層受到山的阻擋而向頂移動(dòng)，最后雷暴云在平行山頂南側(cè)高度密集而發(fā)生電荷中和現(xiàn)象，云層正負(fù)電荷瞬間中和而發(fā)生雷擊。所以，在高山上，雷擊是水平向的、有時(shí)從下往上擊等等不規(guī)則現(xiàn)象。高山上的鐵塔及避雷針，有時(shí)就是一個(gè)擺設(shè)物件。

衛(wèi)星接收天線一般安裝在山上南方的地面，因?yàn)闊o(wú)遮擋。但是，這恰恰成為引雷設(shè)備，一年中，衛(wèi)星天線上的高頻頭損壞十多次，甚至引起衛(wèi)星接收機(jī)損壞。最后把衛(wèi)星天線安裝到山的北面去，衛(wèi)星天線高頻頭雷擊故障為0。

海拔2000米以上的高山，有時(shí)一天的天氣包括春夏秋冬。全年一半多是雷、雨交加的天氣，春夏秋冬季節(jié)都有雷暴雨災(zāi)害日。雷擊是高山臺(tái)設(shè)備故障的主要原因，雷擊時(shí)，由于地網(wǎng)接地電阻不達(dá)標(biāo)，設(shè)備機(jī)殼對(duì)地面帶電幾十伏以上，這才是導(dǎo)致值班人員人身安全事故的重要根源。我們要求設(shè)備機(jī)殼對(duì)地面帶電的電位為0伏，技術(shù)上就必須進(jìn)行零電位改造。具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1. 發(fā)射臺(tái)機(jī)房供電系統(tǒng)零電位改造

1.1 2000年以前，供電系統(tǒng)是3相4線制。

那時(shí)沒(méi)有使用隔離變壓器。10千伏高壓變壓器與機(jī)房為長(zhǎng)距離，所以在高壓變壓器處的地面建設(shè)一個(gè)地網(wǎng)1，天饋系統(tǒng)（鐵塔地網(wǎng)）與機(jī)房設(shè)備（設(shè)備機(jī)殼）單獨(dú)建設(shè)一個(gè)PE地網(wǎng)2。如圖2所示。

圖2：高山供電用架空線是最大的錯(cuò)誤

圖2在雷擊時(shí)，高壓變壓器及其附屬設(shè)備經(jīng)常發(fā)生損壞；低壓架空線路，有時(shí)被燒斷；發(fā)射機(jī)設(shè)備，經(jīng)常故障，甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。以前，在雷雨季節(jié)，工作人員是提心吊膽值班，總有處理不完的故障，維修任務(wù)繁重。

圖2中，由于地網(wǎng)1與地網(wǎng)2有一定距離，所以機(jī)房設(shè)備機(jī)殼PE與變壓器地線N之間有電位差。用萬(wàn)用電表測(cè)量VPE-N≤15V。說(shuō)明發(fā)射機(jī)設(shè)備機(jī)殼不是零電位。由于工作地網(wǎng)（PE地網(wǎng)2）的接地電阻不達(dá)標(biāo)，在雷雨季節(jié)的雷擊瞬時(shí)，值班人員摸設(shè)備機(jī)殼，容易受到?jīng)_擊雷電流波攻擊而發(fā)生人身安全事故。

1.2 2000年以后，供電為3相5線制。

2000年以后，開(kāi)始使用低壓隔離變壓器，安裝高壓變壓器處地面建設(shè)的地網(wǎng)1與鐵塔及機(jī)房地網(wǎng)PE地網(wǎng)2，全部連接為一個(gè)地網(wǎng)。如圖3所示。圖3中的N線與PE線連接在一起。

圖3：三相五線制供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

在圖3三相五線制供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖中，安裝了隔離變壓器，安裝了一體化智能穩(wěn)壓器（包括逆變器）。這時(shí)候新的故障又出來(lái)了。圖3中有兩根地線，就是N線與N1線。圖3在工作中，隔離變壓器之后連接的智能一體化電源（包括逆變器系統(tǒng)）經(jīng)常容易損壞。經(jīng)過(guò)找故障原因，發(fā)現(xiàn)VN-N1≤95V。就是設(shè)備機(jī)殼對(duì)地面帶有高的電壓。這個(gè)電壓VN-N1值是隨機(jī)的瞬時(shí)電壓，高時(shí)上95V，直接造成設(shè)備故障與人身安全事故。具體原理由圖3分析得到結(jié)果。

為了解決此問(wèn)題，唯一辦法就是在發(fā)射臺(tái)機(jī)房中，直接將圖3中的N線、N1線、PE線連接在一起。隔離變壓器之后連接的智能一體化電源（包括逆變器系統(tǒng)）就不再損壞。這時(shí)候，供電系統(tǒng)實(shí)際成為3相4線制。

2. 屏蔽改造

2.1 機(jī)房與住房改造

高山臺(tái)設(shè)備安全重要，人身安全更重要。機(jī)房、值班人員住房等所有房屋，房屋頂面、墻面全部重新用鋼筋分布。發(fā)射機(jī)設(shè)備與人員活動(dòng)的地方都設(shè)置在屏蔽室中。

圖4：房屋頂面改造成為屏蔽房屋

2.2 三相高壓供電線路，高壓架空線技改成埋地線

架空線的缺點(diǎn)說(shuō)明：雷雨天氣時(shí)，在雷暴云下方高壓正電荷靜電電場(chǎng)的作用下，地面安裝的高壓架空線上聚集了相等量的負(fù)電荷高壓靜電場(chǎng)。雷暴云的正負(fù)電荷中和即發(fā)生“雷擊”后。高壓架空線上聚集了相等量的負(fù)電荷立即引發(fā)中和現(xiàn)在即產(chǎn)生負(fù)電荷沖擊電流波，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)設(shè)備故障。

現(xiàn)在在距離發(fā)射臺(tái)兩公里以上的地方，將高壓架空線技改成為鎧裝三相高壓電纜埋地線。在雷雨天氣時(shí)，這時(shí)雷暴云下方的極高壓正電荷電場(chǎng)不會(huì)導(dǎo)致深埋地下50厘米的鎧裝高壓電纜線上集聚任何靜電場(chǎng)。就是說(shuō)：深埋地下的鎧裝高壓電纜線上不存在雷電波。所以我臺(tái)選擇了用深埋地下50厘米以上的鎧裝高壓電纜線實(shí)現(xiàn)消除雷電波的方法。我們通過(guò)試驗(yàn)，電纜長(zhǎng)度一般為2000米，就能起到消除雷電波的作用。

計(jì)算高壓電纜的單位電容和單位電感。工程上，需要計(jì)算電纜的LC參數(shù)值。計(jì)算根據(jù)如圖5使用電纜實(shí)物圖示。

圖5：壓電纜的單位電容和單位電感

圖5是我臺(tái)使用雙鎧裝電纜的照片。工程實(shí)際測(cè)量：高壓電纜單相金屬護(hù)套內(nèi)導(dǎo)體直徑：D=28mm。高壓電纜單相線的直徑：d=13mm，聚氯乙烯：ε'=2.7。

根據(jù)傳輸線理論公式：

通過(guò)計(jì)算頻率為10KHz以上的雷擊電流波，都被鎧裝電纜的等效電容波段容抗約為0Ω而被短路入地。確保了供電系統(tǒng)無(wú)雷擊。

3. 發(fā)射臺(tái)地網(wǎng)的接地電阻為零歐姆的改造設(shè)計(jì)

發(fā)射臺(tái)只建設(shè)一個(gè)地網(wǎng)。這個(gè)地網(wǎng)是鐵塔的接地地網(wǎng)、也是各種設(shè)備的接地地網(wǎng)、同樣是保障人身安全的工作地網(wǎng)。如果地網(wǎng)的接地電阻大，在雷擊時(shí)，設(shè)備機(jī)殼帶電，就會(huì)造成設(shè)備故障與造成人身安全事故。

4. 貴州省廣電局七六四臺(tái)安全地網(wǎng)實(shí)施方案

實(shí)際施工方案，如圖6所示。

圖6：發(fā)射臺(tái)埋地地網(wǎng)

圖6是貴州省廣電局七六四臺(tái)防雷地網(wǎng)的模型，防雷地網(wǎng)經(jīng)過(guò)40年來(lái)不斷重復(fù)建設(shè)，至今是占地面積10多萬(wàn)平方米。整個(gè)山頭都是鍍鋅扁鐵編制的環(huán)形地網(wǎng)，鍍鋅扁鐵埋地50厘米以上，鍍鋅扁鐵每延伸2米，都要連接一根1米的垂直扁鐵。放電坑密集。

5. 所有施工的最后結(jié)果

我們所有施工要求達(dá)到的最后結(jié)果，電網(wǎng)接地電阻一定小于0.2Ω，等于就是設(shè)備機(jī)殼與值班區(qū)域地面，在雷擊時(shí)，有效將沖擊電流波瞬間直接入地，設(shè)備機(jī)殼及工作地面都為零電位。在雷雨天氣，國(guó)家電網(wǎng)正常供電、設(shè)備安全播出、值班人員正常走動(dòng)。高山臺(tái)設(shè)備機(jī)殼與值班區(qū)域地面的零電位改造，圓滿成功。