高山轉播臺防雷系統工程

山東省廣播電影電視局蒙山轉播臺 王建輝

一、依據標準

1.GB50057-1994《建筑物防雷設計規范》（2000）

2.GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》

3.GA267-2000《計算機信息系統雷電電磁脈沖安全防護規范》

4.YD2011-93《微波站防雷與接地設計規范》

5.JGJ/T16-92《民用建筑電氣執行規范》

6.IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》

二、現狀分析

1.蒙山臺所處地理環境情況

該臺所處地區氣象數據表明：該地區依據40多年的統計結果，最早雷擊時間為2月28日，最晚雷擊時間為12月24日，年平均雷暴日高達52.4(d/a)，按照GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》的定義，其地區雷暴日等級為高雷區。

該臺海拔1156米，地勢高、環境空曠等諸多因素導致該臺頻繁遭遇雷擊，自建臺四十多年來，該臺每年都會遭遇數次雷擊，高壓線路、變壓器、發射機、電源電纜、計算機設備及通信線路等都曾遭受雷擊的嚴重破壞，導致設備毀損、播出中斷、屏蔽線擊穿、播出系統崩潰等事故發生，其中損失人民幣十萬元以上的事故七次。此外，每年該臺都會遭到不同程度的雷擊事故，可以說雷擊事故給該臺造成嚴重的破壞和損失。

2.建筑物情況

發射鐵塔：基座10×10米，塔身高76米，與機房所在的機房樓相距約20米。

機房樓：50×11×7.5米，分為兩層，一樓為值班室和機房（內有低壓配電室、發射機房等），二樓為職工宿舍。

高壓切換室：3×4×4米，處于該臺院墻外，兩路10KV外電在此處切換。

高壓配電室：5×3×4米，在機房樓旁邊，內設有高壓斷路器，變壓器、隔離變壓器等。

發電機房：7×3×4.5米，由兩間房組成，一間安置200KV自備發電機，另一間安置120KV自備發電機。

3.高壓配電情況

兩路10KV市電通過高壓切換室切換后，經地埋電纜進入高壓配電室變壓輸出，再從地埋電纜送至低壓配電室并與發電機進行切換分配到各配電盤。

4.信號線路情況

蒙山臺同時為山東省級微波干線的中繼站，主用數字微波正傳和回傳信號，

同時配備中星6A、中星6B、中星九號、亞太6號等多部衛星信號接收系統作為備用信號源。

5.接地系統情況

(1)原地線采用獨立接地系統，變壓器、高壓電纜、天饋系統、機房高頻及安全接地等各自獨立接地。

(2)測量原接地電阻：發射鐵塔的接地電阻為4.2Ω；高壓線路的接地電阻為17Ω；機房的接地電阻為5.1Ω；天饋系統及高壓配電室的接地電阻為8.2Ω，達不到安全接地電阻的標準。

(3)原有的防雷措施情況：

1)直擊雷防護現狀僅依靠發射天線和機房樓頂架設的避雷針。

2)感應雷防護原狀：

電源防護原狀—配電室，380V的配電柜安裝了OBO20C3+NPE，通流量為20KA，不符合國標不小于80KA的要求，不能對大電流進行有效泄放。

信號線路原防護部分：天饋線和信號線沒有進入橋架，直接架空引入機房；進機房的天饋線和信號線窗口沒有做接地處理；控制線、室內天饋線、視頻監控線路、網絡線纜、232接口線沒有任何防雷措施。

3)接地原狀：機房接地、天饋接地、高頻接地、工作接地和電源接地各自獨立，且接地線過長、裸露、截面積不符合要求。

4)缺乏完善的防雷電感應和雷電波入侵的綜合措施。

三、雷害的分析及一般防護措施

1.自然界雷害的分類

自然界雷擊分為直擊雷和感應雷。

2.雷電災害防治基本方法

(1)直擊雷和感應雷{雷電感應高壓電及雷電電磁脈沖（LEMP）}的侵害途徑不同，防護措施也就不同，防直擊雷主要采用避雷針、避雷帶（網、線）等傳統避雷措施，只要設計規范，安裝合理，這些避雷設施能夠對直擊雷進行有效的防御。

(2)但是無論多完善的防直擊雷裝置，對雷電感應高壓電及雷電電磁脈沖的防護都無能為力，因為雷電感應高壓電是由于電子、電氣設備的電源線、信號線、天饋線等所致，感應雷的入侵途徑如圖1。

圖1 感應雷的入侵途徑

(3)綜合防雷工程是一個系統工程，它包括：直擊雷的防護、等電位連接措施、屏蔽措施、規范的綜合布線、設計安裝SPD、完善合理的接地系統六個部分組成。

四、防雷系統方案

1.需要改造的幾個部分

根據該臺的現場布局、電源供線路和通信線路、防雷設施狀況等情況分析，需要改造的以下幾個部分：

A.直擊雷防護

B.電源防防護

C.信號源防護

D.天饋系統防護

E.接地部分防護

2.防雷系統的整體構思和措施

防雷工程實施過程中，我們嚴格按照相關規定執行和操作，在布線方面，依照強、弱電分開，大、小信號分開，高、低頻信號分開的原則施工，盡量在雷電入侵時，避免雷電的相互干擾，相互影響。

綜合防雷構思框圖如圖2。

圖2 綜合防雷構思框圖

防直擊雷的依據以及采取的具體措施：

(1)為防止室外天饋線系統及衛星通信部分遭受直接擊雷，需要在距離天線一定位置處安裝避雷針，避雷針的高度要嚴格按照滾球法計算，避雷器的高度計算公式Rx=√H(2h-H)-√Hx(2hr-Hx)Rd=√H(2Hr-H)

其中Rx為避雷針在Hx高度平面上的保護半徑

Hr—滾球半徑

Hx—被保護物體高度

H—避雷針的計算高度

Rd—避雷針在地面上的保護半徑

根據上述公式計算，避雷針高度設計高出被防護體3米（不包括塔桿）可起到有效保護作用。

(2)采用金屬避雷針，安裝于76米高度的鐵塔頂部，并用直徑10MM銅線接地，以有效地減少雷擊時的電磁場變化，從而降低設備損壞概率。

(3)對以下區域進行整改：

a.機房樓頂端，加裝高出女兒墻10米的金屬避雷導體。

b.在衛星接收天線處，安裝比天線上側山體平臺高16米的金屬避雷導體。

c.發電機房、配電樓頂安裝建筑物用避雷針。

d.所有天饋線和信號線進入橋架。

e.機房樓所有門窗良好接地，避免球型雷飄窗進入房間。

(4)將上述位置安裝的每一個避雷針，用40*4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個防雷體系網，加大了防護范圍及防護能力，更加有效的防止了直擊雷的入侵。

3.電源系統防感應雷措施

(1)整改線路：將原先的配電系統三相四線制（TN-C）改為三相五線制(TN-S)，將零線（N）與地線（PE）獨立分開，這樣就能在雷電侵入時，有效隔離了三相四線制供電方式造成的危險高壓，使設備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設備產生危險電壓的隱患，確保人身及設備的安全。

(2)在高壓斷路器前端，接入高壓氧化鋅避雷器，以阻斷雷擊時沿高壓線路進入的過高的感應電壓，保護后級設備線路的安全。

(3)380V供電部分采用接入通流量為100KA法國soule避雷器進行防雷保護，保護設備免遭雷擊過電壓和系統操作過電壓造成的損壞。

(4)采用壓敏電阻器與被保護的電器設備并聯的方式進行防雷保護。當電路中出現雷電過電壓Vs時，壓敏電阻器以納秒級時間迅速呈現優良非線性導電特性，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低于過電壓Vs，從而使設備及元器件免遭過電壓的沖擊，如圖3。

圖3 供電系統防雷圖

(5)在配電柜里面加裝符合容量要求的電源模塊防雷器，采用電源防雷器能在最短時間內釋放電路上因雷擊感應而產生的大量脈沖能量短路泄放到大地，降低設備各接口間的電位差，從而保護電路上的設備。

4.信號系統防感應雷措施

(1)在衛星信號線兩端加裝避雷器，在機房衛星接受機信號輸入端口安裝DSS-401MS00B組成的小信號避雷器SPD。

(2)在微波天線及饋線兩端加裝避雷器，在機房接收機信號輸入端口安裝DSS-401MS00B組成的小信號避雷器SPD。

(3)所有的音頻信號、視頻信號輸入端加裝由DSS-401M-S00B組成的小信號避雷器SPD。SPD采用了日本三凌公司生產的防雷擊限壓二極管DSS-401M-S00B。當雷擊時，信號線上的感應電壓達到一定值后，二極管D2導通，把過高的感應電壓泄放到地，減輕了對輸入回路元器件的沖擊。此二極管的結電容很小，僅零點幾皮法，可用于4GHZ以下的信號電路，不會對音、視頻信號和射頻信號造成影響，確保信號的暢通，同時起到了避雷作用。自改造后至今兩年多雖仍多次打雷，并未出現上述的雷擊事件，減輕了我臺的經濟損失，確保了我臺的安全優質播出。

此二極管DSS-401M-S00B的應用較為廣泛。由于它的避雷效果好，可應用于有線電視放大器的輸入端、輸出端的保護，也可用于音視頻分配器、衛星接收機等廣播電視器材的輸入、輸出信號端口的防雷保護。原理圖如圖4所示。

圖4 原理圖

(4)將所有信號線敷設在屏蔽管線內，屏蔽線端口處接地，并入接地網中，整體連接如圖5所示。

圖5 屏蔽管

5.依據規范對接地系統進行改造

依據YD2011-93《微波站防雷與接地設計規范》對接地系統的相關規定，對接地系統作如下改造：

(1)機房地網的組成：利用機房建筑物基礎自然向橫豎梁內的2根以上主鋼筋必要時輔以相同尺寸的鋼筋，組成網絡不大于3米×3米的機房地網。當機房建筑物基礎有限時，應將地網內2根以上主鋼筋于機房地網就近焊接連通。

(2)鐵塔地網的組成：當微波天線鐵塔坐落在機房旁邊時，其地網面積應延伸到塔基四腳外1.5米以遠的范圍，網絡尺寸應不大于3米×3米，其周邊為封閉式。同時，還應利用塔基地樁內2根以上主鋼筋做垂直接地體，與地網焊接連通；當微波機房位于微波天線塔內或微波天線鐵塔位于機房房頂時，宜在機房地網四角設置輻射式外引接地體，以利雷電散流。

(3)變壓器地網的組成：當電力變壓器設置在機房內時，其地網可合用機房及其他地網。

(4)把變壓器、高壓電纜、天饋系統、機房高頻及安全接地各自獨立的接地系統用40*4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個整體接地網，在遭到雷擊時電位同時升高或降低，以確保被雷擊后設備的電位差最低。整體地網連接如圖6。

圖6 整體地網連接圖

6.接地系統及地網整體的具體改造措施

(1)接地模塊埋設措施

每處接地點按下列方式接地，采用膠南降阻劑廠生產的接地模塊按圖串接接地（如圖7所示）。

圖7 模塊安裝示意圖

(2)鐵塔地網

首先在塔基四周1.5米外設置環形地網，考慮塔基四周為山體巖石，在塔基周設置四組接地極，接地極之間利用40*4鍍鋅扁鋼焊接組成環狀，利用沖擊風鉆在每個腳處開挖200*1000MM孔3-5個，孔內放置圓柱型石墨低電阻接地模塊。

此組接地目的為鐵塔接閃后，雷電流可以迅速的導入山體，利用有效的地網結構散流。另外此組環形地網利用40*4熱鍍鋅扁鋼外引至原鐵塔地網。原鐵塔地網起到降低接地電阻的效果。40*4熱鍍鋅扁鋼每相隔20米設置一組接地模塊。變壓器地網和機房地網環形接地裝置聯結方式同上。

(3)地網整體改造措施

根據現場測試的情況對土壤電阻值的計算，對地網的改造可按照下述公式計算：

公式：R=ρ/2пL+8L/(lnD+L)MO

式中：R：單根接地極的阻值

ρ：土壤電阻率

L：接地極長度

D：接地極直徑

MO：接地極利用系數

根據上述公式計算可對地網進行如下設計：

新建接地系統宜采用環形閉合地網，增加輔助接地體，達到滿足要求的目的，新建地網垂直接地體采用導電性能優良的接地極多根，L50×50×5×1500熱鍍鋅角鋼12根，水平接地體采用40*4熱鍍鋅角鋼100米。垂直接地體間距為其自身長度的1.5-2倍。垂直接地體與水平接地體之間的電磁感應做防腐蝕處理。接地裝置的焊接長度，扁鋼為寬邊的2倍以上。接地體其上端距地面應不小于0.8米，達到國際設計要求小于1歐姆。

把全臺各處的地網用40×4熱鍍鋅扁鋼以最短距離連接在一起，組成一個大的整體接地網，這樣在遭到雷擊時電位同時升高或降低，以確保被雷擊后設備的電位差最低，確保人身設備的安全。

五、使用效果

經改造后，各處接地電阻測量如下：發射鐵塔的接地電阻為1.9Ω；高壓線路的接地電阻為3.8Ω；機房的接地電阻為0.8Ω；天饋系統及高壓配電室的接地電阻為2.1Ω，符合接地電阻的標準。

蒙山臺防雷改造系統自2010年10月份竣工至今，該臺遭受雷擊情況得到顯著改觀，做到了有效地防雷入侵及泄掉入侵的強雷電。近兩年來據不完全統計，因雷擊損失共計不足1000元人民幣，僅為原先損失的幾十分之一。

鑒于統計的時間短，每年雷擊情況的統計計算不是非常準確，但是從實際效果來看，兩年只擊壞一只高頻頭，這足以證明該套防雷工程起到了很好的防護作用，不僅保障了人身安全、設備安全，減少了該臺的雷擊損失，有效保障了該臺廣播電視節目的安全優質播出。